У срцу модерних млазних мотора постоји фундаментални проблем:

Лопатице турбине су изложене температурама вишим од тачке топљења материјала од којег су направљене.

Суперлегуре на бази никла-су међу најотпорнијим конструкцијским материјалима-који су данас доступни. Ипак, чак се и ове легуре топе на отприлике 1.300 степени или нешто више.

Међутим, гас који излази из коморе за сагоревање модерног мотора може да пређе 1.500 степени.

Па зашто се лопатица турбине једноставно не топи?

Одговор је изненађујуће једноставан:

Шупље је.

Унутар модерне лопатице турбине налази се високо пројектована мрежа унутрашњих расхладних пролаза. Ваздух за хлађење улази кроз корен сечива, путује кроз ове пролазе, апсорбује топлоту из метала и на крају излази кроз стотине малих рупа на површини сечива.

Ваздух који излази формира танак заштитни слој између сечива и околног врућег гаса.

У ствари, сечиво се стално хлади док ради у окружењу које је довољно топло да га растопи.

Али то ствара још један проблем.

Како се производи метална компонента која садржи пролазе за хлађење који су закривљени, разгранати, изузетно танки и готово немогући за конвенционални алат за сечење?

Не обрађујете их машином.

Баците их око комада керамике.

Та керамичка компонента се зове акерамичко језгро.

Можда се никада неће појавити у готовом мотору. Може се потпуно растворити и уклонити пре него што сечиво уђе у употребу.

Ипак, без тога, многе од најнапреднијих шупљих турбинских лопатица било би изузетно тешко -, а у неким случајевима и немогуће - за производњу.

Зашто се лопатице турбине морају хладити

Температура на предњем делу турбине је један од кључних фактора који регулишу перформансе и термичку ефикасност гас{0}}мотора са турбином.

Генерално, повећање улазне температуре турбине омогућава мотору да извуче више корисне енергије из процеса сагоревања.

Али постоји ограничење тврдих материјала.

Једноставно развијање легуре са још вишом тачком топљења није довољно. Модерни турбински материјали већ раде близу граница онога што њихове микроструктуре могу толерисати.

Решење није у томе да метал преживи пуну температуру гаса.

Решење је даодржавајте сам метал знатно хладнијим од околног гаса.

Ту долази до хлађења турбине.

Ваздух за хлађење се испушта из компресора и усмерава кроз пролазе унутар лопатице турбине.

Док тече кроз унутрашње канале, уклања топлоту са сечива.

Ваздух се затим испушта кроз прецизно постављене рупе на површини сечива.

Ово је познато каохлађење филма.

Расхладни ваздух се шири по површини и ствара танак слој између метала и врућих гасова сагоревања.

Резултат је изузетан инжењерски трик:

Околни гас може бити топлији од тачке топљења легуре, док стварна температура метала остаје испод своје критичне температурне границе.

Али дизајнирање таквог система за хлађење је само половина проблема.

Друга половина га производи.

Проблем производње: како учинити немогућим-да-машине?

Пролази за хлађење унутар напредне лопатице турбине нису једноставне избушене рупе.

Могу да садрже:

закривљени пролази,

више филијала,

серпентинасти канали,

танки зидови,

унутрашња ребра,

ударне структуре,

и прецизно позиционирани излази за хлађење.

Неки пролази су толико мали и геометријски сложени да конвенционално бушење или глодање једноставно не могу да дођу до њих.

Чак и напредне технике обраде имају основна ограничења када алат физички не може да приступи траженој геометрији.

Инвестиционо ливење пружа решење.

Уместо да покушавају да уклоне материјал за стварање унутрашњих пролаза, произвођачиуградите пролазе у одлив од почетка.

А кључ за то је керамичко језгро.

Замислите керамичко језгро као привремени тродимензионални-калуп за унутрашњост лопатице турбине.

Метал на крају постаје оштрица.

Керамика привремено заузима простор који ће постати расхладни пролази.

Када се метал очврсне, керамика се уклања.

Оно што је остало је унутрашња расхладна мрежа.

Животни циклус керамичког језгра

Керамичко језгро је у суштини компонента за једнократну употребу са изузетно захтевним послом.

1. Прављење језгра

Производња почиње пажљиво контролисаном керамичком формулацијом.

У зависности од примене и правца производње, керамички прах се може обликовати коришћењем процеса као што су бризгање, ливење гелом или производња керамичких адитива.

Добијено зелено тело репродукује сложену геометрију унутрашњег система за хлађење сечива.

Затим се суши, одлепљује где је потребно и синтерује на повишеној температури.

