1 Pengembangan Mesin Turbin Gas Penerbangan
Karena persyaratan kinerja untuk pesawat terbang untuk transportasi, militer, produksi, dan tujuan lain meningkat, mesin piston paling awal tidak dapat lagi memenuhi kebutuhan penerbangan berkecepatan tinggi. Oleh karena itu, sejak tahun 1950 -an, mesin turbin gas secara bertahap menjadi arus utama.
Pada tahun 1928, Sir Frank Whittle dari Inggris menunjukkan dalam tesis kelulusannya "pengembangan masa depan dalam desain pesawat" sambil belajar di Akademi Militer bahwa di bawah pengetahuan teknis pada waktu itu, pengembangan mesin baling -baling di masa depan tidak dapat beradaptasi dengan kebutuhan kecepatan tinggi atau kecepatan penerbangan melebihi 800 km/h. Dia pertama kali mengusulkan konsep apa yang sekarang disebut mesin jet (mesin motor): Udara terkompresi disediakan untuk ruang pembakaran (pembakaran) melalui piston tradisional, dan gas suhu tinggi yang dihasilkan secara langsung digunakan untuk mendorong penerbangan, yang dapat dianggap sebagai mesin baling-baling ditambah desain kamar pembakaran. Dalam penelitian selanjutnya, ia meninggalkan gagasan menggunakan piston yang berat dan tidak efisien dan diusulkan menggunakan turbin (turbin) untuk menyediakan udara terkompresi ke ruang pembakaran, dan kekuatan turbin diperoleh dari gas buang suhu tinggi. Pada tahun 1930, Whittle mengajukan permohonan paten, dan pada tahun 1937, ia mengembangkan mesin turbojet sentrifugal pertama di dunia, yang secara resmi digunakan dalam Gloster E.28/39 pesawat pada tahun 1941. Sejak itu, mesin turbin gas telah mendominasi kekuatan penerbangan dan merupakan simbol penting dari tingkat industri ilmiah dan teknologi suatu negara.
Mesin pesawat dapat dibagi menjadi empat tipe dasar sesuai dengan penggunaannya dan karakteristik struktural: mesin turbojet, mesin turbofan, mesin turboshaft, dan mesin turboprop:
Mesin turbin gas penerbangan disebut sebagai mesin turbojet, yang merupakan mesin turbin gas paling awal yang digunakan. Dari perspektif cara dorong dihasilkan, mesin turbojet adalah mesin paling sederhana dan paling langsung. Alasan bergantung pada gaya reaksi yang dihasilkan oleh injeksi pusaran berkecepatan tinggi. Namun, aliran udara berkecepatan tinggi menghilangkan banyak panas dan energi kinetik pada saat yang sama, menyebabkan kehilangan energi yang besar.
Mesin turbofan membagi udara yang mengalir ke mesin menjadi dua jalur: saluran dalam dan saluran luar, yang meningkatkan aliran udara total dan mengurangi suhu buang dan kecepatan aliran udara saluran bagian dalam.
Mesin turboshaft dan turboprop tidak menghasilkan dorongan oleh injeksi aliran udara, sehingga suhu dan kecepatan buang sangat berkurang, efisiensi termal relatif tinggi, dan laju konsumsi bahan bakar mesin rendah, yang cocok untuk pesawat jarak jauh. Kecepatan baling -baling umumnya tidak berubah, dan dorongan yang berbeda diperoleh dengan menyesuaikan sudut pisau.
Mesin propfan adalah mesin antara mesin turboprop dan turbofan. Ini dapat dibagi menjadi mesin propfan dengan kasus baling -baling yang disalurkan dan mesin propfan tanpa kasus baling -baling yang disalurkan. Mesin Propfan adalah mesin hemat energi baru yang paling kompetitif yang cocok untuk penerbangan subsonik.
