Jak superstopy napędzają innowacje w sektorze lotniczym i energetycznym

Stopy niklu, które stanowią podstawę nowoczesnych silników, są starsze niż większość ludzi przypuszcza. Nadstopy niklu w sekcji turbiny były rozwijane przez dziesięciolecia, a nazwy pojawiające się dziś na rysunkach zostały w dużej mierze ustalone przed metodami produkcji, które obecnie dominują w branży. Zmieniło się to, w jaki sposób te stopy są przetwarzane na części, a właśnie ta zmiana jest źródłem większości ostatnich ulepszeń.

Trzy ścieżki formowania odpowiadają za tę zmianę. Kierunkowe zestalanie i odlewanie monokrystaliczne pozwalają na wykonanie łopatki bez granic ziaren, które ograniczają pełzanie. Metalurgia proszków pozwala na wykonanie tarczy o drobnej i jednorodnej strukturze, której nie można osiągnąć w odlewie. Produkcja addytywna pozwala na budowanie kształtu warstwa po warstwie, co zmienia zarówno możliwą geometrię, jak i ilość marnowanego metalu.

Każda ścieżka rozwiązuje problem i każda wprowadza defekt, którego wcześniej nie było. Takie jest uczciwe opisanie innowacji w tej branży i dlatego specyfikacja zakupu części z nadstopu musi teraz opisywać proces, a nie tylko skład.

Tabela przedstawia ścieżki według tego, co umożliwiają i ile kosztują. Stop w każdej kolumnie może być podobny, a wynikowa część – nie.

Ścieżka kryształu pojedynczego jest najjaśniejszym przykładem procesu, który zmienił materiał bez zmiany jego nazwy. Łopatka odlana jako kryształ pojedynczy nie ma granic ziaren w przekroju przenoszącym obciążenie odśrodkowe, więc mechanizm pełzania ograniczający odlew równoosiowy jest usunięty, a nie zredukowany. Nadstopy kryształu pojedynczego drugiej generacji, takie jak CMSX-4, weszły do służby w łopatkach turbin gazowych w latach 90., a stopy trzeciej generacji, takie jak Rene N5, pojawiły się później dla najgorętszych pozycji, a wybór między nimi był podyktowany możliwościami temperaturowymi i kompatybilnością powłok, a nie dostępnością.

Kupujący, który zakwalifikował nadstop na podstawie składu, zakwalifikował metal, a nie część. Każda ścieżka formowania ma charakterystyczną wadę, której skład nie opisuje, a każda wada wymaga własnej inspekcji.

Rząd metalurgii proszków jest tym, który zaskakuje kupujących nowych w dziedzinie tarcz. Trzy wady są wielokrotnie wymieniane w literaturze technicznej dla niklowych tarcz proszkowych: wytrącanie na granicach poprzednich cząstek, pory termicznie indukowane i wtrącenia niemetaliczne. Pierwsza to sieć wydzieleń, która podąża za powierzchniami oryginalnych cząstek proszku i powstaje, gdy powierzchnia proszku zawiera tlen lub węgiel, które reagują podczas konsolidacji. Druga to porowatość, która pojawia się, gdy gaz uwięziony w proszku rozszerza się podczas wysokotemperaturowego przejścia. Trzecia to stałe wtrącenie, które dotarło z proszkiem i którego żadne obróbka cieplna nie usunie.

Żadna z tych trzech wad nie może być wykryta przez certyfikat składu. Są one wykrywane przez inspekcję ultradźwiękową, cięcie i kontrolę partii proszku, dlatego specyfikacja tarczy wymienia źródło proszku i ścieżkę konsolidacji, a nie tylko stop.

Część z nadstopu jest droga częściowo dlatego, że większość kupionego metalu nie trafia do samolotu. Miara to stosunek zakupu do lotu, czyli waga zakupionego materiału podzielona przez wagę gotowego komponentu, i różni się o rząd wielkości między ścieżkami.

Stosunek ten wyjaśnia, dlaczego produkcja addytywna weszła do przemysłu lotniczego dla części o złożonej geometrii, a nie dla części po prostu dużych. Dysza paliwowa z wewnętrznymi kanałami nie może być obrabiana z odkuwki bez łączenia kilku elementów, a wykładzina z gęstym układem cech chłodzących jest trudna do wyprodukowania w inny sposób. Tam, gdzie geometria jest prosta, odkuwka pozostaje tańsza, a argument stosunku znika.

Stosunek ten wyjaśnia również ograniczenie. Część budowana przez dodawanie materiału ma inną historię termiczną niż odkuwka, a właściwości w kierunku budowy różnią się od właściwości w kierunku poprzecznym. Oszczędność materiału jest realna, a anizotropia jest realna, a rysunek musi określać kierunek, w którym właściwości mają znaczenie.

