یک مشکل اساسی در قلب موتورهای جت مدرن وجود دارد:

پره های توربین در معرض دماهای بالاتر از نقطه ذوب ماده ای هستند که از آن ساخته شده اند.

سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل{0}}از جمله مقاوم‌ترین مواد ساختاری{1}}در حال حاضر در برابر حرارت هستند. با این حال حتی این آلیاژها در حدود 1300 درجه یا کمی بالاتر ذوب می شوند.

با این حال، گازی که از محفظه احتراق موتور مدرن خارج می شود، می تواند از 1500 درجه فراتر رود.

پس چرا تیغه توربین به سادگی ذوب نمی شود؟

پاسخ به طرز شگفت آوری ساده است:

توخالی است.

در داخل یک پره توربین مدرن یک شبکه بسیار مهندسی شده از گذرگاه های خنک کننده داخلی وجود دارد. هوای خنک کننده از طریق ریشه تیغه وارد می شود، از این گذرگاه ها عبور می کند، گرما را از فلز جذب می کند و در نهایت از صدها سوراخ ریز در سطح تیغه خارج می شود.

هوای خارج شده یک لایه محافظ نازک بین تیغه و گاز داغ اطراف تشکیل می دهد.

در واقع، تیغه به طور مداوم خود را خنک می کند در حالی که در محیطی به اندازه کافی گرم است که بتواند آن را ذوب کند.

اما این مشکل دیگری ایجاد می کند.

چگونه یک قطعه فلزی حاوی گذرگاه های خنک کننده که منحنی، منشعب، بسیار نازک و تقریباً غیرممکن است برای ابزار برش معمولی تولید کنید؟

شما آنها را ماشین کاری نمی کنید.

آنها را دور یک تکه سرامیک ریخته اید.

آن جزء سرامیکی a نامیده می شودهسته سرامیکی.

ممکن است هرگز در موتور تمام شده ظاهر نشود. ممکن است قبل از اینکه تیغه وارد سرویس شود کاملاً حل شده و خارج شود.

با این حال، بدون آن، ساخت بسیاری از پیشرفته‌ترین پره‌های توربین توخالی بسیار دشوار است - و در برخی موارد غیرممکن -.

چرا پره های توربین باید خنک شوند؟

دمای جلوی توربین یکی از عوامل کلیدی حاکم بر عملکرد و راندمان حرارتی یک موتور توربین گازی-است.

به طور کلی، افزایش دمای ورودی توربین به موتور اجازه می دهد تا انرژی مفید بیشتری را از فرآیند احتراق استخراج کند.

اما محدودیت مواد سخت وجود دارد.

تولید یک آلیاژ با نقطه ذوب حتی بالاتر کافی نیست. مواد توربین مدرن در حال حاضر نزدیک به محدودیت هایی که ریزساختار آنها می تواند تحمل کند، کار می کند.

راه حل این نیست که فلز در دمای کامل گاز زنده بماند.

راه حل این است کهخود فلز را به طور قابل توجهی خنک تر از گاز اطراف نگه دارید.

اینجاست که خنک کننده توربین وارد می شود.

هوای خنک کننده از کمپرسور خارج می شود و از طریق گذرگاه های داخل پره توربین هدایت می شود.

همانطور که از طریق کانال های داخلی جریان می یابد، گرما را از تیغه خارج می کند.

سپس هوا از طریق سوراخ هایی که دقیقاً روی سطح تیغه قرار دارند تخلیه می شود.

این به عنوان شناخته شده استخنک کننده فیلم.

هوای خنک کننده روی سطح پخش می شود و لایه ای نازک بین فلز و گازهای داغ احتراق ایجاد می کند.

نتیجه یک ترفند مهندسی قابل توجه است:

گاز اطراف می تواند گرمتر از نقطه ذوب آلیاژ باشد، در حالی که دمای واقعی فلز زیر حد دمای بحرانی خود باقی می ماند.

