高温タービンブレードは、近代的なエンジニアリングの最も熱く機械的に搭載されたコンポーネントの一つです。ジェットエンジン、ガスタービン、および産業発電所で発見されたこれらのブレードは、極端な回転速度、腐食性排気ガス、温度を耐えなければならない、多くの場合、1,200 °Cを超える。このような条件下では、最も先進的なスーパー合金は、クリープとして知られているプロセスを介して徐々に変形します。クリープ障害は、ブレードのリード原因であり、エンジンの損傷を低減し、このエンジンは、そのメカニズムを加速することができないと、このエンジンは、そのメカニズムを加速する。

タービンブレードのクリープのフェノメントン

クリープは、高温での一定のストレスに従った材料の時間に依存しない、永久的な変形です。 タービンブレードで使用されるニッケル系スーパー合金のような結晶固体では、原子と分散が持続負荷の下で格子を再編成するのに十分なモバイルになるときにクリープが起こります。 脆性の骨折や疲労とは異なり、クリープは、最終的に寸法および効率を低下させるために、エアフォイルの回転または曲げとして現れます。

クリープ動作は、通常、三つの異なる段階で記述されます。

  • プライマリクリープ(Stage I):[) 緊張率は初期に高くなりますが、材料の作業が硬化し、転置がピン留めされると減少します。 この段階は比較的短命です。
  • 二次クリープ(ステージII):[]] は、株の割合がほぼ定数である場所に達した。割当生成とアニヒレーションはバランスが取れ、この段階は、ブレードのクリープ寿命の大部分をよく表している。
  • テリ・クリープ(Stage III):[]]) は、粒子境界線でマイクロ障害や微小亀裂の形態として急上昇します。 首にまたは骨折が生じ、有用な寿命の終了をマークします。

設計者は、温度、応力、材料の微細構造のために考慮する生命予測モデルを使用して、二次クリープ内で動作するタービン刃をできるだけ長く保つことを目指しています。

クリープ・フェールの第一次メカニズム

タービンブレードの高温合金のクリープは、同時にまたは順次動作するいくつかのマイクロスコープ機構によって管理されます。 3つの最も重要なのは、転位上昇、差分クリープ、および粒境界滑走です。 各は、ブレードの全体的な変形と前例の失敗に貢献します。

移転拠点

変位は、結晶格子の線形欠陥です。室温では、変位は通常、スリップ平面に沿ってグライドによって移動します。しかし、高温(ケルビンの融点が約0.4〜0.5倍)で、変位は、登る能力を増加させ、その振動を吸収または放出することにより、そのスリップ平面に垂直に移動します。この上昇プロセスは、他の断層が、このような障害物に変位することができます。したがって、方向転換は、方向転換が変化する方向に変化する方向に変化する方向に変化が、または方向転換する方向に変化する方向に変化します。

割当上昇率は、温度と格子のバカンシの濃度に非常に敏感です。ニッケルベースのスーパーアロイでは、コヒーレントの存在γ′(ガンマプライム)が降下し、Ni3(Al、Ti) - ディスロケーションがこれらの注文された粒子をカットまたは上昇する必要があるため、レジストクライムが上昇します。しかし、予想されるコアセン(Ostwald)が上昇し、その効果を加速し、その期待する。

拡散のクリープ

非常に高温および比較的低い圧力で、比例したクリープは重要になります。 ここに、原子は、適用される応力に対する応答で結晶格子(Nabarro-Herringクリープ)または穀物境界線(Coble creep)に沿って、拡散します。 抗張応力の下で、原子は、緊張下で顔から移住し、粒子が応力方向に伸びる原因を引き起こします。 分岐のクリープ率は、粒子がより大きい理由は、単一の理由で、より大きいです。

拡散クリープは、穀物境界キャビテーションに貢献します。: 血管は、抗張ストレスに垂直に石炭を石炭し、微小な隙間を形成します。これらのキャビティは、材料を弱め、そして結束のクリープを加速します。

穀物の境界の滑走

高温では、粒境界は粘度層のように振る舞います。 持続的なせん断のストレスの下で、隣接する穀物は互いに相対的に滑ることができます。 境界線の滑走は、境界線の軸線に約45°で方向づけられたとき最も顕著です。 この滑走は、境界線および境界線にある粒子の圧力を集中し、キャビティ核化を促進します。 多結晶ブレード合金では、穀物境界滑走は、慎重に強化された場合には、相互粒状骨折を生成することができます。

穀物境界の滑走を緩和するために、合金デザイナーは、ブロン、ジルコニウム、およびカーボンなどの要素を追加して、境界に沿って横方向および炭化物を形成します。 これらの粒子は境界線と支障の相対運動をピン留めます。 さらに、方向の凝固技術は、ブレード軸と整列穀物を配列します。 横断穀物境界の欠如は、滑走を劇的に減少させます。