Завршно керамичко језгро мора имати довољно снаге и димензионалне стабилности да преживи све што следи.

А тачност димензија је од огромног значаја.

Мала грешка у језгру постаје мала грешка у пролазу за хлађење.

У високо оптимизованој лопатици турбине, то може утицати на перформансе хлађења, локалну температуру метала и на крају живот лопатице.

2. Изградња узорка од воска

Готово керамичко језгро се налази унутар калупа.

Восак се затим убризгава око језгра.

Када се восак очврсне, резултат је воштани узорак који представља спољашњу геометрију лопатице турбине, са керамичким језгром уграђеним у њу.

У овом тренутку, будући пролази за хлађење већ постоје -, али су и даље заузети керамиком.

3. Изградња инвестиционог{1}}оклопа за ливење

Узорак воска се више пута потапа у керамичку суспензију и облаже ватросталним материјалом.

Слој по слој, јака керамичка шкољка се гради око воштаног узорка.

Када шкољка достигне потребну дебљину и чврстоћу, восак се уклања, обично помоћу паре или контролисаног грејања.

Восак излази.

Керамичко језгро остаје унутра.

Резултат је инвестициони{0}}калуп за ливење који садржи две критичне керамичке структуре:

спољна шкољка која дефинише спољашњи облик сечива, и унутрашње керамичко језгро које дефинише њене пролазе за хлађење.

4. Ливење суперлегуре

Калуп се претходно загрева и преноси у контролисано окружење за ливење.

Суперлегура на бази никла{0}} се топи и сипа у калуп под строго контролисаним условима, често у вакууму или инертној атмосфери.

Растопљени метал испуњава простор око керамичког језгра.

Како се легура учвршћује, она поприма облик сечива уз очување геометрије унутрашњег језгра.

За напредне турбинске лопатице, сам процес очвршћавања може бити веома софистициран, укључујући усмерено очвршћавање и, за неке примене, раст појединачних{0}}кристала.

На крају процеса постоји метална оштрица.

Али керамичко језгро је и даље заробљено унутар њега.

5. Уклањање језгра

Сада долази део који технологију керамичке{0}}језгре чини тако необичном.

Језгро мора да преживи процес кастинга - и онда ефективно нестане.

У зависности од система језгра и примене легуре, за уклањање керамике се користи хемијско лужење.

Алкални раствори нападају керамику и постепено је разграђују.

Преостале честице се избацују кроз исте уске пролазе које је створило језгро.

Циљ је једноставан:

Оставите метал нетакнут. Оставите пролазе за хлађење отворене. У суштини не остављајте керамику иза себе.

Језгро је завршило свој посао.

И нестало је.

Материјал дизајниран око контрадикције

То је оно што чини развој керамичке{0}}језгре толико тешким.

Материјал мора да задовољи два захтева за које се чини да раде један против другог.

Током ливења: мора бити изузетно стабилан.

Језгро је изложено растопљеној суперлегури на температурама од око 1500 степени.

Мора да се одупре:

пуцање,

деформација,

ерозија,

пузати,

и промену димензија.

Ако се језгро помери чак и за малу количину, геометрија расхладних пролаза може да се промени.

За напредну турбинску лопатицу, то може бити довољно да се иначе скупи одлив претвори у отпад.

Након ливења: мора се лако уклонити.

У исто време, керамика се не може једноставно понашати као обична високо стабилна структурна керамика.

Ако је остао хемијски нетакнут након ливења, могао би да остане трајно заробљен унутар сечива.

Пролази за хлађење би били блокирани.

Оштрица би била неупотребљива.

Дакле, идеално керамичко језгро мора да се понаша скоро као два различита материјала у два различита тренутка:

Током ливења, мора да се понаша као структурна компонента на високој{0}}температури.

Након ливења, мора се понашати као жртвени материјал који се може чисто уклонити.

Та контрадикција је у срцу инжењерства керамичких{0}}материјала.

Силицијум против глинице

Две важне породице керамичких{0}}материјала за језгро су системи на бази силицијум-диоксида-и системи на бази глинице-.

Језгра на бази силицијум-диоксида{0}

Таљени силицијум има неколико атрактивних карактеристика.

Може да понуди релативно добру способност цурења, релативно ниске температуре обраде и повољну економичност производње.

Али висока{0}}димензиона стабилност и понашање при пузању могу постати ограничења, посебно када се повећавају температуре ливења и захтеви за обраду.

Језгра на бази глинице{0}

Алуминијум обезбеђује одличну стабилност{0}при високим температурама и отпорност на пузање.

