Hemm problema fundamentali fil-qalba tal-magni bil-ġett moderni:

Ix-xfafar tat-turbini huma esposti għal temperaturi ogħla mill-punt tat-tidwib tal-materjal li huma magħmula minnu.

Superligi bbażati fuq-nikil huma fost l-aktar materjali strutturali reżistenti għas-sħana-disponibbli llum. Madankollu anke dawn il-ligi jiddewweb bejn wieħed u ieħor 1,300 grad jew ftit 'il fuq.

Il-gass li jħalli l-kamra tal-kombustjoni ta 'magna moderna, madankollu, jista' jaqbeż l-1,500 grad.

Allura għaliex ix-xafra tat-turbina sempliċement idub?

It-tweġiba hija sorprendentement sempliċi:

Huwa vojt.

Ġewwa xafra ta 'turbina moderna hemm netwerk ta' inġinerija għolja ta 'passaġġi interni ta' tkessiħ. L-arja li tkessaħ tidħol mill-għerq tax-xafra, tivvjaġġa minn dawn il-passaġġi, tassorbi s-sħana mill-metall, u eventwalment toħroġ minn mijiet ta 'toqob żgħar fil-wiċċ tax-xafra.

L-arja li toħroġ tifforma saff protettiv irqiq bejn ix-xafra u l-gass sħun tal-madwar.

Fil-fatt, ix-xafra qed tkessaħ lilha nnifisha kontinwament waqt li topera ġewwa ambjent sħun biżżejjed biex idub.

Imma dan joħloq problema oħra.

Kif timmanifattura komponent tal-metall li fih passaġġi tat-tkessiħ li huma mgħawġa, ramifikati, estremament irqaq, u kważi impossibbli li tilħaq għodda tal-qtugħ konvenzjonali?

Inti ma magna minnhom.

Inti mitfugħhom madwar biċċa taċ-ċeramika.

Dak il-komponent taċ-ċeramika jissejjaħ aqalba taċ-ċeramika.

Jista 'qatt jidher fil-magna lesta. Jista' jinħall kompletament u jitneħħa qabel ma x-xafra qatt tidħol fis-servizz.

Madankollu mingħajrha, ħafna mill-xfafar tat-turbini vojta minn ġewwa l-aktar avvanzati jkunu estremament diffiċli - u f'xi każijiet impossibbli - biex jiġu manifatturati.

Għaliex ix-xfafar tat-turbini għandhom jitkessħu

It-temperatura fuq quddiem tat-turbina hija waħda mill-fatturi ewlenin li jirregolaw il-prestazzjoni u l-effiċjenza termali ta' magna tat-turbina tal-gass-.

B'mod ġenerali, iż-żieda fit-temperatura tad-daħla tat-turbina tippermetti li magna tiġbed aktar enerġija utli mill-proċess tal-kombustjoni.

Iżda hemm limitu ta 'materjali iebsa.

L-iżvilupp sempliċi ta 'liga b'punt ta' tidwib saħansitra ogħla mhuwiex biżżejjed. Materjali moderni tat-turbini diġà joperaw qrib il-limiti ta 'dak li jistgħu jittolleraw il-mikrostrutturi tagħhom.

Is-soluzzjoni mhix li tagħmel il-metall jgħix it-temperatura sħiħa tal-gass.

Is-soluzzjoni hija liżomm il-metall innifsu b'mod sinifikanti aktar frisk mill-gass tal-madwar.

Dan huwa fejn jidħol it-tkessiħ tat-turbini.

L-arja tat-tkessiħ tiġi fsada mill-kompressur u mgħoddija minn passaġġi ġewwa x-xafra tat-turbina.

Hekk kif tgħaddi mill-kanali interni, tneħħi s-sħana mix-xafra.

L-arja mbagħad tiġi skarikata minn toqob pożizzjonati b'mod preċiż fuq il-wiċċ tax-xafra.

Dan huwa magħruf bħalatkessiħ tal-film.

L-arja li tkessaħ tinfirex fuq il-wiċċ u toħloq saff irqiq bejn il-metall u l-gassijiet tal-kombustjoni sħan.

Ir-riżultat huwa trick ta 'inġinerija notevoli:

Il-gass tal-madwar jista 'jkun aktar sħun mill-punt tat-tidwib tal-liga, filwaqt li t-temperatura attwali tal-metall tibqa' taħt il-limitu ta 'temperatura kritika tagħha.

