V srdci moderních proudových motorů je zásadní problém:

Lopatky turbíny jsou vystaveny teplotám vyšším, než je bod tání materiálu, ze kterého jsou vyrobeny.

Niklové-superslitiny patří mezi tepelně-nejodolnější konstrukční materiály, které jsou dnes k dispozici. Přesto i tyto slitiny tají při zhruba 1300 stupních nebo mírně nad.

Plyn opouštějící spalovací komoru moderního motoru však může překročit 1500 stupňů.

Proč se tedy lopatka turbíny jednoduše neroztaví?

Odpověď je překvapivě jednoduchá:

Je dutý.

Uvnitř moderní lopatky turbíny je vysoce propracovaná síť vnitřních chladicích kanálů. Chladicí vzduch vstupuje kořenem čepele, prochází těmito průchody, absorbuje teplo z kovu a nakonec vystupuje stovkami malých otvorů v povrchu čepele.

Unikající vzduch vytváří tenkou ochrannou vrstvu mezi čepelí a okolním horkým plynem.

Ve skutečnosti se čepel neustále ochlazuje, zatímco pracuje v prostředí dostatečně horkém, aby se roztavilo.

To ale vytváří další problém.

Jak vyrobíte kovovou součást obsahující chladicí kanály, které jsou zakřivené, rozvětvené, extrémně tenké a pro konvenční řezný nástroj je téměř nemožné dosáhnout?

Vy je neobrábíte.

Odlijete je kolem kousku keramiky.

Tato keramická součást se nazývá akeramické jádro.

V hotovém motoru se nemusí nikdy objevit. Může být zcela rozpuštěn a odstraněn dříve, než čepel vůbec vstoupí do provozu.

Bez něj by však bylo velmi obtížné - vyrobit mnoho z nejpokročilejších dutých turbínových lopatek a v některých případech je - nemožné.

Proč musí být lopatky turbíny chlazeny

Teplota v přední části turbíny je jedním z klíčových faktorů ovlivňujících výkon a tepelnou účinnost motoru s plynovou-turbinou.

Obecně platí, že zvýšení vstupní teploty turbíny umožňuje motoru získat více užitečné energie ze spalovacího procesu.

Existuje však limit na tvrdé materiály.

Pouhý vývoj slitiny s ještě vyšším bodem tání nestačí. Moderní turbínové materiály již pracují blízko limitů toho, co jejich mikrostruktura snese.

Řešením není, aby kov přežil plnou teplotu plynu.

Řešením jeudržovat samotný kov výrazně chladnější než okolní plyn.

Zde přichází na řadu chlazení turbíny.

Chladicí vzduch je odváděn z kompresoru a veden průchody uvnitř lopatky turbíny.

Jak proudí vnitřními kanály, odvádí teplo z čepele.

Vzduch je pak vypouštěn přesně umístěnými otvory na povrchu čepele.

Toto je známé jakochlazení filmu.

Chladicí vzduch se šíří po povrchu a vytváří tenkou vrstvu mezi kovem a horkými spalinami.

Výsledkem je pozoruhodný technický trik:

Okolní plyn může být teplejší než bod tání slitiny, zatímco skutečná teplota kovu zůstává pod kritickým teplotním limitem.

Ale navrhnout takový chladicí systém je jen polovina problému.

Druhá polovina ho vyrábí.

Výrobní problém: Jak uděláte, že-znemožníte-stroj?

Chladicí kanály uvnitř pokročilé turbínové lopatky nejsou jednoduché vyvrtané otvory.

Mohou obsahovat:

zakřivené průchody,

více poboček,

hadovité kanály,

tenké stěny,

vnitřní žebra,

nárazové struktury,

a přesně umístěné vývody chlazení.

Některé průchody jsou tak malé a geometricky složité, že se k nim konvenčním vrtáním nebo frézováním jednoduše nedostane.

I pokročilé obráběcí techniky mají zásadní omezení, když nástroj fyzicky nemůže přistupovat k požadované geometrii.

Investiční lití poskytuje řešení.

Namísto snahy o odstranění materiálu k vytvoření vnitřních průchodů, výrobcizabudujte průchody do odlitku od začátku.

A klíčem k tomu je keramické jádro.

Keramické jádro si představte jako dočasnou trojrozměrnou{0}}formu pro vnitřní stranu lopatky turbíny.

Kov se nakonec stane čepelí.

Keramika dočasně zabírá prostor, který se stane chladicími průchody.

Jakmile kov ztuhne, keramika se odstraní.

Co zůstalo pozadu, je vnitřní chladicí síť.

Životní cyklus keramického jádra

Keramické jádro je v podstatě jednorázová součástka s extrémně náročnou prací.

1. Tvorba jádra

Výroba začíná pečlivě kontrolovaným složením keramiky.

V závislosti na aplikaci a způsobu výroby lze keramické prášky tvarovat pomocí procesů, jako je vstřikování, lití gelu nebo výroba keramických přísad.

Výsledné zelené tělo reprodukuje složitou geometrii vnitřního chladicího systému čepele.