То чини језгра заснована на глиници{0}}привлачним за захтевне примене, укључујући напредне једнокристалне{1}}лопатице турбине.

Замена{0}}је то што високо стабилну глиницу такође може бити теже уклонити након ливења.

Инжењерски изазов стога постаје балансирањечврстоћа, стабилност димензија, порозност, фазни састав и могућност цурења.

Најбоље језгро није нужно најјача керамика.

То је керамика са правом комбинацијом својстава за цео производни циклус.

Где је право уско грло у производњи

Када људи размишљају о технологији која стоји иза напредних мотора авиона, обично се фокусирају на очигледне изазове:

архитектура мотора, легура лопатица турбине, технологија једног-кристала, дизајн хлађења или-премази за високе температуре.

Али напредна керамичка језгра су још једна критична карика у производном ланцу.

А изазов није једноставно направити керамички део.

Гради читав систем око тога.

Квалитет праха

Језгра високих{0}}перформанси захтевају пажљиво контролисане керамичке прахове.

Чистоћа,{0}}дистрибуција величине честица, морфологија честица, хемија површине и друге карактеристике могу да утичу на коначно језгро.

Мале промене у почетном праху могу утицати на формирање, сушење, синтеровање, порозност, чврстоћу и стабилност димензија.

Контрола процеса

Производни прозор може бити изузетно узак.

Промене у условима формирања, садржају везива, уклањању везива, температури синтеровања или времену задржавања могу променити микроструктуру и својства језгра.

Ово је један од разлога зашто се производња керамичке{0}}језгре у великој мери ослања на акумулирано знање о процесу.

Рецепт на папиру није нужно исто што и стабилан производни процес.

Квалификација

Компоненте за ваздухопловство раде под изузетно захтевним захтевима поузданости.

Нови материјал или производни процес не могу се једноставно увести јер лабораторијски тестови изгледају обећавајуће.

Мора проћи кроз опсежна тестирања, валидацију процеса, студије поновљивости и квалификације.

Због тога је тешко ући у ланце снабдевања у ваздухопловству и тешко их је заменити.

За керамичка језгра, производна способност значи много више од поседовања праве опреме.

То значи иматиматеријале, контролу процеса, системе квалитета, инжењерску експертизу и историју квалификацијада више пута произведе исти резултат.

Следећа граница: керамичко 3Д штампање

Традиционална производња{0}}керамичког језгра се у великој мери ослања на алате.

То постаје проблем када дизајнери желе да експериментишу са све сложенијим архитектурама хлађења.

Производња керамичких адитива нуди другачији приступ.

Уз 3Д штампање керамике засновано на фотополимеризацији{0}}, сложене геометрије језгра могу да се произведу директно из дигиталних модела, потенцијално елиминишући нека од ограничења алата која су повезана са конвенционалним обликовањем.

То би могло олакшати развој:

сложенији расхладни пролази,

тање структуре,

неконвенционалне унутрашње геометрије,

и брзо поновљени дизајни хлађења.

Али адитивна производња није магично решење.

Технологија се и даље суочава са изазовима који укључују униформност зеленог-тела, тачност димензија, скупљање при синтеровању, контролу дефеката, проток и цену.

Лабораторијска демонстрација је једна ствар.

Друга је производња на хиљаде језгара{0}}космичког квалитета са доследним својствима.

Тај прелаз из"може да се штампа"да"може се поуздано производити у индустријском обиму"тамо остаје велики део инжењерских радова.

Компонента која нестаје

Најзанимљивија ствар у вези са керамичким језгром може бити оно што му се дешава на крају.

Не постаје део готовог мотора.

Не појављује се у спецификацијама које ће путници икада видети.

Не доприноси директно потиску мотора.

Након процеса ливења, уклања се и одбацује.

Па ипак, без тога, сложена архитектура унутрашњег хлађења напредне лопатице турбине можда никада неће постојати.

Када посматрамо модеран авионски мотор, тежимо да се фокусирамо на спектакуларне ствари - огроман потисак, напредне легуре, једно-оштрице од једног кристала, софистициране системе хлађења и екстремне радне температуре.

Али напредна производња се често гради на много мањим стварима.

Материјали који нестају.

Привремене структуре.

Специјализовани пудери.

Ситне компоненте које можда никада неће бити видљиве у коначном производу.

Керамичко језгро је једно од њих.

Дизајниран је да преживи тренутак када је потребан - и да нестане оног тренутка када се заврши посао.

То би могао бити најприкладнији опис невидљиве производне технологије:

компонента која никада не лети, али помаже да се лет омогући.