Przejście od zakupu materiału do zakupu procesu jest praktyczną konsekwencją wszystkiego powyższego. Kupujący, który kiedyś określał stop i formę, teraz określa stop, ścieżkę formowania, poziom akceptacji wad i zapis kwalifikacyjny.

Dlatego dwie wyceny tego samego stopu mogą się różnić o czynnik, którego cena metalu nie wyjaśnia. Jeden dostawca wycenia ścieżkę, którą zakwalifikował, a drugi wycenia ścieżkę, którą zamierza zakwalifikować na zamówienie kupującego.

Turbiny gazowe naziemne wykorzystują te same trzy ścieżki formowania i stosują inną logikę akceptacji. Łopatka dużej maszyny ramowej to odlew monokrystaliczny lub kierunkowo zestalany, a żywotność pełzania w temperaturze spalania jest decydującą właściwością. Tarcza to część wykonana metodą metalurgii proszków, a inspekcja jest ukierunkowana na trzy wady proszkowe, a nie na wady odlewnicze. Komora spalania lub element przejściowy to coraz częściej część addytywna, a akceptacja opiera się na zmęczeniu termicznym cienkiej ścianki, a nie na teście rozciągania.

Wspólnym wątkiem jest to, że temperatura w sekcji gorącej wzrosła dzięki poprawie procesu i geometrii chłodzenia, a nie dzięki znalezieniu nowego metalu bazowego. Łopatka monokrystaliczna z chłodzeniem filmowym i powłoką barierową termicznie jest systemem, a stop jest jednym z jego elementów. Strona przypisująca zasługi tylko stopowi opisała jedną trzecią powodu, dla którego turbina działa.

Forma produktu nadal podąża za ścieżką, a dokument za formą. Pręt, wlewka i materiał do kucia to wejście do części obrabianej lub kutej. Proszek to wejście do skonsolidowanej tarczy. Drut i taśma to wejście do zespawanej lub uformowanej konstrukcji. Płyta to wejście do komory spalania lub obudowy.

DLX dostarcza nadstopy niklu i kobaltu w Changzhou, Jiangsu, w postaci drutu od 0,025 mm, pręta okrągłego do 50 mm, taśmy o grubości od 0,50 mm do 2,5 mm, a także rur i płyt w standardowych rozmiarach młynarskich. Zakres obejmuje gatunki z roztworem stałym i utwardzaniem wydzieleniowym stosowane w sprzęcie lotniczym i energetycznym, wraz z pasującymi spoiwami do spawania.

Materiał jest dostarczany zgodnie ze specyfikacją podaną w zamówieniu, z certyfikatem EN 10204 3.1 na życzenie i numerem partii, który można prześledzić do wyników testów. Kupujący, który przenosi część na nową ścieżkę formowania, zazwyczaj potrzebuje najpierw formy wejściowej i jej certyfikatu, ponieważ kwalifikacja ścieżki rozpoczyna się od materiału, a nie od gotowej części.

Składy były rozwijane przez dziesięciolecia, a szeroko stosowane gatunki są dojrzałe. Większość ostatnich zysków pochodzi ze ścieżki formowania, geometrii chłodzenia i powłok, a te trzy elementy działają jako system. Łopatka monokrystaliczna z chłodzeniem filmowym i powłoką barierową termicznie działa w temperaturze, której sam stop by nie przetrwał.

Ponieważ granice ziaren są usunięte ze ścieżki obciążenia. W konwencjonalnie odlanej łopatce granice biegną przez przekrój przenoszący obciążenie odśrodkowe i są one słabym punktem w wysokiej temperaturze. Kierunkowe zestalanie wyrównuje granice wzdłuż obciążenia, a odlewanie monokrystaliczne całkowicie je usuwa, więc mechanizm pełzania ograniczający odlew jest wyeliminowany, a nie zredukowany.

Wytrącanie na granicach poprzednich cząstek, pory termicznie indukowane i wtrącenia niemetaliczne. Pierwsza to sieć wydzieleń, która podąża za oryginalnymi powierzchniami proszku, druga to pory z gazu uwięzionego w proszku, który rozszerza się w wysokiej temperaturze, a trzecia to stałe wtrącenie, które dotarło z proszkiem. Żadna z nich nie pojawia się na certyfikacie składu i są one wykrywane przez inspekcję ultradźwiękową, cięcie i kontrolę partii proszku.