اما طراحی چنین سیستم خنک کننده ای تنها نیمی از مشکل است.

نیمی دیگر در حال تولید آن هستند.

مشکل ساخت: چگونه می‌توانید غیرممکن را-به-ماشین تبدیل کنید؟

گذرگاه های خنک کننده داخل یک پره توربین پیشرفته، سوراخ های ساده حفر شده نیستند.

آنها می توانند حاوی:

معابر منحنی،

شاخه های متعدد،

کانال های سرپانتین،

دیوارهای نازک،

دنده های داخلی،

سازه های برخورد،

و محل دقیق خروجی های خنک کننده.

برخی از معابر آنقدر کوچک و از نظر هندسی پیچیده هستند که حفاری یا فرز معمولی به سادگی نمی تواند به آنها برسد.

حتی تکنیک‌های ماشین‌کاری پیشرفته زمانی که ابزار از نظر فیزیکی نتواند به هندسه مورد نیاز دسترسی پیدا کند، محدودیت‌های اساسی دارد.

ریخته گری سرمایه گذاری راه حلی را ارائه می دهد.

به جای تلاش برای حذف مواد برای ایجاد معابر داخلی، تولید کنندگانگذرگاه ها را از ابتدا در قالب ریخته گری بسازید.

و کلید انجام این کار هسته سرامیکی است.

هسته سرامیکی را به عنوان یک قالب سه بعدی{0} موقت برای داخل پره توربین در نظر بگیرید.

فلز در نهایت تبدیل به تیغه می شود.

سرامیک به طور موقت فضایی را اشغال می کند که تبدیل به معابر خنک کننده می شود.

هنگامی که فلز جامد شد، سرامیک حذف می شود.

چیزی که باقی مانده است شبکه خنک کننده داخلی است.

چرخه حیات یک هسته سرامیکی

هسته سرامیکی اساساً یک جزء یکبار مصرف با کار بسیار سختی است.

1. ساختن هسته

تولید با یک فرمول سرامیکی با دقت کنترل شده آغاز می شود.

بسته به کاربرد و مسیر تولید، پودرهای سرامیکی را می توان با استفاده از فرآیندهایی مانند قالب گیری تزریقی، ریخته گری ژل یا ساخت افزودنی های سرامیکی شکل داد.

بدنه سبز رنگ به دست آمده، هندسه پیچیده سیستم خنک کننده داخلی تیغه را بازتولید می کند.

سپس خشک می شود، در صورت لزوم جدا می شود و در دمای بالا پخته می شود.

هسته سرامیکی نهایی باید از استحکام و ثبات ابعادی کافی برخوردار باشد تا بتواند از هر چیزی که بعدا می آید زنده بماند.

و دقت ابعادی بسیار مهم است.

یک خطای کوچک در هسته به یک خطای کوچک در عبور خنک کننده تبدیل می شود.

در یک پره توربین بسیار بهینه، این می تواند بر عملکرد خنک کننده، دمای محلی فلز و در نهایت عمر پره تأثیر بگذارد.

2. ساختن الگوی مومی

هسته سرامیکی تمام شده در داخل یک قالب قرار می گیرد.

سپس موم در اطراف هسته تزریق می شود.

هنگامی که موم جامد می شود، نتیجه یک الگوی مومی است که هندسه خارجی تیغه توربین را نشان می دهد و هسته سرامیکی داخل آن تعبیه شده است.

در این مرحله، گذرگاه‌های خنک‌کننده آینده از قبل وجود دارند - اما همچنان توسط سرامیک اشغال می‌شوند.

3. ساختن سرمایه‌گذاری-پوسته ریخته‌گری

الگوی موم به طور مکرر در دوغاب سرامیکی فرو رفته و با مواد نسوز پوشانده می شود.

لایه به لایه، یک پوسته سرامیکی قوی در اطراف الگوی مومی ساخته شده است.

