Как суперсплавы способствуют инновациям в аэрокосмическом и энергетическом секторах

Сплавы, из которых изготавливаются современные двигатели, старше, чем многие думают. Никелевые суперсплавы в турбинной части разрабатывались десятилетиями, и названия, которые сегодня появляются на чертежах, в основном были установлены до того, как появились производственные методы, доминирующие в отрасли. Изменилось то, как эти сплавы превращаются в детали, и именно в этом изменении кроется большинство недавних улучшений.

Три производственных маршрута объясняют этот сдвиг. Направленная кристаллизация и литье монокристаллов позволяют изготавливать лопатку без границ зерен, ограничивающих ползучесть. Порошковая металлургия позволяет изготавливать диск с мелкой и однородной структурой, которую литье достичь не может. Аддитивное производство позволяет создавать форму слой за слоем, что меняет как возможную геометрию, так и количество отходов металла.

Каждый маршрут решает проблему и каждый вносит дефект, которого раньше не существовало. Таково честное описание инноваций в этой отрасли, и именно поэтому спецификация на покупку детали из суперсплава теперь должна описывать процесс, а не только состав.

Таблица располагает маршруты в зависимости от того, что они позволяют и сколько стоят. Сплав в каждом столбце может быть похожим, а получаемая деталь — нет.

Монокристаллический маршрут является наиболее ярким примером процесса, который изменил материал, не изменив его названия. Лопатка, отлитая как монокристалл, не имеет границ зерен по сечению, несущему центробежную нагрузку, поэтому механизм ползучести, ограничивающий равноосное литье, удаляется, а не уменьшается. Монокристаллические сплавы второго поколения, такие как CMSX-4, поступили в эксплуатацию в газотурбинных лопатках в 1990-х годах, а сплавы третьего поколения, такие как Rene N5, последовали за ними для самых горячих позиций, причем выбор между ними определялся температурной стойкостью и совместимостью с покрытиями, а не доступностью.

Покупатель, который квалифицировал суперсплав по составу, квалифицировал металл, а не деталь. Каждый производственный маршрут имеет характерный дефект, который не описывается составом, и каждый дефект требует собственной инспекции.

Строка порошковой металлургии удивляет покупателей, впервые сталкивающихся с дисками. Три дефекта неоднократно упоминаются в технической литературе для никелевых порошковых дисков: осаждение на границах предыдущих частиц, термически индуцированная пористость и неметаллические включения. Первый — это сеть осадков, которая следует по поверхностям исходных частиц порошка и образуется, когда поверхность порошка несет кислород или углерод, которые реагируют во время консолидации. Второй — это пористость, которая появляется, когда газ, захваченный в порошке, расширяется при высокотемпературном воздействии. Третий — это твердое включение, которое попало с порошком и которое не может быть удалено никакой термической обработкой.

Ни один из этих трех дефектов не может быть обнаружен сертификатом состава. Они обнаруживаются ультразвуковым контролем, сечением и контролем партии порошка, поэтому спецификация на диск указывает источник порошка и маршрут консолидации, а не только сплав.

Деталь из суперсплава дорога отчасти потому, что большая часть купленного металла не попадает в самолет. Показатель — это соотношение покупки к полету, вес приобретенного материала, деленный на вес готового компонента, и он отличается на порядок величины между маршрутами.

Соотношение объясняет, почему аддитивное производство вошло в аэрокосмическую отрасль для деталей, которые геометрически сложны, а не для деталей, которые просто велики. Топливную форсунку с внутренними каналами нельзя обработать из поковки без соединения нескольких частей, а вкладыш с плотным массивом охлаждающих элементов трудно произвести каким-либо другим способом. Там, где геометрия проста, поковка остается дешевле, и аргумент соотношения исчезает.

Соотношение также объясняет ограничение. Деталь, созданная путем добавления материала, имеет другую термическую историю, чем поковка, и свойства в направлении сборки отличаются от свойств в поперечном направлении. Экономия материала реальна, а анизотропия реальна, и чертеж должен указывать направление, в котором важны свойства.