Iżda t-tfassil ta 'sistema ta' tkessiħ bħal din hija biss nofs il-problema.

In-nofs l-ieħor qed jimmanifatturah.

Il-Problema tal-Manifattura: Kif Tagħmel l-Impossibbli-li-Magnina?

Il-passaġġi tat-tkessiħ ġewwa xafra tat-turbina avvanzata mhumiex toqob imtaqqbin sempliċi.

Jistgħu jkun fihom:

passaġġi mgħawġa,

fergħat multipli,

kanali serpentine,

ħitan irqaq,

kustilji interni,

strutturi ta' impatt,

u ħwienet tat-tkessiħ pożizzjonati b'mod preċiż.

Xi passaġġi huma tant żgħar u ġeometrikament kumplessi li t-tħaffir jew it-tħin konvenzjonali sempliċement ma jistgħux jilħquhom.

Anke tekniki avvanzati tal-magni għandhom limitazzjonijiet fundamentali meta l-għodda fiżikament ma tistax taċċessa l-ġeometrija meħtieġa.

Ikkastjar ta 'investiment jipprovdi soluzzjoni.

Minflok ma tipprova tneħħi materjal biex toħloq il-passaġġi interni, il-manifatturijibnu l-passaġġi fil-ikkastjar mill-bidu.

U ċ-ċavetta biex tagħmel dan hija l-qalba taċ-ċeramika.

Aħseb fil-qalba taċ-ċeramika bħala moffa tridimensjonali temporanja għal ġewwa tax-xafra tat-turbina.

Il-metall eventwalment isir ix-xafra.

Iċ-ċeramika tokkupa temporanjament l-ispazju li se jsir il-passaġġi tat-tkessiħ.

Ladarba l-metall ikun solidifikat, iċ-ċeramika titneħħa.

Dak li jibqa 'lura huwa n-netwerk intern tat-tkessiħ.

Iċ-Ċiklu tal-Ħajja ta 'qalba taċ-ċeramika

Il-qalba taċ-ċeramika hija essenzjalment komponent li jintremew b'xogħol impenjattiv ħafna.

1. Nagħmlu l-Qalba

Il-manifattura tibda b'formulazzjoni taċ-ċeramika kkontrollata bir-reqqa.

Skont ir-rotta tal-applikazzjoni u tal-produzzjoni, it-trab taċ-ċeramika jistgħu jiġu ffurmati bl-użu ta 'proċessi bħall-iffurmar tal-injezzjoni, l-ikkastjar tal-ġel, jew il-manifattura tal-addittivi taċ-ċeramika.

Il-korp aħdar li jirriżulta jirriproduċi l-ġeometrija kumplessa tas-sistema interna tat-tkessiħ tax-xafra.

Imbagħad jitnixxef, jitneħħa fejn meħtieġ, u sinterizzat f'temperatura elevata.

Il-qalba taċ-ċeramika finali għandu jkollha biżżejjed saħħa u stabbiltà dimensjonali biex tgħix dak kollu li ġej.

U l-eżattezza dimensjonali hija importanti ħafna.

Żball żgħir fil-qalba jsir żball żgħir fil-passaġġ tat-tkessiħ.

F'xafra ta 'turbina ottimizzata ħafna, li tista' taffettwa l-prestazzjoni tat-tkessiħ, it-temperatura lokali tal-metall, u fl-aħħar mill-aħħar il-ħajja tax-xafra.

2. Bini tal-Mudell tax-Xemgħa

Il-qalba taċ-ċeramika lest hija pożizzjonata ġewwa die.

Ix-xama' mbagħad tiġi injettata madwar il-qalba.

Ladarba x-xama' tissolidifika, ir-riżultat huwa mudell tax-xama' li jirrappreżenta l-ġeometrija esterna tax-xafra tat-turbina, bil-qalba taċ-ċeramika inkorporata ġewwa fiha.

F'dan il-punt, il-passaġġi tat-tkessiħ futuri diġà jeżistu - iżda għadhom okkupati miċ-ċeramika.

3. Bini tal-Investiment-Casting Shell

Il-mudell tax-xama huwa ripetutament mgħaddas f'demel likwidu taċ-ċeramika u miksi b'materjal refrattorju.

Saff b'saff, qoxra taċ-ċeramika b'saħħitha hija mibnija madwar il-mudell tax-xama '.

