U srcu modernih mlaznih motora postoji fundamentalni problem:

Lopatice turbine su izložene temperaturama višim od tačke topljenja materijala od kojeg su napravljene.

Superlegure na bazi nikla-su među najotpornijim konstrukcijskim materijalima-koji su danas dostupni. Ipak, čak se i ove legure tope na otprilike 1300 stepeni ili nešto više.

Međutim, gas koji izlazi iz komore za sagorevanje modernog motora može da pređe 1.500 stepeni.

Pa zašto se lopatica turbine jednostavno ne otopi?

Odgovor je iznenađujuće jednostavan:

Šuplje je.

Unutar moderne turbinske lopatice nalazi se visoko konstruirana mreža unutrašnjih rashladnih prolaza. Zrak za hlađenje ulazi kroz korijen lopatice, putuje kroz ove prolaze, apsorbira toplinu iz metala i na kraju izlazi kroz stotine sićušnih rupa na površini oštrice.

Vazduh koji izlazi stvara tanak zaštitni sloj između oštrice i okolnog vrućeg plina.

U stvari, sečivo se konstantno hladi dok radi u okruženju koje je dovoljno toplo da se rastopi.

Ali to stvara još jedan problem.

Kako se proizvodi metalna komponenta koja sadrži prolaze za hlađenje koji su zakrivljeni, razgranati, izuzetno tanki i gotovo nemogući za konvencionalni alat za rezanje?

Ne obrađujete ih mašinom.

Bacite ih oko komada keramike.

Ta keramička komponenta se zove akeramičko jezgro.

Možda se nikada neće pojaviti u gotovom motoru. Može se potpuno otopiti i ukloniti prije nego što sečivo počne koristiti.

Ipak, bez toga, mnoge od najnaprednijih šupljih turbinskih lopatica bilo bi izuzetno teško -, a u nekim slučajevima i nemoguće - za proizvodnju.

Zašto se lopatice turbine moraju hladiti

Temperatura na prednjoj strani turbine jedan je od ključnih faktora koji regulišu performanse i termičku efikasnost gas{0}}motora.

Općenito, povećanje ulazne temperature turbine omogućava motoru da izvuče više korisne energije iz procesa sagorijevanja.

Ali postoji ograničenje tvrdih materijala.

Jednostavno razvijanje legure sa još višom tačkom topljenja nije dovoljno. Moderni turbinski materijali već rade blizu granica onoga što njihove mikrostrukture mogu tolerirati.

Rješenje nije u tome da metal preživi punu temperaturu plina.

Rješenje je daodržavajte sam metal znatno hladnijim od okolnog plina.

Tu dolazi do hlađenja turbine.

Rashladni zrak se ispušta iz kompresora i usmjerava kroz prolaze unutar lopatice turbine.

Dok teče kroz unutrašnje kanale, uklanja toplotu sa oštrice.

Vazduh se zatim ispušta kroz precizno postavljene rupe na površini oštrice.

Ovo je poznato kaofilmsko hlađenje.

Rashladni zrak se širi po površini i stvara tanak sloj između metala i vrućih plinova izgaranja.

Rezultat je izvanredan inženjerski trik:

Okolni gas može biti topliji od tačke topljenja legure, dok stvarna temperatura metala ostaje ispod kritične temperaturne granice.

Ali dizajn takvog rashladnog sistema samo je pola problema.

Druga polovina ga proizvodi.

Problem proizvodnje: kako učiniti nemogućim-da-mašine?

Prolazi za hlađenje unutar napredne lopatice turbine nisu jednostavne rupe izbušene.

Mogu sadržavati:

zakrivljeni prolazi,

više grana,

serpentinasti kanali,

tanki zidovi,

unutrašnja rebra,

udarne strukture,

i precizno pozicionirani izlazi za hlađenje.

Neki prolazi su toliko mali i geometrijski složeni da konvencionalno bušenje ili glodanje jednostavno ne mogu doći do njih.

Čak i napredne tehnike obrade imaju temeljna ograničenja kada alat fizički ne može pristupiti traženoj geometriji.

