چگونه ابرآلیاژها نوآوری را در بخش‌های هوافضا و انرژی پیش می‌برند

ترکیبات آلیاژی که موتورهای مدرن را حمل می کنند قدیمی تر از آن چیزی هستند که اکثر مردم تصور می کنند. سوپرآلیاژهای نیکل در بخش توربین طی دهه‌ها توسعه یافته‌اند، و نام‌هایی که امروزه در نقشه‌ها دیده می‌شوند تا حد زیادی قبل از روش‌های تولیدی که اکنون بر صنعت مسلط هستند، مشخص شده‌اند. چیزی که تغییر کرده این است که چگونه آن آلیاژها به قطعات تبدیل می شوند و این تغییر جایی است که بیشتر پیشرفت های اخیر از آنجا ناشی شده است.

سه مسیر شکل دهی برای این تغییر به حساب می آیند. انجماد جهت دار و ریخته گری تک کریستال به تیغه اجازه می دهد بدون مرزهای دانه ای که خزش را محدود می کند ساخته شود. متالورژی پودر اجازه می دهد تا یک دیسک با ساختاری ظریف و یکنواخت ساخته شود که ریخته گری نمی تواند به آن برسد. ساخت افزودنی اجازه می دهد تا یک شکل لایه به لایه ساخته شود، که هم هندسه ممکن و هم مقدار فلزی که هدر می رود را تغییر می دهد.

هر مسیر مشکلی را حل می کند و هر کدام نقصی را معرفی می کند که قبلا وجود نداشت. این توصیف صادقانه از نوآوری در این صنعت است، و به همین دلیل است که مشخصات خرید برای یک قطعه سوپرآلیاژی اکنون باید یک فرآیند و همچنین یک ترکیب را توصیف کند.

جدول مسیرها را بر اساس میزان مجاز و هزینه آنها تعیین می کند. آلیاژ موجود در هر ستون ممکن است مشابه باشد و بخشی که به دست می آید مشابه نیست.

مسیر تک کریستالی واضح ترین نمونه از فرآیندی است که ماده را بدون تغییر نام تغییر می دهد. تیغه ای که به صورت تک کریستال ریخته می شود، هیچ مرز دانه ای در سراسر قسمتی که بار گریز از مرکز را حمل می کند، ندارد، بنابراین مکانیسم خزشی که ریخته گری هم محور را محدود می کند، حذف شده و کاهش نمی یابد. آلیاژهای تک کریستال نسل دوم مانند CMSX-4 در دهه 1990 وارد خدمات پره‌های توربین گاز شدند و آلیاژهای نسل سوم مانند Rene N5 برای گرم‌ترین موقعیت‌ها، با انتخاب بین آنها به دلیل قابلیت دما و سازگاری پوشش و نه در دسترس بودن، به دنبال آن قرار گرفتند.

خریدار که یک سوپرآلیاژ را از نظر ترکیب واجد شرایط کرده است، فلز را واجد شرایط کرده است نه قطعه. هر مسیر شکل دهی یک نقص مشخصه دارد که ترکیب آن را توصیف نمی کند و هر نقصی نیاز به بازرسی خاص خود دارد.

ردیف متالورژی پودر همان چیزی است که خریداران تازه وارد دیسک را شگفت زده می کند. سه نقص به طور مکرر در ادبیات فنی برای دیسک‌های پودر نیکل نام‌گذاری شده‌اند: بارش مرزی ذرات قبلی، تخلخل ناشی از حرارت، و اجزاء غیر فلزی. اولی شبکه‌ای از رسوبات است که سطوح ذرات پودر اصلی را دنبال می‌کند و زمانی تشکیل می‌شود که سطح پودر اکسیژن یا کربنی را حمل می‌کند که در طول ادغام واکنش نشان می‌دهد. دومی تخلخلی است که وقتی گاز محبوس شده در پودر در طی یک گشت و گذار در دمای بالا منبسط می شود ظاهر می شود. سومین قسمت جامد است که همراه با پودر رسیده است و هیچ عملیات حرارتی آن را از بین نمی برد.

