Šiuolaikinių reaktyvinių variklių esmė yra pagrindinė problema:

Turbinos mentės yra veikiamos aukštesnėje temperatūroje nei medžiagos, iš kurios jie pagaminti, lydymosi temperatūra.

Nikelio{0}}superlydiniai yra vienos iš karščiui-atspariausių šiandien prieinamų konstrukcinių medžiagų. Tačiau net ir šie lydiniai tirpsta maždaug 1300 laipsnių arba šiek tiek aukštesnėje temperatūroje.

Tačiau iš šiuolaikinio variklio degimo kameros išeinančios dujos gali viršyti 1500 laipsnių.

Taigi kodėl turbinos mentė tiesiog neištirpsta?

Atsakymas stebėtinai paprastas:

Jis yra tuščiaviduris.

Šiuolaikinės turbinos mentės viduje yra puikiai suprojektuotas vidinių aušinimo kanalų tinklas. Aušinamasis oras patenka per ašmenų šaknį, keliauja per šiuos kanalus, sugeria šilumą iš metalo ir galiausiai išeina per šimtus mažų skylučių ašmenų paviršiuje.

Išeinantis oras sudaro ploną apsauginį sluoksnį tarp ašmenų ir aplinkinių karštų dujų.

Tiesą sakant, ašmenys nuolat vėsina, kai dirba pakankamai karštoje aplinkoje, kad ją ištirptų.

Bet tai sukuria kitą problemą.

Kaip pagaminti metalinį komponentą, kuriame yra lenktų, šakotų, itin plonų aušinimo kanalų, kurių beveik neįmanoma pasiekti įprastiniu pjovimo įrankiu?

Jūs jų neapdirbate.

Jūs išliejate juos aplink keramikos gabalą.

Tas keraminis komponentas vadinamas akeraminė šerdis.

Jis gali niekada nepasirodyti gatavame variklyje. Jis gali būti visiškai ištirpęs ir nuimtas prieš pradedant naudoti ašmenis.

Tačiau be jo daug pažangiausių tuščiavidurių turbinų menčių būtų labai sunku -, o kai kuriais atvejais ir neįmanoma - pagaminti.

Kodėl turbinos mentės turi būti aušinamos

Temperatūra turbinos priekyje yra vienas iš pagrindinių veiksnių, lemiančių dujų{0}}turbinos variklio veikimą ir šiluminį efektyvumą.

Apskritai, didėjanti turbinos įleidimo temperatūra leidžia varikliui iš degimo proceso išgauti daugiau naudingos energijos.

Tačiau yra kietų medžiagų apribojimas.

Neužtenka vien sukurti dar aukštesnės lydymosi temperatūros lydinį. Šiuolaikinės turbinų medžiagos jau veikia beveik ribose, kurias gali toleruoti jų mikrostruktūros.

Sprendimas nėra priversti metalą išgyventi visą dujų temperatūrą.

Sprendimas yrakad pats metalas būtų žymiai vėsesnis nei aplink esančios dujos.

Čia atsiranda turbinos aušinimas.

Aušinamasis oras išleidžiamas iš kompresoriaus ir nukreipiamas per kanalus, esančius turbinos mentėje.

Tekant vidiniais kanalais, jis pašalina šilumą iš ašmenų.

Tada oras išleidžiamas per tiksliai išdėstytas skylutes ašmenų paviršiuje.

Tai žinoma kaipplėvelės aušinimas.

Vėsinamasis oras pasklinda paviršiumi ir sukuria ploną sluoksnį tarp metalo ir karštų degimo dujų.

Rezultatas yra puikus inžinerinis triukas:

Aplinkinės dujos gali būti karštesnės nei lydinio lydymosi temperatūra, o tikroji metalo temperatūra išlieka žemiau kritinės temperatūros ribos.

Tačiau tokios aušinimo sistemos sukūrimas yra tik pusė problemos.

Kita pusė ją gamina.

Gamybos problema: kaip padaryti, kad{0}}neįmanoma-įrengti mašiną?

Aušinimo kanalai pažangios turbinos mentėje nėra paprastos išgręžtos skylės.

Juose gali būti:

lenkti praėjimai,

kelios šakos,

serpantino kanalai,

plonos sienos,

vidiniai šonkauliai,

susidūrimo konstrukcijos,

ir tiksliai išdėstytos aušinimo angos.

Kai kurios ištraukos yra tokios mažos ir geometriškai sudėtingos, kad įprastu gręžimu ar frezavimu jų tiesiog neįmanoma pasiekti.

