Süper Alaşımlar Havacılık ve Enerji Sektörlerinde İnovasyonu Nasıl Sürüklüyor?

Modern motorların taşıdığı alaşım bileşimleri, çoğu insanın düşündüğünden daha eskidir. Bir türbin bölümündeki nikel süper alaşımları onlarca yıldır geliştirilmiştir ve bugün çizimlerde yer alan isimler, sektörde şimdi hakim olan üretim yöntemlerinden önce büyük ölçüde belirlenmiştir. Değişen şey, bu alaşımların parçalara nasıl dönüştürüldüğü ve son zamanlardaki iyileştirmelerin çoğu bu değişimden kaynaklanmaktadır.

Üç şekillendirme rotası bu değişime neden olmaktadır. Yönlendirilmiş katılaşma ve tek kristal döküm, tane sınırları olmayan bir kanatın yapılmasına olanak tanır, bu sınırlar sürünmeyi sınırlar. Toz metalurjisi, dökümün ulaşamayacağı ince ve homojen bir yapıya sahip bir disk yapılmasına olanak tanır. Katmanlı imalat, hem mümkün olan geometrileri hem de israf edilen metal miktarını değiştiren bir şekli katman katman oluşturmaya olanak tanır.

Her rota bir sorunu çözer ve her biri daha önce var olmayan bir kusur getirir. Bu sektördeki yeniliğin dürüst tanımı budur ve süper alaşımlı bir parça için satın alma şartnamesinin artık bir bileşimin yanı sıra bir süreci de tanımlamasının nedeni budur.

Tablo, rotaları neye izin verdiklerine ve ne kadara mal olduklarına göre yerleştirir. Her sütundaki alaşım benzer olabilir ve ortaya çıkan parça değildir.

Tek kristal rotası, adını değiştirmeden malzemeyi değiştiren bir işlemin en net örneğidir. Tek kristal olarak dökülen bir kanat, merkezkaç yükünü taşıyan kesitte tane sınırı içermez, bu nedenle eş eksenli bir dökümü sınırlayan sürünme mekanizması azaltılmaz, ortadan kaldırılır. CMSX-4 gibi ikinci nesil tek kristal alaşımlar 1990'larda gaz türbini kanat hizmetine girdi ve Rene N5 gibi üçüncü nesil alaşımlar en sıcak konumlar için takip etti, aralarındaki seçim sıcaklık kapasitesi ve kaplama uyumluluğu ile belirlenir, bulunabilirlik ile değil.

Bileşime göre bir süper alaşımı yeterli hale getirmiş bir alıcı, metali yeterli hale getirmiş, parçayı değil. Her şekillendirme rotasının, bileşimin tanımlamadığı karakteristik bir kusuru vardır ve her kusurun kendi muayenesi gerekir.

Toz metalurjisi satırı, disklerle yeni tanışan alıcıları şaşırtan satırdır. Nikel toz diskleri için teknik literatürde üç kusur tekrar tekrar adlandırılır: önceki parçacık sınırı çökelmesi, termal olarak indüklenmiş gözeneklilik ve metalik olmayan kapanımlar. Birincisi, orijinal toz parçacıklarının yüzeylerini takip eden bir çökelti ağıdır ve toz yüzeyi oksijen veya karbon taşıdığında oluşur, bu da konsolidasyon sırasında reaksiyona girer. İkincisi, yüksek sıcaklık gezisi sırasında tozda sıkışan gazın genişlemesiyle ortaya çıkan bir gözenekliliktir. Üçüncüsü, tozla birlikte gelen ve hiçbir ısıl işlemle giderilemeyen katı bir kapanımdır.

Bu üç kusurun hiçbiri bir bileşim sertifikası ile tespit edilemez. Ultrasonik muayene, kesit alma ve toz lotunu kontrol ederek bulunurlar, bu nedenle bir disk şartnamesi alaşımın yanı sıra toz kaynağını ve konsolidasyon rotasını da adlandırır.

Bir süper alaşımlı parça, satın alınan metalin çoğunun uçağa gitmemesi nedeniyle kısmen pahalıdır. Ölçü, satın alınan malzeme ağırlığının bitmiş bileşen ağırlığına oranı olan satın alma-uçuş oranıdır ve rotalara göre büyüklük mertebesiyle farklılık gösterir.

Oran, katmanlı imalatın neden geometrik olarak karmaşık parçalar için havacılığa girdiğini, basitçe büyük parçalar için değil, açıklar. İç kanallı bir yakıt nozulu, birkaç parçayı birleştirmeden bir dövmeden işlenemez ve yoğun bir soğutma özelliği dizisine sahip bir astar başka şekilde üretilmesi zordur. Geometrinin basit olduğu yerlerde, dövme daha ucuz kalır ve oran argümanı ortadan kalkar.

Oran ayrıca bir sınırlamayı da açıklar. Malzeme eklenerek inşa edilen bir parçanın, dövmeden farklı bir termal geçmişi vardır ve yapıdaki özellikler buna göre farklılık gösterir. Malzeme tasarrufu gerçektir ve anizotropi gerçektir ve çizim, özelliklerin hangi yönde önemli olduğunu belirtmelidir.