Ladarba l-qoxra tilħaq il-ħxuna u s-saħħa meħtieġa, ix-xama 'titneħħa, tipikament bl-użu tal-fwar jew tisħin ikkontrollat.

Ix-xama' toħroġ.

Il-qalba taċ-ċeramika tibqa 'ġewwa.

Ir-riżultat huwa moffa tal-ikkastjar tal-investiment-li fiha żewġ strutturi kritiċi taċ-ċeramika:

qoxra ta 'barra li tiddefinixxi l-forma esterna tax-xafra, u qalba interna taċ-ċeramika li tiddefinixxi l-passaġġi tat-tkessiħ tagħha.

4. Tidwib tas-Superalloy

Il-moffa hija msaħħna minn qabel u trasferita għal ambjent ta 'ikkastjar ikkontrollat.

Superliga bbażata fuq-nikil hija mdewba u mferra fil-moffa taħt kundizzjonijiet ikkontrollati sewwa, ħafna drabi taħt vakwu jew atmosfera inerta.

Il-metall imdewweb jimla l-ispazju madwar il-qalba taċ-ċeramika.

Hekk kif il-liga tissolidifika, tieħu l-forma tax-xafra filwaqt li tippreserva l-ġeometrija tal-qalba interna.

Għal xfafar tat-turbini avvanzati, il-proċess ta 'solidifikazzjoni innifsu jista' jkun sofistikat ħafna, inkluż solidifikazzjoni direzzjonali u, għal xi applikazzjonijiet, tkabbir ta' kristall wieħed-.

Fl-aħħar tal-proċess, ix-xafra tal-metall teżisti.

Iżda l-qalba taċ-ċeramika għadha maqbuda ġewwa fiha.

5. It-tneħħija tal-qalba

Issa ġejja l-parti li tagħmel it-teknoloġija tal-qalba taċ-ċeramika-tant mhux tas-soltu.

Il-qalba trid tibqa' ħaj mill-proċess tal-ikkastjar - u mbagħad tisparixxi b'mod effettiv.

Skont is-sistema tal-qalba u l-applikazzjoni tal-liga, il-lissija kimika tintuża biex tneħħi ċ-ċeramika.

Soluzzjonijiet alkalini jattakkaw iċ-ċeramika u jkissruha gradwalment.

Il-partiċelli li jifdal huma mlaħalħa mill-istess passaġġi dojoq li ħoloq il-qalba.

L-għan huwa sempliċi:

Ħalli l-metall intatt. Ħalli l-passaġġi tat-tkessiħ miftuħa. Tħalli essenzjalment l-ebda ċeramika lura.

Il-qalba lestiet ix-xogħol tagħha.

U marret.

Materjal Iddisinjat Madwar Kontradizzjoni

Dan huwa dak li jagħmel l-iżvilupp tal-qalba taċ-ċeramika-tant diffiċli.

Il-materjal irid jissodisfa żewġ rekwiżiti li jidhru li jaħdmu kontra xulxin.

Matul l-ikkastjar: għandu jkun estremament stabbli.

Il-qalba hija esposta għal superalloy imdewweb f'temperaturi madwar 1,500 grad.

Għandu jirreżisti:

qsim,

deformazzjoni,

erożjoni,

creep,

u bidla dimensjonali.

Jekk il-qalba tiċċaqlaq anke b'ammont żgħir, il-ġeometrija tal-passaġġi tat-tkessiħ tista 'tinbidel.

Għal xafra ta 'turbina avvanzata, dan jista' jkun biżżejjed biex iddawwar ikkastjar li kien jiswa f'ruttam.

Wara l-ikkastjar: għandu jkun faċli biex jitneħħa.

Fl-istess ħin, iċ-ċeramika ma tistax sempliċement iġib ruħu bħal ċeramika strutturali ordinarja stabbli ħafna.

Jekk baqa 'kimikament intatt wara l-ikkastjar, jista' jinqabad b'mod permanenti ġewwa x-xafra.

Il-passaġġi tat-tkessiħ ikunu mblukkati.

Ix-xafra ma tkunx tista' tintuża.

Allura l-qalba taċ-ċeramika ideali għandha ġġib ruħha kważi bħal żewġ materjali differenti f'żewġ mumenti differenti:

Waqt l-ikkastjar, għandu jġib ruħu bħal komponent strutturali ta'-temperatura għolja.