Poté se vysuší, v případě potřeby oddělí a slinuje při zvýšené teplotě.

Finální keramické jádro musí mít dostatečnou pevnost a rozměrovou stabilitu, aby přežilo vše, co přijde.

A na rozměrové přesnosti nesmírně záleží.

Z malé chyby v jádře se stane malá chyba v chladicím průchodu.

U vysoce optimalizované turbínové lopatky to může ovlivnit chladicí výkon, místní teplotu kovu a v konečném důsledku životnost lopatky.

2. Vytvoření voskového vzoru

Hotové keramické jádro je umístěno uvnitř matrice.

Kolem jádra se pak vstříkne vosk.

Jakmile vosk ztuhne, výsledkem je voskový vzor představující vnější geometrii lopatky turbíny s keramickým jádrem zapuštěným uvnitř.

V tomto okamžiku již budoucí chladicí kanály existují -, ale stále jsou obsazeny keramikou.

3. Budování investičního-odlévacího prostředí

Voskový vzor je opakovaně ponořen do keramické kaše a potažen žáruvzdorným materiálem.

Vrstvu po vrstvě je kolem voskového vzoru postavena silná keramická skořápka.

Jakmile skořápka dosáhne požadované tloušťky a pevnosti, vosk se odstraní, obvykle pomocí páry nebo řízeného ohřevu.

Vosk vytéká.

Keramické jádro zůstává uvnitř.

Výsledkem je investiční-licí forma obsahující dvě kritické keramické struktury:

vnější plášť vymezující vnější tvar čepele a vnitřní keramické jádro vymezující jeho chladicí kanály.

4. Odlévání superslitiny

Forma se předehřeje a přenese do prostředí řízeného lití.

Superslitina na bázi niklu- se taví a nalévá do formy za přísně kontrolovaných podmínek, často ve vakuu nebo v inertní atmosféře.

Roztavený kov vyplňuje prostor kolem keramického jádra.

Jak slitina tuhne, získává tvar čepele při zachování geometrie vnitřního jádra.

U pokročilých turbínových lopatek může být samotný proces tuhnutí vysoce sofistikovaný, včetně směrového tuhnutí a u některých aplikací růstu jednotlivých-krystalů.

Na konci procesu existuje kovová čepel.

Ale keramické jádro je stále uvězněno uvnitř.

5. Vyjmutí jádra

Nyní přichází část, díky které je technologie keramického jádra-tak neobvyklá.

Jádro musí přežít proces lití - a poté účinně zmizet.

V závislosti na systému jádra a aplikaci slitiny se k odstranění keramiky používá chemické louhování.

Alkalické roztoky napadají keramiku a postupně ji rozkládají.

Zbývající částice jsou vyplavovány stejnými úzkými průchody, které vytvořilo jádro.

Cíl je jednoduchý:

Nechte kov neporušený. Nechte chladicí kanály otevřené. Nenechávejte za sebou v podstatě žádnou keramiku.

Jádro dokončilo svou práci.

A je to pryč.

Materiál navržený kolem protikladu

To je důvod, proč je vývoj keramického-jádra tak obtížný.

Materiál musí splňovat dva požadavky, které působí proti sobě.

Během lití: musí být extrémně stabilní.

Jádro je vystaveno roztavené superslitiny při teplotách kolem 1500 stupňů.

Musí odolat:

praskání,

deformace,

eroze,

plížit se,

a rozměrovou změnu.

Pokud se jádro pohybuje byť jen o malý kousek, může se změnit geometrie chladicích kanálků.

U pokročilé turbínové lopatky to může stačit k přeměně jinak drahého odlitku na šrot.

Po odlití: musí být snadno odstranitelné.

Keramika se přitom nemůže jednoduše chovat jako běžná vysoce stabilní strukturální keramika.

Pokud by zůstala po odlití chemicky nedotčená, mohla by se trvale zachytit uvnitř čepele.

Chladicí kanály by byly ucpané.

Čepel by byla nepoužitelná.

Ideální keramické jádro se tedy musí chovat téměř jako dva různé materiály ve dvou různých okamžicích:

Během odlévání se musí chovat jako vysokoteplotní{0}} konstrukční součást.

Po odlití se musí chovat jako obětovaný materiál, který lze čistě odstranit.

Tento rozpor je jádrem keramického-materiálového inženýrství.

Oxid křemičitý vs. oxid hlinitý

Dvě důležité rodiny keramických-materiálů jádra jsou systémy na bázi křemíku-a oxidu hlinitého-.

Jádra-na silikagelu

Tavený oxid křemičitý má několik atraktivních vlastností.

Může nabídnout relativně dobrou vyluhovatelnost, relativně nízké teploty zpracování a příznivou ekonomiku výroby.

Rozměrová stabilita při vysokých{0}}teplotách a chování při tečení se však mohou stát omezeními, zejména s rostoucími teplotami odlévání a požadavky na zpracování.

Jádra-na bázi oxidu hlinitého

Oxid hlinitý poskytuje vynikající-stabilitu při vysokých teplotách a odolnost proti tečení.

