Làm thế nào các siêu hợp kim đang thúc đẩy đổi mới trong lĩnh vực hàng không và năng lượng

Các hợp kim mang động cơ hiện đại có tuổi đời lâu hơn nhiều người tưởng. Các siêu hợp kim niken trong bộ phận tuabin đã được phát triển trong nhiều thập kỷ, và các tên xuất hiện trên bản vẽ ngày nay phần lớn đã được xác định trước các phương pháp sản xuất hiện đang chiếm ưu thế trong ngành. Điều đã thay đổi là cách các hợp kim đó được chế tạo thành các bộ phận, và sự thay đổi đó là nơi hầu hết những cải tiến gần đây đến từ.

Ba quy trình tạo hình chiếm lĩnh sự thay đổi. Đông đặc định hướng và đúc đơn tinh thể cho phép chế tạo cánh quạt mà không có các ranh giới hạt giới hạn sự biến dạng từ từ. Luyện kim bột cho phép chế tạo đĩa với cấu trúc mịn và đồng nhất mà phương pháp đúc không đạt được. Sản xuất bồi đắp cho phép tạo hình dạng lớp theo lớp, làm thay đổi cả hình học có thể có và lượng kim loại bị lãng phí.

Mỗi quy trình giải quyết một vấn đề và mỗi quy trình lại đưa ra một khuyết tật chưa từng tồn tại trước đây. Đó là mô tả trung thực về sự đổi mới trong ngành này, và đó là lý do tại sao một đặc tả mua hàng cho bộ phận siêu hợp kim giờ đây phải mô tả quy trình cũng như thành phần.

Bảng này đặt các quy trình theo những gì chúng cho phép và chi phí của chúng. Hợp kim trong mỗi cột có thể tương tự, và bộ phận kết quả thì không.

Quy trình đơn tinh thể là ví dụ rõ ràng nhất về một quy trình đã thay đổi vật liệu mà không thay đổi tên của nó. Một cánh quạt được đúc dưới dạng đơn tinh thể không có ranh giới hạt trên mặt cắt chịu tải ly tâm, do đó cơ chế biến dạng từ từ giới hạn đúc đẳng hướng bị loại bỏ chứ không phải giảm đi. Các hợp kim đơn tinh thể thế hệ thứ hai như CMSX-4 đã đi vào hoạt động cánh quạt tuabin khí vào những năm 1990, và các hợp kim thế hệ thứ ba như Rene N5 theo sau cho các vị trí nóng nhất, với sự lựa chọn giữa chúng được thúc đẩy bởi khả năng chịu nhiệt và khả năng tương thích lớp phủ chứ không phải do tính sẵn có.

Người mua đã chứng nhận một siêu hợp kim theo thành phần đã chứng nhận kim loại chứ không phải bộ phận. Mỗi quy trình tạo hình có một khuyết tật đặc trưng mà thành phần không mô tả, và mỗi khuyết tật cần được kiểm tra riêng.

Hàng luyện kim bột là hàng làm ngạc nhiên những người mua mới đối với đĩa. Ba khuyết tật được nêu tên lặp đi lặp lại trong tài liệu kỹ thuật cho đĩa niken bột: sự kết tủa ranh giới hạt trước, lỗ rỗng do nhiệt và các bao thể phi kim loại. Cái đầu tiên là một mạng lưới các kết tủa theo bề mặt của các hạt bột ban đầu, và nó hình thành khi bề mặt bột mang oxy hoặc carbon phản ứng trong quá trình hợp nhất. Cái thứ hai là lỗ rỗng xuất hiện khi khí bị giữ trong bột nở ra trong quá trình tăng nhiệt độ cao. Cái thứ ba là một bao thể rắn đến từ bột và không có phương pháp xử lý nhiệt nào loại bỏ được.

Không có khuyết tật nào trong ba khuyết tật này có thể được phát hiện bằng chứng nhận thành phần. Chúng được tìm thấy bằng kiểm tra siêu âm, bằng cách cắt, và bằng cách kiểm soát lô bột, đó là lý do tại sao đặc tả đĩa đặt tên nguồn bột và quy trình hợp nhất chứ không chỉ hợp kim.

