Mūsdienu reaktīvo dzinēju pamatā ir būtiska problēma:

Turbīnu lāpstiņas ir pakļautas temperatūrai, kas ir augstāka par materiāla kušanas temperatūru, no kura tie ir izgatavoti.

Niķeļa{0}}supersakausējumi ir vieni no karstumizturīgākajiem mūsdienās pieejamajiem strukturālajiem materiāliem. Tomēr pat šie sakausējumi kūst aptuveni 1300 grādu temperatūrā vai nedaudz augstāk.

Tomēr gāze, kas iziet no modernā dzinēja sadegšanas kameras, var pārsniegt 1500 grādus.

Tātad, kāpēc turbīnas lāpstiņa vienkārši neizkūst?

Atbilde ir pārsteidzoši vienkārša:

Tas ir dobs.

Modernās turbīnas lāpstiņas iekšpusē ir augsti izstrādāts iekšējo dzesēšanas kanālu tīkls. Dzesēšanas gaiss ieplūst caur asmens sakni, pārvietojas pa šīm ejām, absorbē siltumu no metāla un galu galā iziet caur simtiem sīku caurumu asmens virsmā.

Izplūstošais gaiss veido plānu aizsargkārtu starp asmeni un apkārtējo karsto gāzi.

Faktiski asmens pastāvīgi atdziest, darbojoties vidē, kas ir pietiekami karsta, lai to izkausētu.

Bet tas rada citu problēmu.

Kā ražot metāla detaļu, kurā ir izliektas, sazarotas, ļoti plānas dzesēšanas ejas, kuras ar parasto griezējinstrumentu gandrīz nav iespējams sasniegt?

Jūs tos neapstrādājat.

Jūs tos izmetat ap keramikas gabalu.

Šo keramikas komponentu sauc par akeramikas kodols.

Tas var nekad neparādīties gatavajā dzinējā. To var pilnībā izšķīdināt un noņemt, pirms asmens tiek nodots ekspluatācijā.

Tomēr bez tā daudzas vismodernākās dobās turbīnas lāpstiņas būtu ārkārtīgi grūti - un dažos gadījumos neiespējamas - ražot.

Kāpēc turbīnu lāpstiņas ir jādzesē

Temperatūra turbīnas priekšpusē ir viens no galvenajiem faktoriem, kas nosaka gāzes -turbīnas dzinēja veiktspēju un termisko efektivitāti.

Kopumā turbīnas ieplūdes temperatūras paaugstināšana ļauj dzinējam iegūt vairāk noderīgās enerģijas no sadegšanas procesa.

Bet ir cieto materiālu ierobežojums.

Nepietiek tikai izstrādāt sakausējumu ar vēl augstāku kušanas temperatūru. Mūsdienu turbīnu materiāli jau darbojas tuvu robežām, ko to mikrostruktūras var izturēt.

Risinājums nav likt metālam izturēt pilnu gāzes temperatūru.

Risinājums iruzturēt pašu metālu ievērojami vēsāku par apkārtējo gāzi.

Šeit parādās turbīnas dzesēšana.

Dzesēšanas gaiss tiek izvadīts no kompresora un tiek novadīts pa ejām turbīnas lāpstiņas iekšpusē.

Plūst caur iekšējiem kanāliem, tas noņem siltumu no asmens.

Pēc tam gaiss tiek izvadīts caur precīzi novietotiem caurumiem uz asmens virsmas.

Tas ir pazīstams kāplēves dzesēšana.

Dzesēšanas gaiss izkliedējas pa virsmu un izveido plānu kārtiņu starp metālu un karstajām degšanas gāzēm.

Rezultāts ir ievērojams inženierijas triks:

Apkārtējā gāze var būt karstāka par sakausējuma kušanas temperatūru, savukārt faktiskā metāla temperatūra paliek zem kritiskās temperatūras robežas.

Taču šādas dzesēšanas sistēmas projektēšana ir tikai puse no problēmas.

Otra puse to ražo.

Ražošanas problēma: kā padarīt-neiespējamu-mašīnu?

Uzlabotas turbīnas lāpstiņas dzesēšanas ejas nav vienkārši urbti caurumi.

Tie var saturēt:

izliektas ejas,

vairākas filiāles,

serpentīna kanāli,

plānas sienas,

iekšējās ribas,

trieciena struktūras,

un precīzi novietotas dzesēšanas atveres.

Dažas ejas ir tik mazas un ģeometriski sarežģītas, ka ar parasto urbšanu vai frēzēšanu tās vienkārši nevar sasniegt.