Malzeme satın alımından süreç satın alımına geçiş, yukarıdakilerin tümünün pratik sonucudur. Eskiden bir alaşım ve bir form belirleyen bir alıcı, şimdi bir alaşım, bir şekillendirme rotası, bir kusur kabul seviyesi ve bir yeterlilik kaydı belirler.

Bu nedenle, aynı alaşım için iki teklifin, metal fiyatının açıklamadığı bir faktörle farklı olmasının nedeni budur. Bir tedarikçi, yeterli hale getirdiği bir rotayı teklif ediyor ve diğeri ise alıcı siparişinde yeterli hale getirmeyi amaçladığı bir rotayı teklif ediyor.

Kara tabanlı gaz türbinleri aynı üç şekillendirme rotasını kullanır ve farklı kabul mantığı uygular. Büyük bir çerçeve makinesi için bir kanat, tek kristal veya yönlendirilmiş katılaşmış bir dökümdür ve ateşleme sıcaklığındaki sürünme ömrü belirleyici özelliktir. Bir disk, toz metalurjisi parçasıdır ve muayene, döküm kusurlarına değil, üç toz kusuruna yöneliktir. Bir yanma odası veya geçiş parçası giderek artan bir şekilde katmanlı bir parçadır ve kabul, ince bir duvarın termal yorgunluğu etrafında ve çekme testi etrafında inşa edilir.

Ortak nokta, sıcak bölümdeki sıcaklığın, yeni bir ana metal bulmakla değil, süreç ve soğutma geometrisini birlikte iyileştirerek yükselmesidir. Film soğutmalı ve termal bariyer kaplamalı tek kristal bir kanat bir sistemdir ve alaşım onun bir unsurudur. Alaşımı tek başına kredilendiren bir sayfa, türbinin çalışma nedeninin üçte birini açıklamıştır.

Ürün formu hala rotayı takip eder ve belge hala formu takip eder. Çubuk, kütük ve dövme stoğu, işlenmiş veya dövülmüş bir parçanın girdisidir. Toz, konsolide edilmiş bir diskin girdisidir. Tel ve şerit, kaynaklı veya şekillendirilmiş bir tertibatın girdisidir. Levha, bir yanma odası veya bir muhafazanın girdisidir.

DLX, Changzhou, Jiangsu'da nikel ve kobalt bazlı süper alaşımları 0.025 mm'den tel, 50 mm'ye kadar yuvarlak çubuk, 0.50 mm ila 2.5 mm kalınlığında şerit ve standart değirmen boyutlarında tüp ve levha olarak tedarik etmektedir. Yelpaze, havacılık ve enerji donanımında kullanılan katı çözelti ve çökelme sertleşmesi sınıflarını, kaynak için eşleşen dolgu metalleriyle birlikte kapsar.

Malzeme, siparişte belirtilen şartnameye göre, talep üzerine bir EN 10204 3.1 sertifikası ve test sonuçlarına izlenebilir ısı numarası ile tedarik edilir. Bir parçayı yeni bir şekillendirme rotasına taşıyan bir alıcı, genellikle önce girdi formuna ve sertifikasına ihtiyaç duyar, çünkü rota yeterliliği malzemeden başlar, bitmiş parçadan değil.

Bileşimler onlarca yıldır geliştirilmiştir ve yaygın olarak kullanılan sınıflar olgunlaşmıştır. Son kazançların çoğu şekillendirme rotasından, soğutma geometrisinden ve kaplamalardan gelmiştir ve bu üçü bir sistem olarak çalışır. Film soğutmalı ve termal bariyer kaplamalı tek kristal bir kanat, tek başına alaşımın dayanamayacağı bir sıcaklıkta performans gösterir.

Çünkü tane sınırları yük yolundan kaldırılır. Geleneksel olarak dökülmüş bir kanatta, sınırlar merkezkaç yükünü taşıyan kesitten geçer ve sıcaklıkta zayıf yoldur. Yönlendirilmiş katılaşma, sınırları yük boyunca hizalar ve tek kristal döküm onları tamamen kaldırır, bu nedenle dökümü sınırlayan sürünme mekanizması azaltılmaz, ortadan kaldırılır.

Önceki parçacık sınırı çökelmesi, termal olarak indüklenmiş gözeneklilik ve metalik olmayan kapanımlar. Birincisi, orijinal toz yüzeylerini takip eden bir çökelti ağıdır, ikincisi sıcaklıkta genişleyen tozda sıkışan gazdan kaynaklanan gözenekliliktir ve üçüncüsü tozla birlikte gelen katı bir kapanımdır. Hiçbiri bir bileşim sertifikasında görünmez ve ultrasonik muayene, kesit alma ve toz lotu kontrolü ile bulunurlar.

Satın alınan malzeme ağırlığının bitmiş parça ağırlığına oranıdır. Dövme ve işleme genellikle yaklaşık 3:1 ila 10:1 arasında, katmanlı imalat ise yaklaşık 1:1 ila 3:1 arasındadır, bu nedenle katmanlı rota karmaşık bir parça için çekicidir, basit bir parça için değil. Oran bir malzeme maliyeti ölçüsüdür ve parçanın yorulma ömrü hakkında hiçbir şey söylemez.