Investiciono livenje pruža rešenje.

Umjesto da pokušavaju ukloniti materijal kako bi stvorili unutrašnje prolaze, proizvođačiugradite prolaze u odljevak od početka.

A ključ za to je keramičko jezgro.

Zamislite keramičku jezgru kao privremeni trodimenzionalni kalup za unutrašnjost turbine.

Metal na kraju postaje oštrica.

Keramika privremeno zauzima prostor koji će postati rashladni prolazi.

Kada se metal očvrsne, keramika se uklanja.

Ono što je ostalo je unutrašnja rashladna mreža.

Životni ciklus keramičkog jezgra

Keramičko jezgro je u suštini komponenta za jednokratnu upotrebu s izuzetno zahtjevnim poslom.

1. Izrada jezgra

Proizvodnja počinje pažljivo kontroliranom keramičkom formulacijom.

Ovisno o primjeni i načinu proizvodnje, keramički prahovi se mogu oblikovati postupcima kao što su brizganje, livenje u gelu ili proizvodnja keramičkih aditiva.

Rezultirajuće zeleno tijelo reproducira složenu geometriju unutrašnjeg sistema hlađenja oštrice.

Zatim se suši, odvaja gdje je potrebno i sinterira na povišenoj temperaturi.

Konačna keramička jezgra mora imati dovoljno čvrstoće i dimenzionalne stabilnosti da preživi sve što slijedi.

A tačnost dimenzija je od ogromnog značaja.

Mala greška u jezgri postaje mala greška u prolazu za hlađenje.

U visoko optimiziranoj lopatici turbine, koja može utjecati na performanse hlađenja, lokalnu temperaturu metala i na kraju vijek trajanja lopatice.

2. Izgradnja uzorka od voska

Gotova keramička jezgra je pozicionirana unutar kalupa.

Vosak se zatim ubrizgava oko jezgra.

Kada se vosak stvrdne, rezultat je voštani uzorak koji predstavlja vanjsku geometriju lopatice turbine, s keramičkim jezgrom ugrađenim unutar nje.

U ovom trenutku, budući prolazi za hlađenje već postoje - ali su još uvijek zauzeti keramikom.

3. Izgradnja investicionog{1}}ljuske za livenje

Uzorak voska se više puta uranja u keramičku smjesu i oblaže vatrostalnim materijalom.

Sloj po sloj, jaka keramička školjka se gradi oko uzorka od voska.

Kada ljuska dostigne potrebnu debljinu i čvrstoću, vosak se uklanja, obično pomoću pare ili kontroliranog grijanja.

Vosak izlazi.

Keramičko jezgro ostaje unutra.

Rezultat je investicioni{0}}kalup za livenje koji sadrži dvije kritične keramičke strukture:

vanjska školjka koja definira vanjski oblik oštrice i unutrašnja keramička jezgra koja definira njene prolaze za hlađenje.

4. Lijevanje superlegure

Kalup se prethodno zagreva i prenosi u kontrolisano okruženje za livenje.

Superlegura na bazi nikla- se topi i sipa u kalup pod strogo kontrolisanim uslovima, često u vakuumu ili inertnoj atmosferi.

Rastopljeni metal ispunjava prostor oko keramičke jezgre.

Kako se legura stvrdnjava, ona poprima oblik oštrice uz očuvanje geometrije unutrašnjeg jezgra.

Za napredne turbinske lopatice, sam proces skrućivanja može biti veoma sofisticiran, uključujući usmjereno skrućivanje i, za neke primjene, rast pojedinačnih{0}}kristala.

Na kraju procesa postoji metalna oštrica.

Ali keramičko jezgro je još uvijek zarobljeno unutar njega.

5. Uklanjanje jezgra

Sada dolazi dio koji tehnologiju keramičke{0}}jezgre čini tako neobičnom.

Jezgro mora preživjeti proces kastinga - i onda efektivno nestati.

U zavisnosti od sistema jezgra i primene legure, za uklanjanje keramike koristi se hemijsko ispiranje.

Alkalne otopine napadaju keramiku i postepeno je razgrađuju.