Một bộ phận siêu hợp kim đắt tiền một phần vì hầu hết kim loại mua không được sử dụng trên máy bay. Chỉ số đo là tỷ lệ mua trên bay, trọng lượng vật liệu mua chia cho trọng lượng bộ phận hoàn chỉnh, và nó khác nhau theo bậc độ lớn giữa các quy trình.

Tỷ lệ này giải thích tại sao sản xuất bồi đắp được đưa vào ngành hàng không vũ trụ cho các bộ phận có hình dạng phức tạp chứ không phải cho các bộ phận đơn giản. Vòi phun nhiên liệu có các kênh bên trong không thể gia công từ một bộ phận rèn mà không cần nối nhiều mảnh, và một lớp lót với một mảng dày đặc các tính năng làm mát rất khó sản xuất theo cách khác. Nơi hình dạng đơn giản, bộ phận rèn vẫn rẻ hơn, và lập luận về tỷ lệ biến mất.

Tỷ lệ này cũng giải thích một hạn chế. Một bộ phận được chế tạo bằng cách thêm vật liệu có lịch sử nhiệt khác với bộ phận rèn, và các đặc tính theo hướng chế tạo khác với các đặc tính theo hướng ngang. Tiết kiệm vật liệu là có thật và tính dị hướng là có thật, và bản vẽ phải nêu rõ hướng mà các đặc tính quan trọng.

Sự chuyển đổi từ mua vật liệu sang mua quy trình là hậu quả thực tế của tất cả những điều trên. Người mua từng chỉ định hợp kim và hình dạng giờ đây chỉ định hợp kim, quy trình tạo hình, mức chấp nhận khuyết tật và hồ sơ chứng nhận.

Đó là lý do tại sao hai báo giá cho cùng một hợp kim có thể khác nhau một yếu tố mà giá kim loại không giải thích được. Một nhà cung cấp đang báo giá một quy trình mà họ đã chứng nhận, và nhà cung cấp kia đang báo giá một quy trình mà họ dự định chứng nhận theo đơn đặt hàng của người mua.

Tuabin khí trên đất liền sử dụng cùng ba quy trình tạo hình và áp dụng logic chấp nhận khác nhau. Một cánh quạt cho máy khung lớn là đúc đơn tinh thể hoặc đông đặc định hướng, và tuổi thọ biến dạng từ từ ở nhiệt độ đốt là đặc tính quyết định. Một đĩa là bộ phận luyện kim bột, và việc kiểm tra nhằm vào ba khuyết tật của bột chứ không phải các khuyết tật đúc. Một bộ phận buồng đốt hoặc chuyển tiếp ngày càng trở thành bộ phận bồi đắp, và việc chấp nhận được xây dựng dựa trên mỏi nhiệt của thành mỏng chứ không phải dựa trên thử kéo.

Điểm chung là nhiệt độ ở phần nóng đã tăng lên bằng cách cải thiện quy trình và hình học làm mát cùng nhau, chứ không phải bằng cách tìm ra kim loại cơ bản mới. Một cánh quạt đơn tinh thể với làm mát bằng màng và lớp phủ rào cản nhiệt là một hệ thống, và hợp kim là một yếu tố của nó. Một trang ghi công chỉ hợp kim đã mô tả một phần ba lý do tuabin hoạt động.

Hình thức sản phẩm vẫn theo quy trình, và tài liệu vẫn theo hình thức. Thanh, phôi, và vật liệu rèn là đầu vào cho bộ phận gia công hoặc rèn. Bột là đầu vào cho đĩa hợp nhất. Dây và dải là đầu vào cho cụm hàn hoặc tạo hình. Tấm là đầu vào cho buồng đốt hoặc vỏ.