Mesin kedirgantaraan sipil telah melewati lebih dari setengah abad pembangunan. Struktur mesin telah berevolusi dari mesin turbin sentrifugal awal ke mesin aliran aksial rotor tunggal, dari mesin turbojet twin-rotor ke mesin turbofan rasio bypass rendah, dan kemudian ke mesin turbofan rasio bypass tinggi. Struktur telah terus dioptimalkan dengan mengejar efisiensi dan keandalan. Suhu saluran masuk turbin hanya 1200-1300 k pada generasi pertama mesin turbojet pada 1940 -an dan 1950 -an. Ini meningkat sekitar 200 ribu dengan setiap peningkatan pesawat. Pada 1980 -an, suhu saluran masuk turbin dari jet tempur canggih generasi keempat mencapai 1800-2000 k [1].
Prinsip kompresor udara sentrifugal adalah bahwa impeller menggerakkan gas untuk berputar pada kecepatan tinggi, sehingga gas menghasilkan gaya sentrifugal. Karena aliran tekanan ekspansi gas di impeller, laju aliran dan tekanan gas setelah melewati impeller meningkat, dan udara terkompresi terus diproduksi. Ini memiliki dimensi aksial pendek dan rasio tekanan tahap tunggal tinggi. Kompresor udara Axialflow adalah kompresor di mana aliran udara pada dasarnya mengalir sejajar dengan sumbu impeller yang berputar. Kompresor aliran aksial terdiri dari beberapa tahap, setiap tahap berisi deretan bilah rotor dan deretan bilah stator berikutnya. Rotor adalah bilah kerja dan roda, dan stator adalah panduannya. Udara pertama kali dipercepat oleh bilah rotor, melambat dan dikompresi di saluran blade stator, dan diulangi dalam blade multi-tahap sampai rasio tekanan total mencapai level yang diperlukan. Kompresor aliran aksial memiliki diameter kecil, yang nyaman untuk penggunaan tandem multi-tahap untuk mendapatkan rasio tekanan yang lebih tinggi.
Mesin turbofan biasanya menggunakan rasio bypass, rasio tekanan engine, suhu saluran masuk turbin, dan rasio tekanan kipas sebagai parameter desain:
Rasio Bypass (BPR): Rasio massa gas yang mengalir melalui saluran outlet terhadap massa gas yang mengalir melalui saluran bagian dalam di mesin. Rotor di bagian depan mesin turbojet biasanya disebut kompresor tekanan rendah, dan rotor di bagian depan mesin turbofan biasanya disebut kipas. Gas bertekanan melewati kompresor tekanan rendah melewati semua bagian mesin turbojet; Gas yang melewati kipas dibagi menjadi saluran dalam dan luar. Sejak munculnya mesin turbofan, BPR telah meningkat, dan tren ini sangat jelas dalam mesin turbofan sipil.
Rasio Tekanan Mesin (EPR): Rasio tekanan total di outlet nosel terhadap tekanan total pada saluran masuk kompresor.
Turbin Inlet Emperature: Suhu knalpot ruang pembakaran saat memasuki turbin.
Rasio kompresi kipas: Juga disebut rasio kompresi, rasio tekanan gas di outlet kompresor terhadap tekanan gas di inlet.
Dua efisiensi:
Efisiensi Termal: Ukuran seberapa efisien suatu mesin mengubah energi panas yang dihasilkan oleh pembakaran menjadi energi mekanik.
Efisiensi Propulsi: Ukuran proporsi energi mekanik yang dihasilkan oleh mesin yang digunakan untuk mendorong pesawat.
第一篇结束
2 Pengembangan Blade Turbin
Perkembangan berulang
Mengambil mesin turbofan sebagai contoh, nilai blade menyumbang sebanyak 35%, dan mereka adalah komponen penting dalam pembuatan mesin pesawat. Di mesin, ada 3, 000 hingga 4, 000 bilah penerbangan, yang dapat dibagi menjadi tiga kategori: bilah kipas, bilah kompresor, dan bilah turbin. Nilai bilah turbin adalah yang tertinggi, mencapai 63%. Pada saat yang sama, mereka juga pisau dengan kesulitan manufaktur tertinggi dan biaya manufaktur di mesin turbofan [2].
Pada tahun 1970 -an, Amerika Serikat adalah orang pertama yang menggunakan bilah pemadatan arah PWA1422 di mesin pesawat militer dan sipil.