Wara l-ikkastjar, għandu jġib ruħu bħal materjal ta 'sagrifiċċju li jista' jitneħħa b'mod nadif.

Dik il-kontradizzjoni tinsab fil-qalba tal-inġinerija tal-materjali taċ-ċeramika-qalba.

Silika vs Alumina

Żewġ familji importanti ta' materjali tal-qalba taċ-ċeramika-huma sistemi bbażati fuq is-silika-u l-alumina-.

Qlub ibbażati fuq is-silika-

Is-silika mdewba għandha bosta karatteristiċi attraenti.

Jista 'joffri lissija relattivament tajba, temperaturi ta' pproċessar relattivament baxxi, u ekonomija tal-manifattura favorevoli.

Iżda l-istabbiltà dimensjonali ta'-temperatura għolja u l-imġiba tat-tkaxkir jistgħu jsiru limitazzjonijiet, partikolarment hekk kif jiżdiedu t-temperaturi tal-ikkastjar u r-rekwiżiti tal-ipproċessar.

Qlub ibbażati fuq l-alumina-

L-alumina tipprovdi stabbiltà eċċellenti ta'-temperatura u reżistenza għat-tkaxkir.

Dan jagħmel il-qlub ibbażati fuq l-alumina-attraenti għal applikazzjonijiet esiġenti, inklużi xfafar avvanzati ta' turbini ta' kristall wieħed-.

Il-kompromess-huwa li l-alumina stabbli ħafna tista 'wkoll tkun aktar diffiċli biex titneħħa wara l-ikkastjar.

L-isfida tal-inġinerija għalhekk issir waħda tal-ibbilanċjarsaħħa, stabbiltà dimensjonali, porożità, kompożizzjoni tal-fażi, u lissija.

L-aħjar qalba mhix neċessarjament l-aktar ċeramika b'saħħitha.

Hija ċ-ċeramika bil-kombinazzjoni t-tajba ta 'proprjetajiet għaċ-ċiklu kollu tal-manifattura.

Fejn tinsab il-Konġestjoni tal-Manifattura Reali

Meta n-nies jaħsbu dwar it-teknoloġija wara magni tal-ajruplani avvanzati, għandhom it-tendenza li jiffokaw fuq l-isfidi ovvji:

l-arkitettura tal-magna, il-liga tax-xafra tat-turbina, it-teknoloġija tal-kristall wieħed, id-disinn tat-tkessiħ, jew il-kisi ta'-temperatura għolja.

Iżda l-qlub taċ-ċeramika avvanzati huma ħolqa kritika oħra fil-katina tal-manifattura.

U l-isfida mhix sempliċement tagħmel parti taċ-ċeramika.

Qed jibni sistema sħiħa madwaru.

Kwalità tat-trab

Qlub ta'-prestazzjoni għolja jeħtieġu trab taċ-ċeramika kkontrollati bir-reqqa.

Il-purità, id-distribuzzjoni tad-daqs-partiċelli, il-morfoloġija tal-partiċelli, il-kimika tal-wiċċ, u karatteristiċi oħra kollha jistgħu jinfluwenzaw il-qalba finali.

Bidliet żgħar fit-trab tal-bidu jistgħu jaffettwaw il-formazzjoni, it-tnixxif, is-sinterizzazzjoni, il-porożità, is-saħħa u l-istabbiltà dimensjonali.

Kontroll tal-proċess

It-tieqa tal-manifattura tista 'tkun dejqa notevolment.

Bidliet fil-kundizzjonijiet tal-iffurmar, il-kontenut tal-legaturi, it-tneħħija tal-irbit, it-temperatura tas-sinterizzazzjoni, jew il-ħin taż-żamma jistgħu jbiddlu l-mikrostruttura u l-proprjetajiet tal-qalba.

Din hija raġuni waħda li l-manifattura tal-qalba taċ-ċeramika-tistrieħ ħafna fuq l-għarfien tal-proċess akkumulat.

Riċetta fuq il-karta mhix neċessarjament l-istess ħaġa bħal proċess ta 'produzzjoni stabbli.

Kwalifika

Komponenti aerospazjali joperaw taħt rekwiżiti ta 'affidabilità estremament eżiġenti.

Materjal ġdid jew proċess ta 'manifattura ma jistax sempliċement jiġi introdott minħabba li t-testijiet tal-laboratorju jidhru promettenti.