هنگامی که پوسته به ضخامت و استحکام لازم رسید، موم معمولاً با استفاده از بخار یا حرارت کنترل شده حذف می شود.

موم بیرون می ریزد.

هسته سرامیکی داخل آن باقی می ماند.

نتیجه یک قالب{0}ریختگی سرمایه‌گذاری است که شامل دو ساختار سرامیکی حیاتی است:

یک پوسته بیرونی که شکل خارجی تیغه را مشخص می کند و یک هسته سرامیکی داخلی که مسیرهای خنک کننده آن را مشخص می کند.

4. ریخته گری سوپرآلیاژ

قالب از قبل گرم شده و به محیط ریخته گری کنترل شده منتقل می شود.

سوپرآلیاژ مبتنی بر نیکل ذوب می‌شود و تحت شرایط کاملاً کنترل‌شده، اغلب در خلاء یا اتمسفر بی‌اثر، در قالب ریخته می‌شود.

فلز مذاب فضای اطراف هسته سرامیکی را پر می کند.

همانطور که آلیاژ جامد می شود، شکل تیغه را به خود می گیرد و در عین حال هندسه هسته داخلی را حفظ می کند.

برای پره های توربین پیشرفته، فرآیند انجماد می تواند بسیار پیچیده باشد، از جمله انجماد جهت دار و برای برخی کاربردها، رشد تک کریستالی.

در پایان فرآیند، تیغه فلزی وجود دارد.

اما هسته سرامیکی همچنان درون آن محبوس است.

5. حذف هسته

اکنون بخشی است که فناوری هسته سرامیکی{0}}را بسیار غیرعادی می کند.

هسته باید در فرآیند ریخته گری زنده بماند - و سپس به طور موثر ناپدید شود.

بسته به سیستم هسته و کاربرد آلیاژ، لیچینگ شیمیایی برای حذف سرامیک استفاده می شود.

محلول های قلیایی به سرامیک حمله کرده و به تدریج آن را تجزیه می کنند.

ذرات باقیمانده از طریق همان گذرگاه های باریکی که هسته ایجاد کرده به بیرون ریخته می شود.

هدف ساده است:

فلز را دست نخورده بگذارید. مسیرهای خنک کننده را باز بگذارید. در اصل هیچ سرامیکی را پشت سر نگذارید.

هسته کار خود را به پایان رسانده است.

و رفته است.

ماده ای که حول یک تضاد طراحی شده است

این همان چیزی است که توسعه هسته سرامیک{0}}را بسیار دشوار می‌کند.

این ماده باید دو الزام را برآورده کند که به نظر می رسد علیه یکدیگر کار می کنند.

در طول ریخته گری: باید بسیار پایدار باشد.

هسته در دمای حدود 1500 درجه در معرض سوپرآلیاژ مذاب قرار می گیرد.

باید مقاومت کند:

ترک خوردن،

تغییر شکل،

فرسایش،

خزش،

و تغییر ابعاد

اگر هسته حتی به مقدار کمی حرکت کند، هندسه گذرگاه های خنک کننده می تواند تغییر کند.

برای یک تیغه توربین پیشرفته، این می تواند برای تبدیل یک ریخته گری گران قیمت به قراضه کافی باشد.

بعد از ریخته گری: باید به راحتی برداشته شود.

در عین حال، سرامیک نمی تواند به سادگی مانند یک سرامیک ساختاری بسیار پایدار معمولی رفتار کند.

اگر پس از ریخته‌گری از نظر شیمیایی دست نخورده باقی بماند، می‌تواند برای همیشه در داخل تیغه گیر کند.

راه های خنک کننده مسدود می شود.

تیغه غیرقابل استفاده خواهد بود.

بنابراین هسته سرامیکی ایده آل باید تقریباً مانند دو ماده مختلف در دو لحظه متفاوت رفتار کند:

در طول ریخته‌گری، باید مانند یک جزء ساختاری{0}}در دمای بالا عمل کند.