هیچ یک از این سه نقص را نمی توان با گواهی ترکیب تشخیص داد. آنها با بازرسی اولتراسونیک، برش، و با کنترل مقدار پودر پیدا می شوند، به همین دلیل است که مشخصات دیسک منبع پودر و مسیر یکپارچه سازی و نه تنها آلیاژ را نام می برد.

یک قطعه سوپرآلیاژی تا حدودی گران است زیرا بیشتر فلز خریداری شده به هواپیما ختم نمی شود. اندازه گیری نسبت خرید به پرواز است، وزن مواد خریداری شده تقسیم بر وزن جزء تمام شده، و با ترتیبی از بزرگی بین مسیرها متفاوت است.

این نسبت توضیح می‌دهد که چرا تولید افزودنی برای قطعاتی که از نظر هندسی پیچیده هستند و نه برای قطعاتی که صرفاً بزرگ هستند، به هوافضا منتقل شد. یک نازل سوخت با کانال های داخلی را نمی توان بدون اتصال چندین قطعه از یک آهنگری ماشین کاری کرد و یک آستر با مجموعه ای متراکم از ویژگی های خنک کننده به سختی می توان به روش دیگری تولید کرد. در جایی که هندسه ساده است، جعل ارزان تر باقی می ماند و آرگومان نسبت ناپدید می شود.

این نسبت یک محدودیت را نیز توضیح می دهد. بخشی که با افزودن مواد ساخته می شود، تاریخچه حرارتی متفاوتی با آهنگری دارد و خواص در جهت ساخت با خواص در سراسر آن متفاوت است. صرفه جویی در مواد واقعی است و ناهمسانگردی واقعی است، و نقشه باید جهتی را که ویژگی ها در آن اهمیت دارند، بیان کند.

تغییر از خرید مواد به خرید فرآیندی پیامد عملی همه چیز فوق است. خریدار که قبلاً یک آلیاژ و یک فرم را مشخص می کرد، اکنون یک آلیاژ، مسیر شکل دهی، سطح پذیرش نقص و سابقه صلاحیت را مشخص می کند.

به همین دلیل است که دو قیمت برای یک آلیاژ ممکن است با فاکتوری متفاوت باشد که قیمت فلز توضیح نمی دهد. یکی از تامین کنندگان مسیری را که واجد شرایط خود است و دیگری مسیری را که قصد دارد واجد شرایط آن را در سفارش خریدار ذکر کند، نقل می کند.

توربین های گازی مبتنی بر زمین از سه مسیر تشکیل یکسان استفاده می کنند و منطق پذیرش متفاوتی را اعمال می کنند. تیغه برای یک ماشین قاب بزرگ یک تک کریستال یا ریخته گری جامد شده جهت دار است و عمر خزش در دمای پخت ویژگی تعیین کننده است. دیسک یک قطعه متالورژی پودر است و هدف بازرسی سه عیب پودر است نه عیوب ریخته گری. یک محفظه احتراق یا یک قطعه انتقال به طور فزاینده ای یک بخش افزودنی است، و پذیرش حول خستگی حرارتی یک دیوار نازک ساخته می شود و نه حول آزمایش کشش.

موضوع رایج این است که دما در بخش داغ با بهبود فرآیند و هندسه خنک کننده با هم افزایش یافته است و نه با یافتن یک فلز پایه جدید. یک تیغه تک کریستال با خنک کننده فیلم و یک پوشش مانع حرارتی یک سیستم است و آلیاژ یکی از عناصر آن است. صفحه ای که به تنهایی این آلیاژ را اعتبار می دهد، یک سوم دلیل کارکرد توربین را شرح داده است.

فرم محصول همچنان مسیر را دنبال می کند و سند همچنان از فرم پیروی می کند. میله، بیلت و استوک آهنگری ورودی قطعات ماشینکاری شده یا آهنگری هستند. پودر ورودی یک دیسک تلفیقی است. سیم و نوار ورودی به یک مجموعه جوش داده شده یا تشکیل شده هستند. صفحه ورودی یک محفظه احتراق یا یک محفظه است.