Għandu jgħaddi minn testijiet estensivi, validazzjoni tal-proċess, studji ta 'ripetibbiltà, u kwalifika.

Dan jagħmel il-ktajjen tal-provvista aerospazjali diffiċli biex jidħlu u diffiċli biex jiġu sostitwiti.

Għal qlub taċ-ċeramika, il-kapaċità tal-manifattura għalhekk tfisser ħafna aktar milli jkollok it-tagħmir it-tajjeb.

Dan ifisser li jkollok l-materjali, kontroll tal-proċess, sistemi ta 'kwalità, għarfien espert fl-inġinerija, u storja ta' kwalifikabiex jipproduċi l-istess riżultat ripetutament.

Il-Fruntieri Li jmiss: Stampar 3D taċ-ċeramika

Il-manifattura tal-qalba-tradizzjonali taċ-ċeramika tiddependi ħafna fuq l-għodda.

Din issir problema meta d-disinjaturi jridu jesperimentaw b'arkitetturi tat-tkessiħ dejjem aktar kumplessi.

Il-manifattura ta 'addittivi taċ-ċeramika toffri approċċ differenti.

Bi stampar 3D taċ-ċeramika bbażat fuq fotopolimerizzazzjoni-, ġeometriji tal-qalba kumplessi jistgħu jiġu prodotti direttament minn mudelli diġitali, li potenzjalment jeliminaw xi wħud mir-restrizzjonijiet tal-għodda assoċjati mal-iffurmar konvenzjonali.

Dan jista 'jagħmilha aktar faċli li tiżviluppa:

passaġġi tat-tkessiħ aktar kumplessi,

strutturi irqaq,

ġeometriji interni mhux konvenzjonali,

u disinji tat-tkessiħ ripetuti malajr.

Iżda l-manifattura addittiva mhix soluzzjoni maġika.

It-teknoloġija għadha tiffaċċja sfidi li jinvolvu l-uniformità tal-ġisem aħdar-, l-eżattezza dimensjonali, it-tnaqqis tas-sinterizzazzjoni, il-kontroll tad-difetti, it-trażmissjoni, u l-ispiża.

Dimostrazzjoni fil-laboratorju hija ħaġa waħda.

Il-produzzjoni ta' eluf ta' qlub ta' grad-aerospazjali bi proprjetajiet konsistenti hija oħra.

Dik it-tranżizzjoni minn"jista' jiġi stampat"biex"jista' jiġi manifatturat b'mod affidabbli fuq skala industrijali"huwa fejn jibqa 'ħafna mix-xogħol ta' inġinerija.

Il-Komponent Li Tisparixxi

L-iktar ħaġa interessanti dwar qalba taċ-ċeramika tista 'tkun dak li jiġrilha fl-aħħar.

Ma ssirx parti mill-magna lesta.

Ma jidhirx fl-ispeċifikazzjonijiet li qatt se jaraw il-passiġġieri.

Ma tikkontribwixxix direttament għall-ispinta tal-magna.

Wara l-proċess tal-ikkastjar, jitneħħa u jintrema.

U madankollu, mingħajrha, l-arkitettura interna kumplessa tat-tkessiħ ta 'xafra tat-turbina avvanzata tista' qatt ma teżisti.

Meta nħarsu lejn magna ta' inġenju tal-ajru moderna, għandna t-tendenza li niffukaw fuq l-affarijiet spettakolari - spinta enormi, ligi avvanzati, xfafar ta'-kristall singolu, sistemi ta' tkessiħ sofistikati u temperaturi operattivi estremi.

Iżda l-manifattura avvanzata ħafna drabi hija mibnija fuq affarijiet ferm iżgħar.

Materjali li jisparixxu.

Strutturi temporanji.

Trabijiet speċjalizzati.

Komponenti ċkejkna li jistgħu qatt ma jkunu viżibbli fil-prodott finali.

Il-qalba taċ-ċeramika hija waħda minnhom.

Huwa ddisinjat biex jgħix fil-mument meta jkun meħtieġ - u biex jisparixxi fil-mument li x-xogħol tiegħu jitlesta.

Din tista' tkun l-aktar deskrizzjoni xierqa ta' teknoloġija ta' manifattura inviżibbli:

komponent li qatt ma jtir, iżda jgħin biex it-titjira tkun possibbli.