پس از ریخته‌گری، باید مانند یک ماده قربانی رفتار کند که بتوان آن را تمیز کرد.

این تناقض در قلب مهندسی مواد سرامیکی-است.

سیلیس در مقابل آلومینا

دو خانواده مهم مواد سرامیکی{0}}بر پایه سیلیس-و سیستم های مبتنی بر آلومینا- هستند.

هسته های مبتنی بر سیلیس-

سیلیس ذوب شده دارای چندین ویژگی جذاب است.

می تواند قابلیت شستشوی نسبتاً خوبی، دمای پردازش نسبتاً پایین و اقتصاد تولید مطلوب را ارائه دهد.

اما ثبات ابعادی در دمای بالا و رفتار خزش می‌تواند به محدودیت تبدیل شود، به‌ویژه با افزایش دماهای ریخته‌گری و نیازهای پردازش.

هسته های مبتنی بر{0} آلومینا

آلومینا پایداری عالی{0}}در دمای بالا و مقاومت در برابر خزش را فراهم می‌کند.

این باعث می‌شود که هسته‌های مبتنی بر آلومینا{0}}برای کاربردهای سخت، از جمله پره‌های توربین تک کریستالی پیشرفته-جذاب شوند.

مزیت-این است که آلومینای بسیار پایدار نیز می‌تواند پس از ریخته‌گری دشوارتر باشد.

بنابراین چالش مهندسی تبدیل به یکی از ایجاد تعادل می شوداستحکام، پایداری ابعادی، تخلخل، ترکیب فاز و قابلیت شستشو.

بهترین هسته لزوما قوی ترین سرامیک نیست.

این سرامیک با ترکیب مناسب خواص برای کل چرخه تولید است.

جایی که گلوگاه واقعی تولید نهفته است

وقتی مردم به فناوری پشت موتورهای هواپیمای پیشرفته فکر می کنند، تمایل دارند روی چالش های آشکار تمرکز کنند:

معماری موتور، آلیاژ پره‌های توربین، فن‌آوری تک کریستالی، طراحی خنک‌کننده، یا پوشش‌های با دمای بالا-.

اما هسته های سرامیکی پیشرفته یکی دیگر از حلقه های مهم در زنجیره تولید هستند.

و چالش فقط ساخت یک قطعه سرامیکی نیست.

در حال ساختن یک سیستم کامل در اطراف آن است.

کیفیت پودر

هسته های با کارایی بالا به پودرهای سرامیکی با دقت کنترل شده نیاز دارند.

خلوص، توزیع اندازه ذرات، مورفولوژی ذرات، شیمی سطح و سایر خصوصیات همگی می توانند بر هسته نهایی تأثیر بگذارند.

تغییرات کوچک در پودر شروع می تواند بر شکل دهی، خشک شدن، تف جوشی، تخلخل، استحکام و پایداری ابعادی تأثیر بگذارد.

کنترل فرآیند

پنجره تولید می تواند به طور قابل ملاحظه ای باریک باشد.

تغییرات در شرایط شکل‌دهی، محتوای چسب، جداسازی، دمای تف جوشی یا زمان نگهداری می‌تواند ریزساختار و خواص هسته را تغییر دهد.

این یکی از دلایلی است که{0}}تولید هسته سرامیکی به شدت به دانش فرآیند انباشته شده متکی است.

دستور پخت روی کاغذ لزوماً همان فرآیند تولید پایدار نیست.

صلاحیت

اجزای هوافضا تحت الزامات قابلیت اطمینان بسیار سخت کار می کنند.

یک ماده یا فرآیند ساخت جدید را نمی توان به سادگی معرفی کرد زیرا آزمایش های آزمایشگاهی امیدوارکننده به نظر می رسند.