Netgi pažangūs apdirbimo būdai turi esminių apribojimų, kai įrankis fiziškai negali pasiekti reikiamos geometrijos.

Investicijų liejimas suteikia sprendimą.

Užuot bandę pašalinti medžiagą, kad sukurtų vidinius praėjimus, gamintojainuo pat pradžių pastatykite praėjimus į liejimą.

Ir svarbiausia tai padaryti yra keraminė šerdis.

Pagalvokite apie keraminę šerdį kaip apie laikiną trimatį{0}}formą turbinos mentės viduje.

Metalas ilgainiui tampa ašmenimis.

Keramika laikinai užima erdvę, kuri taps aušinimo kanalais.

Kai metalas sukietėja, keramika pašalinama.

Tai, kas liko, yra vidinis aušinimo tinklas.

Keraminės šerdies gyvavimo ciklas

Keramikinė šerdis iš esmės yra vienkartinis komponentas, atliekantis ypač daug pastangų.

1. Šerdies kūrimas

Gamyba prasideda nuo kruopščiai kontroliuojamos keramikos sudėties.

Priklausomai nuo panaudojimo ir gamybos būdo, keraminiai milteliai gali būti formuojami naudojant tokius procesus kaip liejimas įpurškimu, liejimas geliu arba keraminių priedų gamyba.

Gautas žalias korpusas atkuria sudėtingą peilio vidinės aušinimo sistemos geometriją.

Tada jis išdžiovinamas, prireikus nusausinamas ir sukepinamas aukštesnėje temperatūroje.

Galutinė keraminė šerdis turi turėti pakankamai tvirtumo ir matmenų stabilumo, kad išgyventų viską, kas bus toliau.

Ir matmenų tikslumas yra labai svarbus.

Maža klaida šerdyje tampa maža klaida aušinimo kanale.

Labai optimizuotose turbinos mentėse, kurios gali turėti įtakos aušinimo našumui, vietinei metalo temperatūrai ir galiausiai mentės tarnavimo laikui.

2. Vaško rašto kūrimas

Užbaigta keraminė šerdis dedama štampavimo viduje.

Tada vaškas įšvirkščiamas aplink šerdį.

Kai vaškas sukietėja, gaunamas vaško raštas, atspindintis išorinę turbinos mentės geometriją, o jos viduje yra įterpta keraminė šerdis.

Šiuo metu būsimi aušinimo kanalai jau yra -, tačiau juose vis dar yra keramikos.

3. Investicinio-liejimo apvalkalo kūrimas

Vaško raštas pakartotinai panardinamas į keraminę srutą ir padengiamas ugniai atsparia medžiaga.

Sluoksnis po sluoksnio aplink vaško raštą pastatytas tvirtas keraminis apvalkalas.

Kai apvalkalas pasiekia reikiamą storį ir stiprumą, vaškas pašalinamas, paprastai naudojant garus arba kontroliuojamą kaitinimą.

Vaškas išteka.

Keramikinė šerdis lieka viduje.

Rezultatas – investicinė{0}}liejimo forma, kurioje yra dvi svarbios keraminės struktūros:

išorinis apvalkalas, apibrėžiantis mentės išorinę formą, ir vidinė keraminė šerdis, apibrėžianti jos aušinimo kanalus.

4. Superlydinio liejimas

Forma iš anksto pašildoma ir perkeliama į kontroliuojamą liejimo aplinką.

Nikelio{0}}superlydinys išlydomas ir pilamas į formą griežtai kontroliuojamomis sąlygomis, dažnai vakuume arba inertinėje atmosferoje.

Išlydytas metalas užpildo erdvę aplink keraminę šerdį.

Kai lydinys kietėja, jis įgauna ašmenų formą, išsaugant vidinės šerdies geometriją.

Pažangių turbinų menčių atveju pats kietėjimo procesas gali būti labai sudėtingas, įskaitant kryptinį kietėjimą ir, kai kuriais atvejais, vieno -kristalo augimą.

Proceso pabaigoje metalinis peilis yra.

Tačiau keraminė šerdis vis dar įstrigusi jos viduje.

5. Šerdies pašalinimas

Dabar ateina dalis, dėl kurios keramikos{0}}pagrindinė technologija tokia neįprasta.

Šerdis turi išgyventi atliejimo procesą - ir tada veiksmingai išnykti.

Priklausomai nuo pagrindinės sistemos ir lydinio panaudojimo, keramikai pašalinti naudojamas cheminis išplovimas.