Pat progresīvām apstrādes metodēm ir būtiski ierobežojumi, ja instruments fiziski nevar piekļūt vajadzīgajai ģeometrijai.

Investīciju liešana nodrošina risinājumu.

Tā vietā, lai mēģinātu noņemt materiālu, lai izveidotu iekšējās ejas, ražotājino sākuma iebūvējiet ejas liešanā.

Un galvenais, lai to izdarītu, ir keramikas kodols.

Padomājiet par keramisko serdi kā pagaidu trīsdimensiju veidni turbīnas lāpstiņas iekšpusei.

Metāls galu galā kļūst par asmeni.

Keramika īslaicīgi aizņem vietu, kas kļūs par dzesēšanas ejām.

Kad metāls ir sacietējis, keramika tiek noņemta.

Tas, kas paliek aiz muguras, ir iekšējais dzesēšanas tīkls.

Keramikas serdeņa dzīves cikls

Keramikas serdeņa būtībā ir vienreiz lietojama sastāvdaļa ar ārkārtīgi prasīgu darbu.

1. Kodola veidošana

Ražošana sākas ar rūpīgi kontrolētu keramikas sastāvu.

Atkarībā no pielietojuma un ražošanas veida keramikas pulverus var veidot, izmantojot tādus procesus kā iesmidzināšana, želejas liešana vai keramikas piedevu ražošana.

Iegūtais zaļais korpuss atveido asmens iekšējās dzesēšanas sistēmas sarežģīto ģeometriju.

Pēc tam to žāvē, vajadzības gadījumā atdala un saķepina paaugstinātā temperatūrā.

Galīgajam keramikas serdenim ir jābūt pietiekami stipram un izmēru stabilitātei, lai izturētu visu nākamo.

Un izmēru precizitātei ir milzīga nozīme.

Neliela kļūda kodolā kļūst par nelielu kļūdu dzesēšanas kanālā.

Ļoti optimizētā turbīnas lāpstiņā, kas var ietekmēt dzesēšanas veiktspēju, lokālo metāla temperatūru un galu galā lāpstiņas kalpošanas laiku.

2. Vaska raksta veidošana

Gatavā keramikas serdeņa ir novietota presformas iekšpusē.

Pēc tam vasks tiek injicēts ap serdi.

Kad vasks sacietē, tiek iegūts vaska raksts, kas attēlo turbīnas lāpstiņas ārējo ģeometriju, un tajā ir iestrādāts keramikas serdenis.

Šobrīd nākamās dzesēšanas ejas jau pastāv -, taču tās joprojām ir aizņemtas ar keramiku.

3. Investīciju-Casting Shell izveide

Vaska rakstu atkārtoti iemērc keramikas suspensijā un pārklāj ar ugunsizturīgu materiālu.

Slānis pa slānim ap vaska rakstu tiek veidots spēcīgs keramikas apvalks.

Kad apvalks sasniedz vajadzīgo biezumu un izturību, vasks tiek noņemts, parasti izmantojot tvaiku vai kontrolētu karsēšanu.

Vasks izplūst.

Keramikas kodols paliek iekšā.

Rezultāts ir investīciju{0}}liešanas veidne, kurā ir divas būtiskas keramikas struktūras:

ārējais apvalks, kas nosaka asmens ārējo formu, un iekšējais keramikas serdenis, kas nosaka tā dzesēšanas ejas.

4. Supersakausējuma liešana

Veidne tiek iepriekš uzkarsēta un pārnesta uz kontrolētu liešanas vidi.

Niķeļa{0}}supersakausējums tiek izkausēts un ielej veidnē stingri kontrolētos apstākļos, bieži vien vakuumā vai inertā atmosfērā.

Izkausētais metāls aizpilda telpu ap keramikas serdi.

Sakausējumam sacietējot, tas iegūst asmens formu, vienlaikus saglabājot iekšējās serdes ģeometriju.

Uzlabotām turbīnu lāpstiņām pats sacietēšanas process var būt ļoti sarežģīts, tostarp virziena sacietēšana un dažos gadījumos arī viena -kristāla augšana.

Procesa beigās metāla asmens pastāv.

Bet keramikas kodols joprojām ir iesprostots tajā.

5. Kodola noņemšana

Tagad nāk daļa, kas padara keramikas{0}}pamattehnoloģiju tik neparastu.

Kodolam ir jāizdzīvo apraides process - un pēc tam faktiski jāpazūd.

Atkarībā no serdes sistēmas un sakausējuma pielietojuma, keramikas noņemšanai tiek izmantota ķīmiskā izskalošana.

Sārmu šķīdumi uzbrūk keramikai un pakāpeniski sadalās.