باید آزمایش های گسترده، اعتبار سنجی فرآیند، مطالعات تکرارپذیری و صلاحیت را پشت سر بگذارد.

این امر ورود زنجیره های تامین هوافضا را دشوار و جایگزینی آن را دشوار می کند.

بنابراین، برای هسته های سرامیکی، توانایی ساخت بسیار بیشتر از داشتن تجهیزات مناسب است.

یعنی داشتنمواد، کنترل فرآیند، سیستم های کیفیت، تخصص مهندسی و تاریخچه صلاحیتتا بارها و بارها همان نتیجه را ایجاد کند.

مرز بعدی: پرینت سه بعدی سرامیکی

تولید هسته‌های سرامیکی{0}}به‌شدت به ابزارآلات متکی است.

زمانی که طراحان بخواهند معماری‌های خنک‌کننده پیچیده‌تر را آزمایش کنند، این مشکل تبدیل می‌شود.

تولید افزودنی های سرامیکی رویکرد متفاوتی را ارائه می دهد.

با چاپ سه بعدی سرامیکی مبتنی بر فوتوپلیمریزاسیون{0}}، هندسه های هسته پیچیده را می توان مستقیماً از مدل های دیجیتالی تولید کرد که به طور بالقوه برخی از محدودیت های ابزار مرتبط با قالب گیری معمولی را حذف می کند.

که می تواند توسعه را آسان تر کند:

معابر خنک کننده پیچیده تر،

ساختارهای نازک تر،

هندسه های داخلی غیر متعارف،

و طرح های خنک کننده به سرعت تکرار می شوند.

اما تولید افزودنی یک راه حل جادویی نیست.

این فناوری همچنان با چالش هایی از جمله یکنواختی بدنه سبز-، دقت ابعادی، انقباض سینترینگ، کنترل نقص، توان عملیاتی و هزینه مواجه است.

نمایش آزمایشگاهی یک چیز است.

تولید هزاران هسته{0}}در درجه هوافضا با ویژگی‌های ثابت یکی دیگر از موارد است.

که انتقال از"قابل چاپ است"به"آن را می توان به طور قابل اعتماد در مقیاس صنعتی تولید کرد"جایی است که بسیاری از کارهای مهندسی باقی مانده است.

جزء که ناپدید می شود

جالب ترین چیز در مورد یک هسته سرامیکی ممکن است این باشد که در پایان چه اتفاقی برای آن می افتد.

بخشی از موتور تمام شده نمی شود.

در مشخصاتی که مسافران هرگز نخواهند دید، دیده نمی شود.

این به طور مستقیم به رانش موتور کمک نمی کند.

پس از فرآیند ریخته گری، آن را برداشته و دور می اندازند.

و با این حال، بدون آن، معماری پیچیده خنک کننده داخلی یک پره توربین پیشرفته ممکن است هرگز وجود نداشته باشد.

وقتی به یک موتور هواپیمای مدرن نگاه می‌کنیم، تمایل داریم روی چیزهای دیدنی - رانش بسیار زیاد، آلیاژهای پیشرفته، تیغه‌های تک-کریستال، سیستم‌های خنک‌کننده پیچیده و دماهای عملیاتی فوق‌العاده تمرکز کنیم.

اما تولید پیشرفته اغلب بر روی چیزهای بسیار کوچکتر ساخته می شود.

موادی که ناپدید می شوند.

سازه های موقت

پودرهای تخصصی

اجزای کوچکی که ممکن است هرگز در محصول نهایی قابل مشاهده نباشند.

هسته سرامیکی یکی از آنهاست.

طراحی شده است تا در لحظه ای که به آن نیاز است زنده بماند - و در لحظه ای که کارش تمام شد ناپدید شود.

این ممکن است مناسب ترین توصیف یک فناوری تولید نامرئی باشد:

مولفه ای که هرگز پرواز نمی کند، اما به امکان پرواز کمک می کند.