Šarminiai tirpalai atakuoja keramiką ir palaipsniui ją suardo.

Likusios dalelės išplaunamos per tuos pačius siaurus kanalus, kuriuos sukūrė šerdis.

Tikslas paprastas:

Palikite metalą nepažeistą. Palikite aušinimo kanalus atvirus. Iš esmės nepalikite keramikos.

Šerdis baigė savo darbą.

Ir nebėra.

Medžiaga, sukurta aplink prieštaravimą

Dėl šios priežasties keramikos{0}}pagrindų kūrimas yra toks sudėtingas.

Medžiaga turi atitikti du reikalavimus, kurie, atrodo, prieštarauja vienas kitam.

Liejimo metu: turi būti itin stabilus.

Šerdis yra veikiama išlydyto superlydinio maždaug 1500 laipsnių temperatūroje.

Jis turi atsispirti:

trūkinėjimas,

deformacija,

erozija,

šliaužti,

ir matmenų pasikeitimas.

Jei šerdis pasislenka net nežymiai, gali pasikeisti aušinimo kanalų geometrija.

Pažangioms turbinos mentėms to gali pakakti, kad kitaip brangus liejinys paverstų laužu.

Po užmetimo: turi būti lengva nuimti.

Tuo pačiu metu keramika negali tiesiog elgtis kaip įprasta labai stabili struktūrinė keramika.

Jei po užmetimo jis liks chemiškai nepažeistas, jis gali visam laikui įstrigti ašmenų viduje.

Aušinimo kanalai būtų užblokuoti.

Ašmenys būtų netinkami naudoti.

Taigi ideali keraminė šerdis dviem skirtingais momentais turi veikti beveik kaip dvi skirtingos medžiagos:

Liejimo metu jis turi veikti kaip aukštos{0}}temperatūrinės konstrukcijos komponentas.

Po užliejimo jis turi elgtis kaip aukojama medžiaga, kurią galima švariai išimti.

Šis prieštaravimas yra keramikos{0}}pagrindinių medžiagų inžinerijos esmė.

Silicis prieš aliuminio oksidą

Dvi svarbios keraminių{0}}pagrindinių medžiagų grupės yra silicio- ir aliuminio oksido{2}} pagrindu pagamintos sistemos.

Silicio dioksido{0}}pagrindo šerdys

Lydytas silicio dioksidas turi keletą patrauklių savybių.

Jis gali pasiūlyti gana gerą išplovimą, palyginti žemą apdorojimo temperatūrą ir palankią gamybos ekonomiją.

Tačiau aukštoje{0}}temperatūroje matmenų stabilumas ir šliaužimas gali tapti apribojimais, ypač didėjant liejimo temperatūrai ir didėjant apdorojimo reikalavimams.

Aliuminio{0}}gysliai

Aliuminio oksidas užtikrina puikų stabilumą aukštoje{0}}temperatūroje ir atsparumą šliaužimui.

Dėl to aliuminio oksido{0}}gysliai yra patrauklūs sudėtingoms reikmėms, įskaitant pažangias-kristalinių turbinų mentes.

Kompromisas- yra tai, kad labai stabilų aliuminio oksidą taip pat gali būti sunkiau pašalinti po liejimo.

Todėl inžinerinis iššūkis tampa balansavimo iššūkiustiprumas, matmenų stabilumas, poringumas, fazinė sudėtis ir išplovimas.

Geriausia šerdis nebūtinai yra stipriausia keramika.

Tai keramika, turinti tinkamą savybių derinį visam gamybos ciklui.

Kur slypi tikroji gamybos kliūtis

Kai žmonės galvoja apie pažangių orlaivių variklių technologijas, jie linkę sutelkti dėmesį į akivaizdžius iššūkius:

variklio architektūra, turbinos menčių lydinys, vieno{0}}kristalo technologija, aušinimo konstrukcija arba aukštos{1}}temperatūrinės dangos.

Tačiau pažangios keraminės šerdys yra dar viena svarbi grandis gamybos grandinėje.

Ir iššūkis nėra vien keraminės dalies gamyba.

Jis aplink jį kuria visą sistemą.

Miltelių kokybė

Didelio{0}}našumo šerdims reikia kruopščiai kontroliuojamų keraminių miltelių.

Grynumas, dalelių{0}}dydžių pasiskirstymas, dalelių morfologija, paviršiaus chemija ir kitos savybės gali turėti įtakos galutiniam branduoliui.