DLX cung cấp các siêu hợp kim gốc niken và coban tại Trường Châu, Giang Tô, dưới dạng dây từ 0,025 mm, thanh tròn đến 50 mm, dải từ 0,50 mm đến 2,5 mm độ dày, và ống và tấm với kích thước nhà máy tiêu chuẩn. Phạm vi bao gồm các loại làm cứng dung dịch rắn và kết tủa được sử dụng trong phần cứng hàng không vũ trụ và năng lượng, cùng với các kim loại phụ gia phù hợp để hàn.

Vật liệu được cung cấp theo đặc tả được đặt tên trên đơn đặt hàng, với chứng nhận EN 10204 3.1 theo yêu cầu và số lô nhiệt có thể truy xuất nguồn gốc đến kết quả thử nghiệm. Người mua đang chuyển một bộ phận sang một quy trình tạo hình mới thường sẽ cần hình thức đầu vào và chứng nhận của nó trước, vì việc chứng nhận quy trình bắt đầu từ vật liệu chứ không phải từ bộ phận hoàn chỉnh.

Các thành phần đã được phát triển trong nhiều thập kỷ và các loại được sử dụng rộng rãi đã trưởng thành. Hầu hết những lợi ích gần đây đến từ quy trình tạo hình, từ hình học làm mát và từ lớp phủ, và ba yếu tố này hoạt động như một hệ thống. Một cánh quạt đơn tinh thể với làm mát bằng màng và lớp phủ rào cản nhiệt hoạt động ở nhiệt độ mà chỉ hợp kim không thể chịu được.

Bởi vì các ranh giới hạt được loại bỏ khỏi đường dẫn tải. Trong cánh quạt đúc thông thường, các ranh giới chạy ngang qua mặt cắt chịu tải ly tâm, và chúng là đường dẫn yếu ở nhiệt độ cao. Đông đặc định hướng sắp xếp các ranh giới dọc theo tải, và đúc đơn tinh thể loại bỏ chúng hoàn toàn, do đó cơ chế biến dạng từ từ giới hạn đúc bị loại bỏ chứ không phải giảm đi.

Sự kết tủa ranh giới hạt trước, lỗ rỗng do nhiệt, và các bao thể phi kim loại. Cái đầu tiên là một mạng lưới kết tủa theo bề mặt hạt ban đầu, cái thứ hai là lỗ rỗng từ khí bị giữ trong bột nở ra ở nhiệt độ, và cái thứ ba là một bao thể rắn đến từ bột. Không có cái nào trong số chúng xuất hiện trên chứng nhận thành phần, và chúng được tìm thấy bằng kiểm tra siêu âm, cắt, và kiểm soát lô bột.

Trọng lượng vật liệu mua chia cho trọng lượng bộ phận hoàn chỉnh. Rèn và gia công thường ở mức khoảng 3:1 đến 10:1, và sản xuất bồi đắp ở mức khoảng 1:1 đến 3:1, đó là lý do tại sao quy trình bồi đắp hấp dẫn đối với bộ phận phức tạp chứ không phải bộ phận đơn giản. Tỷ lệ này là thước đo chi phí vật liệu, và nó không nói lên tuổi thọ mỏi của bộ phận.

Không, nó thay đổi những gì cần được chứng nhận. Một bộ phận được chế tạo có lịch sử nhiệt và cấu trúc phụ thuộc vào hướng, do đó bản vẽ phải nêu rõ hướng mà các đặc tính quan trọng, và cửa sổ quy trình phải được cố định. Tiết kiệm vật liệu là có thật và gánh nặng chứng nhận lớn hơn so với bộ phận rèn cùng hợp kim.

Bởi vì một báo giá cho quy trình đã được chứng nhận và một báo giá khác cho vật liệu. Giá hợp kim chỉ là một phần nhỏ của sự khác biệt. Phần còn lại là quy trình, kiểm tra, hồ sơ quy trình và năng suất, và một quy trình chưa được chứng nhận mang theo chi phí xuất hiện sau khi đặt hàng.