Atlikušās daļiņas tiek izskalotas caur tām pašām šaurajām ejām, kuras izveidoja kodols.

Mērķis ir vienkāršs:

Atstājiet metālu neskartu. Atstājiet dzesēšanas kanālus atvērtus. Būtībā neatstājiet keramiku.

Kodols savu darbu ir pabeidzis.

Un tas ir pagājis.

Materiāls, kas izstrādāts ap pretrunu

Tas padara keramikas{0}}kodolu izstrādi tik sarežģītu.

Materiālam ir jāatbilst divām prasībām, kas, šķiet, darbojas viena pret otru.

Liešanas laikā: tam jābūt ārkārtīgi stabilam.

Kodols ir pakļauts izkausētam supersakausējumam aptuveni 1500 grādu temperatūrā.

Tam ir jāiztur:

plaisāšana,

deformācija,

erozija,

rāpot,

un izmēru izmaiņas.

Ja kodols pārvietojas pat nedaudz, dzesēšanas kanālu ģeometrija var mainīties.

Uzlabotai turbīnas lāpstiņai ar to var pietikt, lai citādi dārgu lējumu pārvērstu lūžņos.

Pēc liešanas: tai jābūt viegli noņemamai.

Tajā pašā laikā keramika nevar vienkārši uzvesties kā parasta ļoti stabila konstrukcijas keramika.

Ja pēc liešanas tas paliks ķīmiski neskarts, tas var neatgriezeniski iesprūst asmens iekšpusē.

Dzesēšanas ejas būtu bloķētas.

Asmens būtu nelietojams.

Tātad ideālajai keramikas serdei divos dažādos brīžos ir jādarbojas gandrīz kā diviem dažādiem materiāliem:

Liešanas laikā tai ir jādarbojas kā augstas{0}}temperatūras konstrukcijas sastāvdaļai.

Pēc liešanas tam ir jāizturas kā upura materiālam, ko var tīri noņemt.

Šī pretruna ir keramikas{0}}materiālu inženierijas pamatā.

Silīcija dioksīds pret alumīnija oksīdu

Divas svarīgas keramikas{0}}pamatmateriālu grupas ir sistēmas uz silīcija dioksīda-un alumīnija oksīda{2}.

serdeņi uz silīcija-bāzes

Kausētam silīcija dioksīdam ir vairākas pievilcīgas īpašības.

Tas var piedāvāt salīdzinoši labu izskalojamību, salīdzinoši zemu apstrādes temperatūru un labvēlīgu ražošanas ekonomiku.

Taču augstas{0}}temperatūras izmēru stabilitāte un šļūdes darbība var kļūt par ierobežojumiem, jo ​​īpaši pieaugot liešanas temperatūrai un apstrādes prasībām.

Alumīnija{0}}bāzes kodoli

Alumīnija oksīds nodrošina izcilu augstas{0}}temperatūras stabilitāti un šļūdes pretestību.

Tas padara alumīnija oksīdu{0}}bāzētus serdeņus pievilcīgus prasīgiem lietojumiem, tostarp uzlabotām viena{{1}kristāla turbīnu lāpstiņām.

Kompromiss-ir tas, ka ļoti stabilu alumīnija oksīdu var būt arī grūtāk noņemt pēc liešanas.

Tāpēc inženiertehniskais izaicinājums kļūst par līdzsvarošanustiprība, izmēru stabilitāte, porainība, fāzes sastāvs un izskalošanās spēja.

Labākā serde ne vienmēr ir stiprākā keramika.

Tā ir keramika ar pareizo īpašību kombināciju visam ražošanas ciklam.

Kur ir īstais ražošanas šķērslis

Kad cilvēki domā par modernu gaisa kuģu dzinēju tehnoloģiju, viņi mēdz koncentrēties uz acīmredzamām problēmām:

dzinēja arhitektūra, turbīnas lāpstiņu sakausējums, viena{0}kristāla tehnoloģija, dzesēšanas dizains vai augstas{1}}temperatūras pārklājumi.

Taču uzlaboti keramikas serdeņi ir vēl viens būtisks posms ražošanas ķēdē.

Un izaicinājums nav vienkārši izgatavot keramikas detaļu.

Ap to tiek veidota vesela sistēma.

Pulvera kvalitāte

Augstas veiktspējas{0}} serdeņiem ir nepieciešami rūpīgi kontrolēti keramikas pulveri.

Tīrība, daļiņu{0}}izmēru sadalījums, daļiņu morfoloģija, virsmas ķīmija un citas īpašības var ietekmēt galīgo kodolu.