DLX سوپرآلیاژهای پایه نیکل و کبالت را در چانگژو، جیانگ سو، به صورت سیم از 0.025 میلی متر، نوار گرد تا 50 میلی متر، نوار از 0.50 میلی متر تا 2.5 میلی متر در ضخامت، و لوله و صفحه در اندازه های آسیاب استاندارد عرضه می کند. این محدوده شامل محلول جامد و نمرات سخت شدن بارندگی مورد استفاده در سخت افزارهای هوافضا و انرژی، همراه با فلزات پرکننده منطبق برای جوشکاری است.

مواد بر اساس مشخصات ذکر شده در سفارش، با گواهی EN 10204 3.1 در صورت درخواست و شماره حرارت قابل ردیابی به نتایج آزمایش ارائه می شود. خریدار که قطعه ای را به مسیر شکل دهی جدید منتقل می کند، معمولاً ابتدا به فرم ورودی و گواهی آن نیاز دارد، زیرا صلاحیت مسیر از مواد شروع می شود و نه از قسمت تمام شده.

ترکیبات در طول دهه ها توسعه یافته اند و نمرات به طور گسترده مورد استفاده بالغ هستند. بیشتر سود اخیر از مسیر شکل‌گیری، هندسه خنک‌کننده و پوشش‌ها حاصل شده است و این سه به عنوان یک سیستم عمل می‌کنند. یک تیغه تک کریستالی با خنک کننده فیلم و یک پوشش مانع حرارتی در دمایی عمل می کند که آلیاژ به تنهایی نمی تواند زنده بماند.

زیرا مرز دانه ها از مسیر بار حذف می شود. در تیغه‌های ریخته‌گری شده معمولی، مرزها در سراسر قسمتی که بار گریز از مرکز را حمل می‌کند، عبور می‌کنند و در دما مسیر ضعیفی هستند. انجماد جهت دار مرزها را در امتداد بار هم تراز می کند و ریخته گری تک کریستال آنها را به کلی حذف می کند، بنابراین مکانیسم خزشی که ریخته گری را محدود می کند حذف می شود و کاهش نمی یابد.

بارش مرزی ذرات قبلی، تخلخل ناشی از حرارت، و اجزاء غیر فلزی. اولی یک شبکه رسوبی است که از سطوح پودری اصلی پیروی می کند، دومی تخلخل ناشی از گاز محبوس شده در پودر است که در دما منبسط می شود، و سومی یک لایه جامد است که همراه با پودر رسیده است. هیچ یک از آنها در گواهی ترکیب ظاهر نمی شوند و با بازرسی اولتراسونیک، برش و کنترل مقدار پودر پیدا می شوند.

وزن مواد خریداری شده تقسیم بر وزن قطعه تمام شده. آهنگری و ماشینکاری معمولاً در حدود 3:1 تا 10:1 است و تولید مواد افزودنی در حدود 1:1 تا 3:1 است، به همین دلیل است که مسیر افزودنی برای یک قسمت پیچیده جذاب است نه برای یک قطعه ساده. نسبت یک معیار هزینه مواد است و چیزی در مورد عمر خستگی قطعه نمی گوید.

نه، آن چیزی که باید واجد شرایط باشد را تغییر می دهد. یک قطعه ساخته شده دارای تاریخچه حرارتی و ساختار وابسته به جهت است، بنابراین نقشه باید جهتی را که خواص در آن اهمیت دارند، بیان کند و پنجره فرآیند باید ثابت شود. صرفه جویی در مواد واقعی است و بار صلاحیت بزرگتر از آهنگری از همان آلیاژ است.

زیرا یکی نقل یک فرآیند واجد شرایط است و دیگری نقل یک مطلب. قیمت آلیاژ بخش کوچکی از تفاوت است. مابقی مسیر، بازرسی، سوابق فرآیند و بازده است و مسیری که واجد شرایط نشده است، هزینه ای دارد که پس از سفارش ظاهر می شود.