Sự đổi mới trong siêu hợp kim hàng không vũ trụ và năng lượng đã chuyển từ thành phần sang quy trình tạo hình. Đông đặc định hướng và đúc đơn tinh thể loại bỏ các ranh giới hạt giới hạn biến dạng từ từ. Luyện kim bột tạo ra cấu trúc đĩa mà đúc không đạt được, với giá là ba khuyết tật đến từ bột. Sản xuất bồi đắp thay đổi hình học có thể có và tỷ lệ kim loại mua được sử dụng cho bộ phận.

Mỗi quy trình mang đến một khuyết tật và một gánh nặng chứng nhận, và đặc tả mua hàng phải nêu rõ cả hai. Người mua chỉ định hợp kim và hình dạng đã chỉ định đầu vào. Người mua cũng chỉ định quy trình, chấp nhận khuyết tật và bằng chứng đã chỉ định bộ phận.

1. Các bài đánh giá đã xuất bản về siêu hợp kim đĩa gốc niken luyện kim bột, xác định sự kết tủa ranh giới hạt trước, lỗ rỗng do nhiệt và các bao thể phi kim loại là ba khuyết tật đặc trưng của quy trình.
2. Các nghiên cứu đã xuất bản về sự hình thành ranh giới hạt trước của bột trong siêu hợp kim gốc niken, mô tả mạng lưới kết tủa theo bề mặt hạt ban đầu sau khi hợp nhất.
3. Các công trình đã xuất bản về đông đặc định hướng cánh quạt tuabin đơn tinh thể, bao gồm hợp kim thế hệ thứ hai CMSX-4 được sử dụng trong cánh quạt tuabin khí từ những năm 1990, hợp kim thế hệ thứ ba Rene N5, và khuyết tật vệt đốm hình thành khi mặt trận đông đặc bị nhiễu loạn.
4. Các đánh giá đã xuất bản về đúc đơn tinh thể cho cánh quạt tuabin, mô tả việc loại bỏ các ranh giới hạt khỏi đường dẫn tải và lợi ích biến dạng từ từ tương ứng.
5. Bài đánh giá đã xuất bản về sản xuất bồi đắp kim loại trong ngành hàng không vũ trụ, báo cáo tỷ lệ mua trên bay khoảng 1:1 đến 3:1 cho các quy trình bồi đắp.
6. Các đánh giá ngành đã xuất bản về rèn và gia công, báo cáo tỷ lệ mua trên bay khoảng 3:1 đến 10:1, và comosit sợi carbon ở mức khoảng 1,5:1 làm đối chứng.
7. Đặc tả sản phẩm AMS và ASTM cho thanh, phôi, tấm, dải và dây siêu hợp kim gốc niken, là các tài liệu chi phối các hình thức đầu vào được đặt tên trong bảng.
8. EN 10204, tài liệu kiểm tra, để định nghĩa chứng nhận 3.1 là một tài liệu mang kết quả thử nghiệm thực tế và được xác nhận bởi đại diện kiểm tra độc lập của nhà sản xuất.

Các quy trình và cơ chế khuyết tật trên mô tả hành vi chung của các quy trình được đặt tên, và chúng không phải là tuyên bố rằng một nhà cung cấp cụ thể được chứng nhận cho một bộ phận cụ thể. Tỷ lệ mua trên bay thay đổi theo hình dạng của bộ phận và theo lượng dung sai gia công, do đó phạm vi được trích dẫn là các giá trị điển hình chứ không phải mục tiêu thiết kế. Các đặc tính của bộ phận được chế tạo hoặc đúc phụ thuộc vào lịch sử nhiệt cục bộ và định hướng của mẫu thử, do đó giá trị từ thanh thử không mô tả mọi vị trí trong bộ phận. Yêu cầu chứng nhận cho phần cứng bay được đặt ra bởi nhà sản xuất khung máy bay hoặc động cơ và bởi cơ quan quản lý hàng không áp dụng, và không có gì trong trang này cấu thành chứng nhận. Đặc tả sản phẩm được sửa đổi, và phiên bản được đặt tên trên đơn đặt hàng sẽ có hiệu lực. Không có gì trong trang này thay thế cho việc phát hành kỹ thuật hoặc cho thử nghiệm chứng nhận đã thỏa thuận giữa người mua và nhà cung cấp.