Переход от покупки материала к покупке процесса является практическим следствием всего вышеизложенного. Покупатель, который раньше указывал сплав и форму, теперь указывает сплав, производственный маршрут, уровень приемки дефектов и запись о квалификации.

Вот почему две котировки на один и тот же сплав могут отличаться в разы, что не объясняется ценой металла. Один поставщик цитирует квалифицированный им маршрут, а другой — маршрут, который он намерен квалифицировать по заказу покупателя.

Наземные газовые турбины используют те же три производственных маршрута и применяют различную логику приемки. Лопатка для большой рамочной машины — это монокристаллическая или направленно кристаллизованная отливка, а срок службы при ползучести при температуре сгорания является определяющим свойством. Диск — это деталь из порошковой металлургии, и инспекция направлена на три порошковых дефекта, а не на литейные дефекты. Камера сгорания или переходная деталь все чаще является аддитивной деталью, и приемка строится вокруг термической усталости тонкой стенки, а не вокруг испытания на растяжение.

Общая нить заключается в том, что температура в горячей секции повысилась за счет улучшения процесса и геометрии охлаждения вместе, а не за счет поиска нового основного металла. Монокристаллическая лопатка с пленочным охлаждением и термобарьерным покрытием — это система, а сплав — один из ее элементов. Страница, которая приписывает заслугу только сплаву, описала треть причины работы турбины.

Форма продукта по-прежнему следует за маршрутом, а документ — за формой. Пруток, заготовка и поковка являются входными данными для обработанной или кованой детали. Порошок — это входные данные для консолидированного диска. Проволока и лента — это входные данные для сварного или формованного узла. Лист — это входные данные для камеры сгорания или корпуса.

DLX поставляет никелевые и кобальтовые суперсплавы в Чанчжоу, Цзянсу, в виде проволоки от 0,025 мм, круглого прутка до 50 мм, ленты толщиной от 0,50 мм до 2,5 мм, а также трубы и листы стандартных заводских размеров. Ассортимент охватывает твердорастворные и дисперсионно-упрочняемые марки, используемые в аэрокосмическом и энергетическом оборудовании, а также соответствующие присадочные материалы для сварки.

Материал поставляется в соответствии со спецификацией, указанной в заказе, с сертификатом EN 10204 3.1 по запросу и номером плавки, прослеживаемым до результатов испытаний. Покупателю, который переводит деталь на новый производственный маршрут, обычно сначала требуется входная форма и ее сертификат, поскольку квалификация маршрута начинается с материала, а не с готовой детали.

Составы разрабатывались десятилетиями, и широко используемые марки зрелые. Большая часть недавнего прироста пришлась на производственный маршрут, геометрию охлаждения и покрытия, и эти три элемента работают как система. Монокристаллическая лопатка с пленочным охлаждением и термобарьерным покрытием работает при температуре, которую один сплав не выдержал бы.

Потому что границы зерен удалены из пути нагрузки. В лопатке, отлитой традиционным способом, границы проходят поперек сечения, несущего центробежную нагрузку, и являются слабым местом при высокой температуре. Направленная кристаллизация выравнивает границы вдоль нагрузки, а литье монокристаллов полностью их удаляет, поэтому механизм ползучести, ограничивающий литье, устраняется, а не уменьшается.

Осаждение на границах предыдущих частиц, термически индуцированная пористость и неметаллические включения. Первый — это сеть осадков, которая следует по поверхностям исходных частиц, второй — пористость от газа, захваченного в порошке, который расширяется при высокой температуре, а третий — твердое включение, которое попало с порошком. Ни один из них не отображается в сертификате состава, и они обнаруживаются ультразвуковым контролем, сечением и контролем партии порошка.