Setelah tahun 1980-an, rasio dorongan-ke-berat dari mesin generasi ketiga meningkat menjadi lebih dari 8, dan bilah turbin mulai menggunakan generasi pertama SX, PWA1480, Renén4, CMSX -2 dan DD3 China. Kapasitas bantalan suhu 80K lebih tinggi dari pada solidifikasi arah terbaik yang mencetak paduan suhu tinggi PWA1422. Keuntungan. Ditambah dengan teknologi film berlubang saluran tunggal pendingin film, suhu operasi bilah turbin mencapai 1600-1750 k. .
Mesin Turbofan generasi keempat menggunakan generasi kedua SXPWA1484, Renén5, cmsx -4, dan dd6. Dengan menambahkan elemen ulang dan teknologi pendingin udara bertekanan tinggi multi-saluran, suhu operasi bilah turbin mencapai 1800k -2000 k. Pada tahun 2000k dan 100 jam kekuatan abadi mencapai 140mpa.
SX generasi ketiga yang dikembangkan setelah tahun 1990-an termasuk Renén6, CMRX -10, dan DD9, yang memiliki keunggulan kekuatan creep yang sangat jelas dibandingkan SX generasi kedua. Di bawah perlindungan saluran pendingin yang kompleks dan pelapis penghalang termal, suhu inlet turbin yang dapat ditahan mencapai 3000 ribu. Paduan senyawa intermetalik yang digunakan dalam bilah mencapai 2200 ribu, dan kekuatan tahan 100 jam mencapai 100MPA.
Saat ini sedang dikembangkan adalah generasi keempat SX yang diwakili oleh MC-NG [4], TMS -138, dll., Dan generasi kelima SX diwakili oleh TMS -162, dll. Komposisinya ditandai dengan penambahan elemen tanah langka baru seperti RU dan PT, yang secara signifikan meningkatkan kinerja creep yang tinggi. Suhu kerja paduan suhu tinggi generasi kelima telah mencapai 1150 derajat, yang dekat dengan batas suhu operasi batas teoritis 1226 derajat.
3 Pengembangan Single Crystal Superalloys Berbasis Nikel
3.1 Karakteristik komposisi dan komposisi fase superalloy kristal tunggal berbasis nikel
Menurut jenis elemen matriks, paduan suhu tinggi dapat dibagi menjadi berbasis besi, berbasis nikel, dan berbasis kobalt, dan lebih jauh dibagi menjadi makro casting, forging, dan bubuk metalurgi. Paduan berbasis nikel memiliki kinerja suhu tinggi yang lebih baik daripada dua jenis paduan suhu tinggi lainnya dan dapat bekerja untuk waktu yang lama di lingkungan suhu tinggi yang keras.
Paduan suhu tinggi berbasis nikel mengandung setidaknya 50% NI. Struktur FCC mereka membuat mereka sangat kompatibel dengan beberapa elemen paduan. Jumlah elemen paduan yang ditambahkan selama proses desain sering melebihi 10. Kesamaan dari elemen paduan yang ditambahkan diklasifikasikan sebagai berikut: (1) Ni, CO, Fe, Cr, Ru, RE, MO, dan W adalah elemen kelas satu, yang berfungsi sebagai elemen stabilisasi austenit; (2) Al, Ti, Ta, dan Nb memiliki jari-jari atom yang lebih besar, yang mempromosikan pembentukan fase penguatan seperti senyawa Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), dan merupakan elemen kelas dua; (3) B, C, dan ZR adalah elemen kelas tiga. Ukuran atom mereka jauh lebih kecil daripada atom Ni, dan mereka mudah dipisahkan ke batas butir fase, memainkan peran dalam penguatan batas butir [14].
Fase-fase dari paduan suhu tinggi kristal tunggal berbasis nikel terutama adalah: fase, fase 'fase, fase karbida, dan fase tertutup topologi (fase TCP).
Fase: Fase adalah fase austenit dengan struktur kristal FCC, yang merupakan larutan padat yang dibentuk oleh unsur -unsur seperti Cr, Mo, CO, W, dan dilarutkan dalam nikel.
Fase 'Fase:' adalah senyawa FCC intermetalik Ni3 (Al, Ti), yang dibentuk sebagai fase presipitasi dan mempertahankan koherensi dan ketidakcocokan tertentu dengan fase matriks, dan kaya akan Al, Ti, TA dan elemen lainnya.