Nelielas izmaiņas sākuma pulverī var ietekmēt veidošanu, žāvēšanu, saķepināšanu, porainību, izturību un izmēru stabilitāti.

Procesu kontrole

Ražošanas logs var būt ļoti šaurs.

Izmaiņas formēšanas apstākļos, saistvielas saturs, atdalīšanās, saķepināšanas temperatūra vai turēšanas laiks var mainīt serdes mikrostruktūru un īpašības.

Tas ir viens no iemesliem, kāpēc keramikas{0}}pamatražošana lielā mērā ir atkarīga no uzkrātajām zināšanām par procesu.

Recepte uz papīra ne vienmēr ir tas pats, kas stabils ražošanas process.

Kvalifikācija

Aviācijas un kosmosa komponenti darbojas saskaņā ar īpaši stingrām uzticamības prasībām.

Jaunu materiālu vai ražošanas procesu nevar vienkārši ieviest, jo laboratorijas testi izskatās daudzsološi.

Tam ir jāveic plaša pārbaude, procesa validācija, atkārtojamības pētījumi un kvalifikācija.

Tas apgrūtina aviācijas un kosmosa piegādes ķēdes ievadīšanu un nomaiņu.

Tāpēc keramikas serdeņiem ražošanas iespējas nozīmē daudz vairāk nekā pareiza aprīkojuma esamība.

Tas nozīmē, ka irmateriāli, procesa kontrole, kvalitātes sistēmas, inženiertehniskās zināšanas un kvalifikācijas vēsturelai atkārtoti iegūtu vienu un to pašu rezultātu.

Nākamā robeža: keramikas 3D druka

Tradicionālā keramikas{0}}galvas ražošana lielā mērā ir atkarīga no instrumentiem.

Tas kļūst par problēmu, kad dizaineri vēlas eksperimentēt ar arvien sarežģītākām dzesēšanas arhitektūrām.

Keramikas piedevu ražošana piedāvā atšķirīgu pieeju.

Izmantojot fotopolimerizācijas{0}}keramisko 3D drukāšanu, sarežģītas kodola ģeometrijas var izveidot tieši no digitālajiem modeļiem, tādējādi potenciāli novēršot dažus ar tradicionālo liešanu saistītos instrumentu ierobežojumus.

Tas varētu atvieglot attīstību:

sarežģītākas dzesēšanas ejas,

plānākas struktūras,

netradicionālas iekšējās ģeometrijas,

un ātri atkārtojami dzesēšanas modeļi.

Taču piedevu ražošana nav maģisks risinājums.

Tehnoloģija joprojām saskaras ar problēmām, kas saistītas ar zaļā{0}} virsbūves viendabīgumu, izmēru precizitāti, saķepināšanas saraušanos, defektu kontroli, caurlaidspēju un izmaksām.

Laboratorijas demonstrācija ir viena lieta.

Tūkstošiem kosmosa kvalitātes{0}} kodolu ar nemainīgām īpašībām ražošana ir vēl viens.

Šī pāreja no"to var izdrukāt"uz"to var droši ražot rūpnieciskā mērogā"ir vieta, kur paliek liela daļa inženiertehnisko darbu.

Komponents, kas pazūd

Visinteresantākā lieta par keramikas serdi var būt tas, kas ar to notiek beigās.

Tas nekļūst par gatavā dzinēja daļu.

Tas neparādās specifikācijās, ko pasažieri jebkad redzēs.

Tas tieši neveicina dzinēja vilci.

Pēc liešanas procesa tas tiek noņemts un izmests.

Un tomēr, bez tā, uzlabotas turbīnas lāpstiņas sarežģītā iekšējā dzesēšanas arhitektūra var nekad nepastāvēt.

Aplūkojot modernu gaisa kuģa dzinēju, mēs parasti koncentrējamies uz iespaidīgajām lietām - milzīgā vilce, uzlaboti sakausējumi, viena-kristāla lāpstiņas, sarežģītas dzesēšanas sistēmas un ekstremālas darba temperatūras.

Taču progresīvā ražošana bieži vien ir balstīta uz daudz mazākām lietām.

Materiāli, kas pazūd.

Pagaidu struktūras.

Specializēti pulveri.

Sīki komponenti, kas galaproduktā var nebūt redzami.

Keramikas kodols ir viens no tiem.

Tas ir izstrādāts, lai izdzīvotu brīdī, kad tas ir nepieciešams -, un pazustu brīdī, kad tas ir paveikts.

Tas varētu būt vispiemērotākais neredzamās ražošanas tehnoloģijas apraksts:

sastāvdaļa, kas nekad nelido, bet palīdz padarīt lidojumu iespējamu.