Вес приобретенного материала, деленный на вес готовой детали. Ковка и механическая обработка обычно составляют от 3:1 до 10:1, а аддитивное производство — от 1:1 до 3:1, поэтому аддитивный маршрут привлекателен для сложной детали, а не для простой. Соотношение — это мера стоимости материала, и оно ничего не говорит о сроке службы детали при усталости.

Нет, оно меняет то, что должно быть квалифицировано. Собранная деталь имеет термическую историю и зависящую от направления структуру, поэтому чертеж должен указывать ориентацию, в которой важны свойства, а технологическое окно должно быть фиксированным. Экономия материала реальна, а бремя квалификации больше, чем для поковки из того же сплава.

Потому что одна цитирует квалифицированный процесс, а другая — материал. Цена сплава составляет малую часть разницы. Остальное — это маршрут, инспекция, записи о процессе и выход, а маршрут, который не был квалифицирован, несет в себе затраты, которые появляются после заказа.

Инновации в аэрокосмических и энергетических суперсплавах переместились от состава к производственному маршруту. Направленная кристаллизация и литье монокристаллов удаляют границы зерен, ограничивающие ползучесть. Порошковая металлургия производит структуру диска, которую литье не может достичь, ценой трех дефектов, возникающих из порошка. Аддитивное производство меняет возможную геометрию и долю купленного металла, которая попадает в деталь.

Каждый маршрут несет дефект и бремя квалификации, и спецификация на покупку должна указывать оба. Покупатель, который указывает сплав и форму, указал входные данные. Покупатель, который также указывает маршрут, приемку дефектов и доказательства, указал деталь.

1. Опубликованные обзоры никелевых порошковых суперсплавов для дисков, в которых указаны осаждение на границах предыдущих частиц, термически индуцированная пористость и неметаллические включения как три характерных дефекта маршрута.
2. Опубликованные исследования образования границ предыдущих частиц в никелевых суперсплавах, описывающие сеть осадков, которая следует по поверхностям исходных частиц после консолидации.
3. Опубликованные работы по направленной кристаллизации монокристаллических турбинных лопаток, включая сплав второго поколения CMSX-4, используемый в газотурбинных лопатках с 1990-х годов, сплав третьего поколения Rene N5 и дефект пятен, который образуется при нарушении фронта кристаллизации.
4. Опубликованные оценки монокристаллического литья для турбинных лопаток, описывающие удаление границ зерен из пути нагрузки и связанное с этим преимущество по ползучести.
5. Опубликованный обзор аддитивного производства металлов в аэрокосмической отрасли, сообщающий о соотношении покупки к полету от 1:1 до 3:1 для аддитивных маршрутов.
6. Опубликованные отраслевые оценки ковки и механической обработки, сообщающие о соотношении покупки к полету от 3:1 до 10:1, и углепластика при 1,5:1 в качестве сравнения.
7. Спецификации продукции AMS и ASTM для прутка, заготовки, листа, полосы и проволоки из никелевых суперсплавов, как документы, регулирующие входные формы, указанные в таблице.
8. EN 10204, инспекционные документы, для определения сертификата 3.1 как документа, содержащего фактические результаты испытаний и заверенного независимым представителем инспекции производителя.

Вышеуказанные маршруты и механизмы дефектов описывают общее поведение названных процессов и не являются заявлением о том, что конкретный поставщик квалифицирован для конкретной детали. Соотношения покупки к полету варьируются в зависимости от геометрии компонента и объема припусков на механическую обработку, поэтому приведенные диапазоны являются типичными значениями, а не целевыми показателями проектирования. Свойства собранной или литой детали зависят от локальной термической истории и ориентации испытательного образца, поэтому значение из испытательного стержня не описывает каждое местоположение в детали. Требования к квалификации летного оборудования устанавливаются производителем планера или двигателя и применимым органом по летной годности, и ничто в этой странице не является квалификацией. Спецификации продукции пересматриваются, и издание, указанное в заказе, имеет преимущественную силу. Ничто в этой странице не является заменой инженерного разрешения или квалификационных испытаний, согласованных между покупателем и поставщиком.