Fase karbida: Mulai dari generasi kedua SX berbasis nikel, sejumlah kecil C ditambahkan, menghasilkan penampilan karbida. Sejumlah kecil karbida tersebar dalam matriks, yang meningkatkan kinerja paduan suhu tinggi sampai batas tertentu. Secara umum dibagi menjadi tiga jenis: MC, M23C6, dan M6C.
Fase TCP: Dalam hal penuaan layanan, elemen refraktori yang berlebihan seperti CR, MO, W, dan mempromosikan pengendapan fase TCP. TCP biasanya terbentuk dalam bentuk piring. Struktur pelat memiliki dampak negatif pada daktilitas, creep, dan sifat kelelahan. Fase TCP adalah salah satu sumber retak ruptur creep.
Mekanisme Penguatan
Kekuatan superalloy berbasis nikel berasal dari penggabungan beberapa mekanisme pengerasan, termasuk penguatan solusi padat, penguatan curah hujan, dan perlakuan panas untuk meningkatkan kepadatan dislokasi dan mengembangkan substruktur dislokasi untuk memberikan penguatan.
Pengerasan solusi yang solid adalah untuk meningkatkan kekuatan dasar dengan menambahkan elemen larut yang berbeda, termasuk CR, W, CO, MO, RE, dan RU.
Radii atom yang berbeda mengarah ke tingkat tertentu dari distorsi kisi atom, yang menghambat pergerakan dislokasi. Penguatan solusi solid meningkat dengan meningkatnya perbedaan ukuran atom.
Penguatan solusi padat juga memiliki efek mengurangi energi sesar penumpukan (SFE), terutama menghambat slip silang dislokasi, yang merupakan mode deformasi utama kristal non-ideal pada suhu tinggi.
Cluster atom atau struktur mikro orde pendek adalah mekanisme lain yang membantu mendapatkan penguatan melalui solusi padat. Atom -atom RE dalam SX segregat di daerah tegangan tarik dari inti dislokasi pada antarmuka / ', membentuk "atmosfer cottrell", yang secara efektif mencegah gerakan dislokasi dan perambatan retak. (Atom terlarut terkonsentrasi di area tegangan tarik dislokasi tepi, mengurangi distorsi kisi, membentuk struktur gas coriolis, dan menghasilkan efek penguatan larutan padat yang kuat. Efeknya meningkat dengan peningkatan konsentrasi atom zat terlarut dan peningkatan perbedaan ukuran)
RE, W, W, MO, RU, CR, dan CO secara efektif memperkuat fase. Penguatan solusi yang solid dari matriks memainkan peran yang sangat penting dalam kekuatan creep dari paduan suhu tinggi berbasis nikel.
Efek pengerasan presipitasi dipengaruhi oleh fraksi volume dan ukuran fase '. Tujuan mengoptimalkan komposisi paduan suhu tinggi terutama untuk meningkatkan fraksi volume fase 'dan meningkatkan sifat mekanik. Paduan suhu tinggi SX dapat mengandung 65% -75% dari fase ', menghasilkan kekuatan creep yang baik. Ini mewakili nilai maksimum yang berguna dari efek penguatan antarmuka / ', dan peningkatan lebih lanjut akan menyebabkan penurunan kekuatan yang signifikan. Kekuatan creep paduan suhu tinggi dengan fraksi volume fase tinggi dipengaruhi oleh ukuran partikel fase. Ketika ukuran fase 'kecil, dislokasi cenderung memanjatnya, menghasilkan penurunan kekuatan creep. Ketika dislokasi dipaksa untuk memotong fase, kekuatan creep mencapai maksimum. Ketika 'partikel fase bertambah ukuran, dislokasi cenderung menekuk di antara mereka, menghasilkan penurunan kekuatan creep [14].