Hayır, yeterli hale getirilmesi gereken şeyi değiştirir. Yapılmış bir parçanın bir termal geçmişi ve yöne bağlı bir yapısı vardır, bu nedenle çizim özelliklerin hangi yönde önemli olduğunu belirtmelidir ve işlem penceresi sabit olmalıdır. Malzeme tasarrufu gerçektir ve yeterlilik yükü aynı alaşımdan yapılmış bir dövmeden daha büyüktür.

Çünkü biri yeterli hale getirilmiş bir süreci, diğeri ise bir malzemeyi teklif ediyor. Alaşım fiyatı farkın küçük bir parçasıdır. Geri kalanı rota, muayene, süreç kayıtları ve verimdir ve yeterli hale getirilmemiş bir rotanın, siparişten sonra ortaya çıkan bir maliyeti vardır.

Havacılık ve enerji süper alaşımlarındaki yenilik, bileşimden şekillendirme rotasına kaymıştır. Yönlendirilmiş katılaşma ve tek kristal döküm, sürünmeyi sınırlayan tane sınırlarını kaldırır. Toz metalurjisi, dökümün ulaşamayacağı bir disk yapısı üretir, bunun bedeli tozdan gelen üç kusurdur. Katmanlı imalat, mümkün olan geometrileri ve parçaya ulaşan satın alınan metal oranını değiştirir.

Her rota bir kusur ve bir yeterlilik yükü getirir ve satın alma şartnamesi her ikisini de adlandırmalıdır. Alaşımı ve formu belirten bir alıcı, girdiyi belirtmiştir. Rota, kusur kabulü ve kanıtı da belirten bir alıcı, parçayı belirtmiştir.

1. Toz metalurjisi nikel bazlı disk süper alaşımlarının yayınlanmış incelemeleri, önceki parçacık sınırı çökelmesi, termal olarak indüklenmiş gözeneklilik ve metalik olmayan kapanımları rotanın üç karakteristik kusuru olarak tanımlar.
2. Nikel bazlı süper alaşımlarda toz önceki sınır oluşumu üzerine yayınlanmış çalışmalar, konsolidasyondan sonra orijinal parçacık yüzeylerini takip eden çökelti ağını tanımlar.
3. Türbin kanatları için yönlendirilmiş katılaşma üzerine yayınlanmış çalışmalar, 1990'lardan beri gaz türbini kanatlarında kullanılan CMSX-4 ikinci nesil alaşımı, Rene N5 üçüncü nesil alaşımı ve katılaşma cephesi bozulduğunda oluşan benek kusurunu içerir.
4. Türbin kanatları için tek kristal döküm üzerine yayınlanmış değerlendirmeler, tane sınırlarının yük yolundan kaldırılmasını ve bunun sonucunda ortaya çıkan sürünme faydasını tanımlar.
5. Havacılıkta metal katmanlı imalat üzerine yayınlanmış inceleme, katmanlı rotalar için yaklaşık 1:1 ila 3:1 arasında satın alma-uçuş oranları bildirir.
6. Dövme ve işleme üzerine yayınlanmış endüstri değerlendirmeleri, yaklaşık 3:1 ila 10:1 arasında satın alma-uçuş oranları ve karşılaştırma olarak yaklaşık 1.5:1 oranında karbon fiber kompozit bildirir.
7. Nikel bazlı süper alaşımlı çubuk, kütük, levha, sac ve tel için AMS ve ASTM ürün şartnameleri, tablodaki girdi formlarını yöneten belgeler olarak.
8. EN 10204, denetim belgeleri, 3.1 sertifikasının gerçek test sonuçlarını içeren ve üreticinin bağımsız denetim temsilcisi tarafından onaylanmış bir belge olarak tanımı için.

Yukarıdaki rotalar ve kusur mekanizmaları, belirtilen işlemlerin genel davranışını tanımlar ve belirli bir tedarikçinin belirli bir parça için yeterli olduğunu belirten bir beyan değildir. Satın alma-uçuş oranları, bileşenin geometrisine ve işleme payı miktarına göre değişir, bu nedenle belirtilen aralıklar tipik değerlerdir, tasarım hedefleri değil. Yapılmış veya dökülmüş bir parçanın özellikleri, yerel termal geçmişe ve test numunesinin oryantasyonuna bağlıdır, bu nedenle bir test çubuğundan alınan bir değer, parçanın her konumunu tanımlamaz. Uçuş donanımı için yeterlilik gereksinimleri, hava çerçevesi veya motor üreticisi ve geçerli hava otoritesi tarafından belirlenir ve bu sayfadaki hiçbir şey yeterlilik oluşturmaz. Ürün şartnameleri revize edilir ve satın alma siparişinde belirtilen baskı geçerlidir. Bu sayfadaki hiçbir şey, bir mühendislik sürümü veya alıcı ve tedarikçi arasında anlaşılan yeterlilik testi yerine geçmez.