Nedideli pradinių miltelių pokyčiai gali turėti įtakos formavimui, džiūvimui, sukepimui, poringumui, stiprumui ir matmenų stabilumui.

Proceso valdymas

Gamybos langas gali būti nepaprastai siauras.

Pasikeitus formavimo sąlygoms, rišiklio kiekiui, atsirišimui, sukepinimo temperatūrai ar laikymo trukmei, gali pasikeisti šerdies mikrostruktūra ir savybės.

Tai viena iš priežasčių, kodėl keramikos{0}}pagrindinė gamyba labai priklauso nuo sukauptų žinių apie procesą.

Receptas ant popieriaus nebūtinai yra tas pats, kas stabilus gamybos procesas.

Kvalifikacija

Orlaivių ir kosmoso komponentai veikia pagal itin griežtus patikimumo reikalavimus.

Naujos medžiagos ar gamybos proceso negalima paprasčiausiai įdiegti, nes laboratoriniai tyrimai atrodo daug žadantys.

Jis turi atlikti išsamius bandymus, proceso patvirtinimą, pakartojamumo tyrimus ir kvalifikaciją.

Dėl to į aviacijos ir kosmoso tiekimo grandines sunku patekti ir jas pakeisti.

Todėl keraminių šerdžių gamybos pajėgumai reiškia daug daugiau nei tinkamos įrangos.

Tai reiškia turėtimedžiagos, procesų kontrolė, kokybės sistemos, inžinerinė kompetencija ir kvalifikacijos istorijakad pakartotinai gautumėte tą patį rezultatą.

Kita siena: keraminis 3D spausdinimas

Tradicinė keramikos šerdies{0}}gamyba labai priklauso nuo įrankių.

Tai tampa problema, kai dizaineriai nori eksperimentuoti su vis sudėtingesnėmis aušinimo architektūromis.

Keraminių priedų gamyba siūlo kitokį požiūrį.

Naudojant fotopolimerizaciją{0}}pagrįstą keraminį 3D spausdinimą, sudėtingos šerdies geometrijos gali būti pagamintos tiesiogiai iš skaitmeninių modelių, o tai gali panaikinti kai kuriuos įrankio suvaržymus, susijusius su įprastiniu liejimu.

Tai gali palengvinti kūrimą:

sudėtingesni aušinimo kanalai,

plonesnės struktūros,

netradicinės vidinės geometrijos,

ir greitai kartojamos aušinimo konstrukcijos.

Tačiau priedų gamyba nėra stebuklingas sprendimas.

Technologija vis dar susiduria su iššūkiais, susijusiais su ekologišku{0}}kėbulo vienodumu, matmenų tikslumu, sukepinimo susitraukimu, defektų kontrole, pralaidumu ir kaina.

Laboratorinė demonstracija yra vienas dalykas.

Kitas dalykas yra sukurti tūkstančius aviacijos{0}}klasės branduolių su nuosekliomis savybėmis.

Tas perėjimas nuo"galima atspausdinti"į"Jis gali būti patikimai pagamintas pramoniniu mastu"čia liko daug inžinerinių darbų.

Komponentas, kuris išnyksta

Įdomiausias dalykas keraminėje šerdyje gali būti tai, kas su ja atsitiks pabaigoje.

Jis netampa gatavo variklio dalimi.

Specifikacijose to nepamatyta, ką keleiviai kada nors pamatys.

Jis tiesiogiai neprisideda prie variklio traukos.

Po liejimo proceso jis pašalinamas ir išmetamas.

Tačiau be jo sudėtinga vidinė pažangios turbinos mentės aušinimo architektūra gali ir niekada neegzistuoti.

Žvelgdami į šiuolaikinį orlaivio variklį, mes linkę sutelkti dėmesį į įspūdingus dalykus - didžiulę trauką, pažangius lydinius, pavienius-kristalinius mentes, sudėtingas aušinimo sistemas ir ekstremalias darbines temperatūras.

Tačiau pažangi gamyba dažnai remiasi daug mažesniais dalykais.

Medžiagos, kurios išnyksta.

Laikinos konstrukcijos.

Specializuoti milteliai.

Smulkūs komponentai, kurių galutiniame gaminyje gali niekada ir nebūti.

Keramikinė šerdis yra vienas iš jų.

Jis sukurtas taip, kad išgyventų tą akimirką, kai jo prireiks -, ir išnyktų tą akimirką, kai jos darbas bus atliktas.

Tai gali būti tinkamiausias nematomos gamybos technologijos aprašymas:

komponentas, kuris niekada neskraido, bet padeda skraidyti.