Díky tomu jsou jádra-na bázi oxidu hlinitého atraktivní pro náročné aplikace, včetně pokročilých jedno-krystalických lopatek turbíny.

Kompromis-je v tom, že vysoce stabilní oxid hlinitý se po odlití také obtížněji odstraňuje.

Inženýrskou výzvou se proto stává vyváženípevnost, rozměrová stabilita, poréznost, fázové složení a vyluhovatelnost.

Nejlepší jádro nemusí být nutně nejpevnější keramika.

Je to keramika se správnou kombinací vlastností pro celý výrobní cyklus.

Kde leží skutečné úzké hrdlo výroby

Když lidé přemýšlejí o technologii za vyspělými leteckými motory, mají tendenci se soustředit na zjevné výzvy:

architektura motoru, slitina lopatek turbíny, jedno-krystalická technologie, design chlazení nebo vysokoteplotní{1}}potahy.

Pokročilá keramická jádra jsou však dalším kritickým článkem ve výrobním řetězci.

A výzvou není jednoduše vyrobit keramický díl.

Buduje kolem toho celý systém.

Kvalita prášku

Vysoce{0}}výkonná jádra vyžadují pečlivě kontrolované keramické prášky.

Čistota, -rozložení velikosti částic, morfologie částic, povrchová chemie a další vlastnosti mohou ovlivnit konečné jádro.

Malé změny ve výchozím prášku mohou ovlivnit tvarování, sušení, slinování, poréznost, pevnost a rozměrovou stabilitu.

Řízení procesu

Výrobní okno může být pozoruhodně úzké.

Změny podmínek tváření, obsahu pojiva, odstraňování pojiva, teploty slinování nebo doby výdrže mohou změnit mikrostrukturu a vlastnosti jádra.

To je jeden z důvodů, proč se výroba keramického-jádra do značné míry opírá o nashromážděné znalosti procesů.

Recept na papíře není nutně totéž jako stabilní výrobní proces.

Kvalifikace

Letecké komponenty pracují za extrémně náročných požadavků na spolehlivost.

Nový materiál nebo výrobní proces nelze jednoduše zavést, protože laboratorní testy vypadají slibně.

Musí projít rozsáhlým testováním, procesní validací, studiemi opakovatelnosti a kvalifikací.

To ztěžuje vstup do leteckých dodavatelských řetězců a obtížné je nahradit.

Pro keramická jádra proto výrobní kapacita znamená mnohem více než jen správné vybavení.

Znamená to mítmateriály, řízení procesu, systémy jakosti, inženýrská odbornost a historie kvalifikacek dosažení stejného výsledku opakovaně.

The Next Frontier: Keramický 3D tisk

Tradiční výroba keramického-jádra se do značné míry opírá o nástroje.

To se stává problémem, když chtějí designéři experimentovat se stále složitějšími architekturami chlazení.

Keramická aditivní výroba nabízí jiný přístup.

S keramickým 3D tiskem na bázi fotopolymerizace- lze přímo z digitálních modelů vyrábět složité geometrie jádra, což potenciálně eliminuje některá omezení spojená s konvenčním lisováním.

To by mohlo usnadnit vývoj:

složitější chladicí kanály,

tenčí struktury,

nekonvenční vnitřní geometrie,

a rychle se opakující návrhy chlazení.

Aditivní výroba ale není kouzelné řešení.

Tato technologie stále čelí výzvám, které zahrnují zelenou-jednotnost těla, rozměrovou přesnost, smrštění při slinování, kontrolu defektů, propustnost a náklady.

Laboratorní demonstrace je jedna věc.

Další věcí je výroba tisíců jader{0}}pro letectví a kosmonautiky s konzistentními vlastnostmi.

Ten přechod z"dá se vytisknout"na"lze jej spolehlivě vyrobit v průmyslovém měřítku"je místo, kde zůstává velká část inženýrské práce.

Komponenta, která zmizí

Na keramickém jádru může být nejzajímavější to, co se s ním stane na konci.

Nestává se součástí hotového motoru.

Neobjevuje se ve specifikacích, které cestující kdy uvidí.

Nepřispívá přímo k tahu motoru.

Po procesu odlévání se odstraní a vyhodí.

A přesto bez něj možná nikdy nebude existovat složitá architektura vnitřního chlazení pokročilé turbínové lopatky.

Když se podíváme na moderní letecký motor, máme tendenci soustředit se na velkolepé věci - obrovský tah, pokročilé slitiny, jedno-krystalové lopatky, sofistikované chladicí systémy a extrémní provozní teploty.

Pokročilá výroba je ale často postavena na mnohem menších věcech.

Materiály, které mizí.

Dočasné struktury.

Specializované prášky.

Drobné komponenty, které nemusí být ve finálním produktu nikdy vidět.

Keramické jádro je jedním z nich.

Je navržen tak, aby přežil okamžik, kdy je potřeba -, a zmizel ve chvíli, kdy svou práci dokončí.

To může být nejvhodnější popis neviditelné výrobní technologie:

součást, která nikdy nelétá, ale pomáhá let umožnit.