نوآوری در سوپرآلیاژهای هوافضا و انرژی از ترکیب به مسیر شکل دهی حرکت کرده است. انجماد جهت دار و ریخته گری تک کریستال، مرزهای دانه ای را که خزش را محدود می کند، حذف می کند. متالورژی پودر ساختار دیسکی را تولید می کند که ریخته گری نمی تواند به آن برسد، به قیمت سه عیب ناشی از پودر. ساخت افزودنی هندسه ای که ممکن است و کسری از فلز خریداری شده که به قطعه می رسد را تغییر می دهد.

هر مسیر یک نقص و یک بار صلاحیت به همراه دارد و مشخصات خرید باید هر دو را نام برد. خریداری که آلیاژ و فرم را مشخص می کند، ورودی را مشخص کرده است. خریداری که مسیر و قبولی عیب و مدرک را هم مشخص کرده قطعه را مشخص کرده است.

1. بررسی های منتشر شده از سوپرآلیاژهای دیسک پایه نیکل متالورژی پودر، شناسایی بارش مرزی ذرات قبلی، تخلخل ناشی از حرارت، و اجزاء غیر فلزی به عنوان سه نقص مشخصه مسیر.
2. مطالعات منتشر شده در مورد تشکیل مرز قبل از پودر در سوپرآلیاژهای پایه نیکل، که شبکه رسوبی را که پس از تثبیت سطوح ذرات اصلی را دنبال می کند، توصیف می کند.
3. کارهای منتشر شده در مورد انجماد جهتی پره های توربین تک کریستال، از جمله آلیاژ نسل دوم CMSX-4 که ​​از دهه 1990 در پره های توربین گاز استفاده می شود، آلیاژ نسل سوم Rene N5 و نقص کک و مکی که در هنگام مختل شدن جبهه انجماد ایجاد می شود.
4. ارزیابی های منتشر شده ریخته گری تک کریستال برای پره های توربین، توصیف حذف مرزهای دانه از مسیر بار و مزیت خزش ناشی از آن.
5. بررسی منتشر شده از تولید افزودنی های فلزی در هوافضا، گزارش نسبت خرید به پرواز در حدود 1:1 تا 3:1 برای مسیرهای افزودنی.
6. ارزیابی‌های صنعتی منتشر شده از آهنگری و ماشین‌کاری، گزارش نسبت خرید به پرواز در حدود 3:1 تا 10:1، و کامپوزیت فیبر کربن در حدود 1.5:1 به عنوان مقایسه.
7. مشخصات محصول AMS و ASTM برای میله سوپر آلیاژ پایه نیکل، بیلت، صفحه، ورق و سیم، به عنوان اسنادی که بر فرم های ورودی ذکر شده در جدول حاکم هستند.
8. EN 10204، اسناد بازرسی، برای تعریف گواهی 3.1 به عنوان یک سند حاوی نتایج آزمایش واقعی و تایید شده توسط نماینده بازرسی مستقل سازنده.

مسیرها و مکانیسم‌های نقص در بالا رفتار کلی فرآیندهای نام‌گذاری شده را توصیف می‌کنند، و بیانیه‌ای نیستند که یک تامین‌کننده خاص برای یک بخش خاص واجد شرایط است. نسبت خرید به پرواز بسته به هندسه قطعه و با مقدار هزینه ماشین کاری متفاوت است، بنابراین محدوده های ذکر شده مقادیر معمولی هستند و اهداف طراحی نیستند. خواص یک قطعه ساخته شده یا ریخته گری به تاریخچه حرارتی محلی و جهت گیری نمونه آزمایش بستگی دارد، بنابراین یک مقدار از یک نوار تست، هر مکان را در یک قطعه توصیف نمی کند. الزامات صلاحیت برای سخت افزار پرواز توسط سازنده بدنه هواپیما یا موتور و توسط مرجع قابل اجرا قابل پرواز تنظیم شده است، و هیچ چیز در این صفحه به منزله صلاحیت نیست. مشخصات محصول اصلاح می شود و نسخه ای که در سفارش خرید نامگذاری شده است، حاکم است. هیچ چیز در این صفحه جایگزین نسخه مهندسی یا آزمایش صلاحیت توافق شده بین خریدار و تامین کننده نیست.