Ada tiga mekanisme penguatan curah hujan utama:
Penguatan ketidakcocokan kisi: 'Fase tersebar dan diendapkan dalam matriks fase dengan cara yang koheren. Keduanya adalah struktur FCC. Ketidakcocokan kisi mencerminkan stabilitas dan keadaan stres antarmuka yang koheren antara kedua fase. Kasus terbaik adalah bahwa matriks dan fase diendapkan memiliki struktur kristal yang sama dan parameter kisi dari geometri yang sama, sehingga fase yang lebih diendapkan dapat diisi dalam fase. Kisaran ketidakcocokan paduan suhu tinggi berbasis nikel adalah 01%. Re dan Ru jelas dipisahkan dengan fase. Peningkatan Re dan Ru meningkatkan ketidakcocokan kisi.
Penguatan Pesanan: Pemotongan Dislokasi akan menyebabkan gangguan antara matriks dan fase diendapkan, membutuhkan lebih banyak energi
Mekanisme Bypass Dislokasi: Disebut Mekanisme Orowan (Orowan Bowing), itu adalah mekanisme penguatan di mana fase diendapkan dalam matriks logam menghambat dislokasi yang bergerak agar tidak bergerak. Prinsip Dasar: Ketika dislokasi yang bergerak menemukan sebuah partikel, ia tidak dapat melewati, menghasilkan perilaku melewati, pertumbuhan garis dislokasi, dan kekuatan pendorong yang diperlukan meningkat, menghasilkan efek penguatan.
3.3 Pengembangan metode pengecoran paduan suhu tinggi
Paduan paling awal yang digunakan dalam lingkungan suhu tinggi dapat ditelusuri kembali ke penemuan nichrome pada tahun 1906. Munculnya kompresor turbo dan mesin turbin gas merangsang perkembangan substansial paduan suhu tinggi. Pisau generasi pertama mesin turbin gas diproduksi oleh ekstrusi dan penempaan, yang jelas memiliki keterbatasan zaman. Saat ini, bilah turbin paduan suhu tinggi sebagian besar dilakukan oleh casting investasi, khususnya solidifikasi terarah (DS). Metode DS pertama kali ditemukan oleh tim Versnyder Pratt & Whitney di Amerika Serikat pada tahun 1970 -an [3]. Dalam dekade pengembangan, bahan yang disukai untuk bilah turbin telah berubah dari kristal ekuiax menjadi kristal kolumnar, dan kemudian dioptimalkan ke bahan paduan suhu tinggi kristal tunggal.
Teknologi DS digunakan untuk menghasilkan komponen inti paduan inti SX, yang secara signifikan meningkatkan keuletan dan resistensi guncangan termal dari paduan suhu tinggi. Teknologi DS memastikan bahwa kristal kolom yang diproduksi memiliki orientasi [001], yang sejajar dengan sumbu tegangan utama bagian, daripada orientasi kristal acak. Pada prinsipnya, DS perlu memastikan bahwa pemadatan logam cair dalam casting dilakukan dengan logam umpan cair selalu dalam keadaan yang baru saja dikeridikan.
Pengecoran kristal kolom perlu memenuhi dua kondisi: (1) aliran panas satu arah memastikan bahwa antarmuka padat-cair pada titik pertumbuhan butir bergerak dalam satu arah; (2) Tidak boleh ada nukleasi di depan arah bergerak antarmuka padat-cair.
Karena fraktur bilah biasanya terjadi pada struktur lemah suhu tinggi dari batas butir, untuk menghilangkan batas butir, cetakan solidifikasi dengan struktur "pemilih butir" digunakan selama proses pemadatan arah arah. Ukuran cross-sectional dari struktur ini dekat dengan ukuran butir, sehingga hanya satu butir yang ditanam secara optimal memasuki rongga cetakan casting, dan kemudian terus tumbuh dalam bentuk kristal tunggal sampai seluruh blade hanya terdiri dari satu butir.