クリープ障害を加速する要因

クリープ障害は、温度とストレスの機能を単独でではありません。いくつかの追加の要因は、サービス条件下で破裂する時間を大幅に削減することができます。

  • 温度の発生:[ 温度の短いイベント(例えば、離脱または電力サージ中に)でも、マイクロ構造の劣化を加速し、急激に粗感し、酸化物をスケールアップさせる。
  • 循環熱負荷:[ 繰り返し熱循環は、クリープと相互作用する熱疲労を導入し、クリープ-疲労亀裂を生成します。
  • 酸化および腐食:[高温酸化は合金の表面を消費し、アルミニウムおよびクロムのような要素を強化する枯渇できます。溶融塩からの熱腐食は、保護酸化層をさらに損傷させます。
  • 状態の多軸性:[ タービンブレードは、複雑なストレス状態を経験する - 遠心緊張、曲げ、振動 - 単純な単軸クリープテストと比較してキャビテーションを加速することができます。
  • [] 構造の不安定性:[ 長いサービス時間、 γ] は、粗い、穀物の境界線は、(例えば、シグマフェーズまたはレイブフェーズ)、およびコーティング層は劣化する可能性があります。

先端材料と設計戦略を緩和

現代のタービンブレードは、材料科学と革新的な設計の組み合わせにより、異常なクリープ抵抗を達成します。

ニッケル系スーパーアロイ

高温刃のワークホールスは、IN718、René 88、CMSX-4などのニッケル系スーパーロイスです。それらは、溶融点()の80%を超える強度を維持しています]]m ≈ 1,300 °C) 凝集率の分散のおかげで、凝集率 γ]Tγ] [FLT:] [FLT:] [FLT:] [FLT]] [FLT:] と高分子量と高濃度の添加剤は、高濃度の含有量を含有する。

単一水晶技術

単一結晶鋳造(例えば、シードクリスタルとスパイラルグレインセレクタを使用して)を介して、穀物境界を完全に排除することは、穀物境界のスライドと差分クリープのためのパスを削除します。 今日、現代のジェットエンジンのほぼすべての高圧タービンブレードは、多くの場合、複雑な冷却通路が投げ込まれている単結晶です。

熱バリアコーティング(TBC)

TBCは、通常、yttria-stabilizedジルコニア(YSZ)で、ブレード表面に適用される、金属温度を100〜200 °Cに削減し、クリープ率を飛躍的に低下させます。コーティングシステムは、ボンドコート(NiCoCrAlYなど)と、腐食抵抗を提供する熱的に成長した酸化物層も含まれています。 TBC耐久性の継続的な改善、より優れた安定性のためにガドリン - ジルコネートを使用して、サービス間隔を延ばすなど。

内部冷却

複雑な内部空気冷却通路 - 計算式流体力学を使用して設計 - 振動温度でブレードメタルを保ちます。 圧縮機のbleed空気は、蛇口チャネルを介してルーティングされ、ブレード表面上のフィルム冷却穴を介して排出されます。 添加製造の進歩は、真にブレードジオメトリに従う冷却チャネルを合わせ、熱勾配とクリープストレスを軽減することができます。

ブレードにおけるクリープのテストと寿命予測

安全を確保するために、タービンブレードは厳格なクリープテストとモデリングを受けています。 代表的な標本の単軸クリープテストは、さまざまな温度とストレスでベースラインクリープ曲線を提供します。 より高度なテストには、クリープと熱循環を組み合わせた熱機械的疲労(TMF)テストが含まれます。 加速されたサービスシミュレーションテストは、より高いストレスと温度でブレードを実行し、故障データを短時間で生成します。

生命予測モデル、例えば、ラーソン・ミラーパラメータ、モンクマン・ガント・リレーション、および連続ダメージ・メカニックスなど、ラボデータをフィールドライフ・リファクターに変えます。材料の変動とサービスのランダム性のための確率的方法アカウント。X線計算されたトーモグラフィー、渦電流、超音波検査を含む非破壊的な評価技術は、メンテナンス中に初期段階のキャビテーションとクリープダメージを検出するために使用されます。

説得力のある

高温タービンブレードのクリープ障害は、分散の上昇、差分の流れ、および粒の境界滑走によって駆動される複合的、マルチメカニズム現象です。これらのメカニズムを理解することで、エンジニアは、クリープを遅らせ、コンポーネントの寿命を延ばす合金、コーティング、および冷却アーキテクチャの設計を可能にします。 限りなく、より高いタービン入口の温度に向け、効率性を高め、排出を下げる - クリープ耐性材料および予測モデルの継続的な革新を要求します。 クリープの科学のマスター化によって、確実に電力および再生可能になります。

さらなる読み方については、【]】ASM Internationalのテクニカルハンドブック(クリープ)と]]の「NASA」を参照してください。タービンブレード材料に関する技術レポート。追加の詳細なメカニズムは、 のクリープのトピックページで覆われています.