Preostale čestice se izbacuju kroz iste uske prolaze koje je stvorilo jezgro.

Cilj je jednostavan:

Ostavite metal netaknut. Ostavite prolaze za hlađenje otvorene. U suštini ne ostavljajte keramiku iza sebe.

Jezgro je završilo svoj posao.

I nestalo je.

Materijal dizajniran oko kontradikcije

To je ono što čini razvoj keramičke{0}}jezgre toliko teškim.

Materijal mora zadovoljiti dva zahtjeva za koje se čini da rade jedan protiv drugog.

Tokom livenja: mora biti izuzetno stabilan.

Jezgro je izloženo rastopljenoj superleguri na temperaturama od oko 1500 stepeni.

Mora se oduprijeti:

pucanje,

deformacija,

erozija,

puzati,

i dimenzionalne promjene.

Ako se jezgro pomjeri čak i za malu količinu, geometrija rashladnih prolaza može se promijeniti.

Za naprednu turbinsku lopaticu to može biti dovoljno da se inače skupi odljevak pretvori u otpad.

Nakon livenja: mora se lako ukloniti.

U isto vrijeme, keramika se ne može jednostavno ponašati kao obična visoko stabilna strukturna keramika.

Ako je ostao hemijski netaknut nakon bacanja, mogao bi ostati trajno zarobljen unutar oštrice.

Prolazi za hlađenje bi bili blokirani.

Oštrica bi bila neupotrebljiva.

Dakle, idealno keramičko jezgro mora se ponašati gotovo kao dva različita materijala u dva različita trenutka:

Tokom livenja, mora se ponašati kao visoko{0}}konstrukcijska komponenta.

Nakon livenja, mora se ponašati kao žrtveni materijal koji se može čisto ukloniti.

Ta kontradikcija je u srcu inženjerstva keramičkih{0}}materijala.

Silicijum protiv glinice

Dvije važne familije keramičkih{0}}materijala za jezgro su sistemi na bazi silicijum-dioksida-i sistemi na bazi glinice-.

Jezgra na bazi silicijum-dioksida{0}}a

Taljeni silicijum ima nekoliko atraktivnih karakteristika.

Može ponuditi relativno dobru sposobnost curenja, relativno niske temperature obrade i povoljnu ekonomičnost proizvodnje.

Ali visoka{0}}dimenziona stabilnost i ponašanje puzanja mogu postati ograničenja, posebno kako se povećavaju temperature livenja i zahtjevi obrade.

Jezgra na bazi glinice{0}}

Aluminijeva oksida pruža odličnu-stabilnost na visokim temperaturama i otpornost na puzanje.

To čini jezgre bazirane na glinici{0}} atraktivnim za zahtjevne primjene, uključujući napredne lopatice turbine od jednog kristala{1}}.

Kompromis-je taj što visoko stabilnu glinicu također može biti teže ukloniti nakon livenja.

Inženjerski izazov stoga postaje balansiranječvrstoća, stabilnost dimenzija, poroznost, fazni sastav i mogućnost curenja.

Najbolja jezgra nije nužno najjača keramika.

To je keramika s pravom kombinacijom svojstava za cijeli proizvodni ciklus.

Gdje leži pravo usko grlo u proizvodnji

Kada ljudi razmišljaju o tehnologiji koja stoji iza naprednih motora aviona, obično se fokusiraju na očigledne izazove:

arhitektura motora, legura lopatica turbine, tehnologija jednog-kristala, dizajn hlađenja ili-premazi za visoke temperature.

Ali napredna keramička jezgra su još jedna kritična karika u proizvodnom lancu.

A izazov nije jednostavno napraviti keramički dio.

Gradi čitav sistem oko toga.

Kvalitet praha

Jezgra visokih{0}}performansi zahtijevaju pažljivo kontrolirane keramičke prahove.

Čistoća,{0}}distribucija veličine čestica, morfologija čestica, površinska kemija i druge karakteristike mogu utjecati na konačno jezgro.