Pemilih kristal dapat dibagi menjadi dua bagian: blok awal dan spiral:
Pada awal proses DS, biji -bijian mulai nukleasi di bagian bawah blok awal. Pada tahap awal pertumbuhan biji -bijian, jumlahnya besar, ukurannya kecil, dan perbedaan orientasi besar. Perilaku pertumbuhan kompetitif antara butir mendominasi, dan efek pemblokiran geometris dari dinding samping lemah. Pada saat ini, efek optimasi orientasi jelas; Ketika ketinggian biji -bijian di blok awal meningkat, jumlah butiran berkurang, ukurannya meningkat, dan orientasi dekat. Perilaku pertumbuhan kompetitif antara butiran berkurang, dan efek pemblokiran geometris dari dinding samping mendominasi, memastikan bahwa arah kristal dapat terus dioptimalkan, tetapi efek optimasi orientasi melemah. Dengan mengurangi jari -jari blok awal dan meningkatkan ketinggian blok awal, orientasi butiran yang memasuki bagian spiral dapat dioptimalkan secara efektif. Namun, meningkatkan panjang blok awal akan memperpendek ruang pertumbuhan yang efektif dari casting, dan memberi Anda siklus produksi dan biaya persiapan. Oleh karena itu, perlu untuk merancang struktur geometris substrat secara wajar.
Fungsi utama spiral adalah untuk secara efisien memilih kristal tunggal, dan kemampuan untuk mengoptimalkan orientasi butir lemah. Ketika proses DS dilakukan dalam spiral, saluran melengkung menyediakan ruang untuk pertumbuhan cabang dendrit, dan dendrit sekunder dari biji -bijian maju ke arah garis Liquidus. Butir memiliki tren perkembangan lateral yang kuat, dan orientasi biji -bijian dalam keadaan berfluktuasi, dengan efek optimisasi yang lemah. Oleh karena itu, pemilihan biji -bijian dalam spiral terutama tergantung pada keunggulan pembatasan geometris, keunggulan pertumbuhan kompetitif, dan keuntungan ekspansi spasial dari biji -bijian di segmen spiral [7], daripada keuntungan pertumbuhan orientasi butir yang disukai, yang memiliki keacakan yang kuat [6]. Oleh karena itu, alasan utama kegagalan seleksi kristal adalah bahwa spiral tidak memainkan peran seleksi kristal tunggal. Dengan meningkatkan diameter luar spiral, mengurangi pitch, diameter permukaan spiral, dan mengurangi sudut awal, efek seleksi kristal dapat ditingkatkan secara signifikan.
Persiapan bilah turbin kristal tunggal berongga membutuhkan lebih dari selusin langkah (peleburan paduan master, persiapan cangkang membran kristal tunggal, persiapan inti keramik konfigurasi yang kompleks, casting lebur, pemadatan arah, perlakuan panas, perlakuan permukaan, persiapan pelapisan penghalang termal, dll.). Proses kompleks rentan terhadap berbagai cacat, seperti butiran liar, bintik -bintik, batas butir sudut kecil, kristal goresan, deviasi orientasi, rekristalisasi, batas butir sudut besar, dan kegagalan seleksi kristal.
第2篇结束
4 Formasi Cacat dalam Proses DS
Ketika struktur bilah turbin canggih menjadi lebih kompleks dan berukuran lebih besar, berbagai cacat pemadatan seperti butiran liar, bintik-bintik, batas butiran sudut rendah, kristal goresan, penyimpangan orientasi, rekristalisasi, batas butir sudut tinggi, dan kegagalan seleksi kristal lebih mungkin terjadi selama proses pertumbuhan kristal tunggal. Casting turbin dalam bentuk kristal tunggal adalah tantangan yang cukup besar untuk pengecoran.
Masalah yang ada dalam bilah turbin kristal tunggal terutama terkonsentrasi dalam proses pertumbuhan, yang terkait erat dengan struktur dan proses pertumbuhan bilah turbin kristal tunggal. Pertama, badan blade turbin tipis, dilaukannya tebal dan besar, bentuk cross-sectional bervariasi, kelengkungan bervariasi, struktur pendingin internal sangat kompleks, dan ada banyak struktur mikro seperti lubang cetakan udara dan spoiler, yang mengarah pada laju pertumbuhan yang mudah dan bervariasi dengan laju pertumbuhan dan variabel yang dapat bervariasi dan variabel-laju pertumbuhan, dan variabel yang bervariasi, dan perubahan dramasi dalam pertumbuhan, dan variabel, cacat. Lebih serius, peningkatan ukuran blade turbin akan memperpanjang jalur pertumbuhan kristal tunggal, terutama di ujung pelat pendingin air. Pada tahap berikutnya pertumbuhan kristal tunggal, gradien suhu berkurang tajam dengan peningkatan jarak, menyebabkan dendrit tumbuh secara berbeda dan meningkatkan kecenderungan cacat pemadatan untuk terbentuk [6].