Waga zakupionego materiału podzielona przez wagę gotowej części. Kucie i obróbka skrawaniem zazwyczaj mieszczą się w przedziale od 3:1 do 10:1, a produkcja addytywna od 1:1 do 3:1, dlatego ścieżka addytywna jest atrakcyjna dla złożonej części, a nie dla prostej. Stosunek ten jest miarą kosztów materiałowych i nic nie mówi o żywotności zmęczeniowej części.

Nie, zmienia to, co musi być zakwalifikowane. Zbudowana część ma historię termiczną i strukturę zależną od kierunku, więc rysunek musi określać orientację, w której właściwości mają znaczenie, a okno procesu musi być ustalone. Oszczędność materiału jest realna, a obciążenie kwalifikacyjne jest większe niż w przypadku odkuwki z tego samego stopu.

Ponieważ jedna wycenia kwalifikowany proces, a druga materiał. Cena stopu stanowi niewielką część różnicy. Reszta to ścieżka, inspekcja, zapisy procesu i wydajność, a ścieżka, która nie została zakwalifikowana, niesie ze sobą koszt, który pojawia się po zamówieniu.

Innowacje w nadstopach lotniczych i energetycznych przeniosły się ze składu na ścieżkę formowania. Kierunkowe zestalanie i odlewanie monokrystaliczne usuwają granice ziaren, które ograniczają pełzanie. Metalurgia proszków produkuje strukturę tarczy, której nie można osiągnąć w odlewie, kosztem trzech wad wynikających z proszku. Produkcja addytywna zmienia możliwą geometrię i ułamek zakupionego metalu, który trafia do części.

Każda ścieżka przynosi wadę i obciążenie kwalifikacyjne, a specyfikacja zakupu musi je obie nazwać. Kupujący, który określa stop i formę, określił wejście. Kupujący, który dodatkowo określa ścieżkę, akceptację wad i dowody, określił część.

1. Opublikowane przeglądy nadstopów niklowych do tarcz wykonanych metodą metalurgii proszków, identyfikujące wytrącanie na granicach poprzednich cząstek, pory termicznie indukowane i wtrącenia niemetaliczne jako trzy charakterystyczne wady tej ścieżki.
2. Opublikowane badania nad tworzeniem granic poprzednich cząstek w nadstopach niklowych, opisujące sieć wydzieleń, która podąża za oryginalnymi powierzchniami cząstek po konsolidacji.
3. Opublikowane prace nad kierunkowym zestalaniem monokrystalicznych łopatek turbin, w tym nadstopem drugiej generacji CMSX-4 stosowanym w łopatkach turbin gazowych od lat 90., nadstopem trzeciej generacji Rene N5 oraz defektem plamek, który powstaje, gdy front zestalania jest zaburzony.
4. Opublikowane oceny odlewania monokrystalicznego łopatek turbin, opisujące usunięcie granic ziaren ze ścieżki obciążenia i wynikające z tego korzyści w zakresie pełzania.
5. Opublikowany przegląd addytywnej produkcji metali w przemyśle lotniczym, podający stosunki zakupu do lotu od około 1:1 do 3:1 dla ścieżek addytywnych.
6. Opublikowane oceny przemysłowe kucia i obróbki skrawaniem, podające stosunki zakupu do lotu od około 3:1 do 10:1, oraz kompozytu z włókna węglowego w około 1,5:1 jako porównanie.
7. Specyfikacje produktów AMS i ASTM dla prętów, wlewek, płyt, blach i drutów z nadstopów niklowych, jako dokumenty regulujące formy wejściowe wymienione w tabeli.
8. EN 10204, dokumenty inspekcyjne, dla definicji certyfikatu 3.1 jako dokumentu zawierającego rzeczywiste wyniki testów i zatwierdzonego przez niezależnego przedstawiciela inspekcji producenta.

Ścieżki i mechanizmy wad opisane powyżej opisują ogólne zachowanie nazwanych procesów i nie stanowią stwierdzenia, że konkretny dostawca jest zakwalifikowany do konkretnej części. Stosunki zakupu do lotu różnią się w zależności od geometrii komponentu i ilości naddatku obróbczego, więc podane zakresy są typowymi wartościami, a nie celami projektowymi. Właściwości zbudowanej lub odlanej części zależą od lokalnej historii termicznej i orientacji próbki testowej, więc wartość z próbki testowej nie opisuje każdego miejsca w części. Wymagania kwalifikacyjne dla sprzętu latającego są ustalane przez producenta płatowca lub silnika oraz przez właściwy organ ds. zdatności do lotu, a nic na tej stronie nie stanowi kwalifikacji. Specyfikacje produktów są aktualizowane, a wydanie wymienione w zamówieniu ma pierwszeństwo. Nic na tej stronie nie zastępuje wydania inżynieryjnego ani testów kwalifikacyjnych uzgodnionych między kupującym a dostawcą.