Male promjene u početnom prahu mogu uticati na oblikovanje, sušenje, sinterovanje, poroznost, čvrstoću i stabilnost dimenzija.

Kontrola procesa

Proizvodni prozor može biti izuzetno uzak.

Promjene u uslovima formiranja, sadržaju veziva, odvajanju, temperaturi sinterovanja ili vremenu zadržavanja mogu promijeniti mikrostrukturu i svojstva jezgra.

Ovo je jedan od razloga zašto se proizvodnja keramičke{0}}jezgre u velikoj mjeri oslanja na akumulirano znanje o procesu.

Recept na papiru nije nužno isto što i stabilan proizvodni proces.

Kvalifikacije

Vazdušne komponente rade pod izuzetno zahtjevnim zahtjevima pouzdanosti.

Novi materijal ili proizvodni proces ne može se jednostavno uvesti jer laboratorijski testovi izgledaju obećavajuće.

Mora proći kroz opsežna testiranja, validaciju procesa, studije ponovljivosti i kvalifikacije.

Zbog toga je teško ući u lance nabavke u zrakoplovstvu i teško ih je zamijeniti.

Za keramička jezgra, proizvodna sposobnost znači mnogo više od posjedovanja prave opreme.

To znači imatimaterijale, kontrolu procesa, sisteme kvaliteta, inženjersku ekspertizu i istoriju kvalifikacijada se dobije isti rezultat više puta.

Sljedeća granica: keramička 3D štampa

Tradicionalna proizvodnja keramičke{0}}jezgre se u velikoj mjeri oslanja na alate.

To postaje problem kada dizajneri žele eksperimentirati sa sve složenijom arhitekturom hlađenja.

Proizvodnja keramičkih aditiva nudi drugačiji pristup.

Uz fotopolimerizaciju{0}}baziranu keramičku 3D štampu, složene geometrije jezgra mogu se proizvesti direktno iz digitalnih modela, potencijalno eliminirajući neka ograničenja alata povezana s konvencionalnim oblikovanjem.

To bi moglo olakšati razvoj:

složeniji rashladni prolazi,

tanje strukture,

nekonvencionalne unutrašnje geometrije,

i brzo ponovljeni dizajni hlađenja.

Ali aditivna proizvodnja nije čarobno rješenje.

Tehnologija se i dalje suočava sa izazovima koji uključuju uniformnost zelenog{0}}tijela, tačnost dimenzija, skupljanje pri sinteriranju, kontrolu defekata, protok i cijenu.

Laboratorijska demonstracija je jedna stvar.

Proizvodnja na hiljade jezgara{0}}kosmičke klase sa dosljednim svojstvima je još jedna stvar.

Taj prelaz sa"može se odštampati"to"može se pouzdano proizvoditi u industrijskoj mjeri"tu ostaje veliki dio inženjerskog rada.

Komponenta koja nestaje

Najzanimljivija stvar u vezi s keramičkom jezgrom može biti ono što se s njim dogodi na kraju.

Ne postaje dio gotovog motora.

Ne pojavljuje se u specifikacijama koje će putnici ikada vidjeti.

Ne doprinosi direktno potisku motora.

Nakon procesa livenja, uklanja se i odbacuje.

Pa ipak, bez toga, složena arhitektura unutrašnjeg hlađenja napredne turbinske lopatice možda nikada neće postojati.

Kada gledamo moderne avionske motore, težimo da se fokusiramo na spektakularne stvari - ogroman potisak, napredne legure, jednokristalne oštrice-, sofisticirane sisteme hlađenja i ekstremne radne temperature.

Ali napredna proizvodnja se često gradi na mnogo manjim stvarima.

Materijali koji nestaju.

Privremene strukture.

Specijalizovani puderi.

Sitne komponente koje možda nikada neće biti vidljive u konačnom proizvodu.

Keramičko jezgro je jedno od njih.

Dizajniran je da preživi trenutak kada je potreban - i da nestane onog trenutka kada se njegov posao završi.

To bi mogao biti najprikladniji opis nevidljive proizvodne tehnologije:

komponenta koja nikada ne leti, ali pomaže da se let omogući.