Biji -bijian liar
Kristal yang terperangkap mengacu pada daerah amorf antara batas butir atau kristal yang dibentuk oleh dua atau lebih kristal yang saling terkait, bertabrakan atau tumbuh bersama dalam suatu bahan. Di pelat tepi blade turbin SX, penampang casting akan mengalami perubahan tiba -tiba dalam ukuran geometris, dan distribusi medan suhu di area ini sangat kompleks; Selama proses pemadatan blade, paduan yang mereda di tepi pengecoran melebihi nukleasi kritis yang undercooling paduan, menghasilkan nukleasi pengotor heterogen di tepi casting, membentuk kristal gelandangan tepi [9].
Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa ketika ukuran pelat tepi kecil, dendrit tingkat tinggi dari butiran asli tumbuh ke pelat tepi, dan tidak ada kristal tramp terbentuk. Ketika ukuran pelat tepi meningkat, sejumlah besar kristal gelandangan halus pertama kali terbentuk di sudut -sudut dalam pelat tepi, dan beberapa kristal gelandangan tumbuh ke pelat tepi dalam bentuk dendrit, menekan butiran asli di tengah pelat tepi [6]. Ketika ukuran pelat tepi terus meningkat, ada pendinginan besar di tepi pelat tepi, cairan paduan menyimpang dengan cepat, dan tegangan penyusutan yang besar dihasilkan; Kinerja disipasi panas dari area transisi pelat tepi blade buruk, pendinginannya kecil, dan dendrit yang dihasilkan dipecah oleh tegangan penyusutan, membentuk kristal tramp yang tumbuh ke arah tengah pelat tepi [9]. Menurut penelitian eksperimental, pengurangan ketinggian platform, peningkatan panjang platform, sisi luar platform, dan komposisi paduan dengan kandungan tinggi elemen refraktori (RE, W, TA, HF) semuanya meningkatkan kecenderungan pembentukan kristal pengotor [10].
Pembentukan kristal pengotor pada pelat tepi dapat dikontrol dengan mengoptimalkan proses pemadatan arah terarah (mengurangi laju pemadatan), perlakuan kelongsong lokal (melapisi dengan bahan resistensi termal), dan menambahkan sistem penyemaian.
FBerbahiting
Pada tahap selanjutnya dari pertumbuhan bilah kristal tunggal, terutama pada jarak dari pelat pendingin air, mudah untuk membentuk beberapa butir seperti rantai yang diseimbangkan sejajar dengan arah pertumbuhan kristal. Karena permukaan cacat setelah korosi makroskopis menunjukkan bintik -bintik yang jelas, itu disebut bintik -bintik atau rantai bintik. Saat ini, struktur pisau turbin cenderung rumit, dan kandungan elemen paduan titik-melelting tinggi dalam paduan terus meningkat, yang mengarah pada peningkatan kecenderungan pembentukan bintik-bintik.
Mekanisme pembentukan bintik -bintik terutama disebabkan oleh konveksi cairan paduan yang disebabkan oleh pemisahan zat terlarut selama pemadatan, dan juga terkait dengan pemulihan dendrit sekunder dan defleksi dendrit primer. Dalam proses DS, W dan RE diperkaya di area batang dendrit, dan Al dan TA diperkaya dalam cairan paduan antara dendrit. Ada perbedaan kepadatan antara yang pertama dan yang terakhir. Saat zona lembek mengeras, perbedaan antara kepadatan cairan paduan di zona lembek dan kepadatan cairan di bagian depan pemadatan meningkat. Distribusi kepadatan bagian atas dan bawah yang berat menyebabkan cairan paduan di zona lembek mengalami daya apung ke atas. Ketika resistensi kental dari cairan paduan di zona lembek terlampaui, cairan paduan di zona lembek akan melakukan konveksi antara dendrit dan membentuk saluran konveksi dengan lebar tertentu di zona lembek. Aliran cairan paduan ini akan meleleh atau memecahkan dendrit untuk membentuk fragmen dendrit. Jika fragmen dendrit ini tidak punya waktu untuk mengalir keluar dari saluran dengan cairan paduan dan tetap di saluran, mereka akan membentuk bintik -bintik pada permukaan casting saat saluran mengeras [11].
Meningkatkan kandungan komponen paduan TA dan Al dan mengurangi konten W dan RE dapat membantu mengurangi kecenderungan pembentukan bintik -bintik. Dalam proses DS, meningkatkan laju penarikan dan meningkatkan gradien suhu dapat mengurangi kecenderungan pembentukan bintik. Getaran dapat secara signifikan melemahkan konveksi fase cair selama pemadatan arah, sehingga mengurangi kecenderungan pembentukan bintik -bintik.
Batas butir sudut rendah
Pembentukan batas butir sudut rendah terkait dengan deviasi orientasi dendrit yang disebabkan oleh deformasi dendrit: (1) tegangan termomekanis yang dihasilkan oleh presipitasi 'fase selama pertumbuhan kondisi-mapan; (2) obstruksi dan ekstrusi cangkang cetakan menyebabkan tekanan penyusutan pada dendrit; (3) Konveksi zat terlarut yang disebabkan oleh medan suhu yang tidak rata di zona lembek dan gaya asimetris pada dendrit menyebabkan deformasi plastik dendrit, yang memicu perubahan kumulatif orientasi dendrit. Batas butir sudut rendah dibentuk pada persimpangan dendrit yang dibelokkan dan dendrit asli yang tidak terdefeksi.
Ketika pisau kristal tunggal berukuran besar mengeras, sulit bagi antarmuka S/L untuk mempertahankan keadaan planar (cekung ketika kecepatan tarik tinggi dan cembung ketika kecepatan penarik rendah). Arah gradien suhu dari antarmuka S/L yang tidak lurus tidak bertepatan dengan arah aksial spesimen. Setiap fluktuasi dalam proses pemadatan dapat menyebabkan perubahan orientasi, sehingga membentuk batas butir sudut rendah. Fluktuasi ini dapat menyebabkan beberapa dendrit tumbuh dalam keadaan tidak mantap selama proses pertumbuhan dari zona ekspansi ke tubuh blade, menghasilkan sudut batas butir sudut rendah dari tubuh blade terutama terkonsentrasi dalam kisaran 2 derajat -6 derajat. Ini ditentukan oleh sifat pemadatan paduan, dan sulit untuk menemukan cara yang masuk akal untuk menghindarinya [12].
Jumlah batas butir sudut kecil di zona ekstensi secara signifikan lebih rendah daripada di tubuh blade, dan sudut misorientasi juga jauh lebih kecil, tetapi jumlah lokasi dengan sudut misorientasi kurang dari 2 derajat di zona ekstensi dan tubuh blade sebanding, menunjukkan bahwa mereka memiliki kemampuan yang sebanding untuk menghasilkan misorientasi kecil. Ini karena zona ekstensi berada pada tahap awal pertumbuhan kristal tunggal, dan sebagian besar dendrit menunjukkan pertumbuhan steady-state, sedangkan jumlah dendrit dalam pertumbuhan steady-state di zona ekstensi dan tubuh blade sebanding.
Kristal bergaris
Kristal lurik adalah jenis cacat linier sempit pada permukaan casting, sebagian besar terjadi di bagian atas bilah casting. Mereka umumnya sekitar 1 mm lebar dan beberapa hingga puluhan mm, dengan posisi awal yang dapat diidentifikasi. Mereka umumnya menghilang setelah tumbuh selama beberapa sentimeter, tetapi mereka juga dapat berkembang secara lateral ke seluruh blade, berkembang dari cacat linier menjadi cacat skala besar tiga dimensi dan berubah menjadi cacat kristal lain-lain. Arah kristal streak pada dasarnya selalu konsisten dengan arah pertumbuhan dendrit di lokasi itu.
Penampilan kristal goresan disebabkan oleh fakta bahwa batang utama dendrit tunggal pada permukaan casting dirobohkan di zona lembek, tetapi dilas oleh cairan residual, menunjukkan titik awal yang jelas. Alasan utama untuk merobek ini adalah bahwa penyusutan dendrit yang disebabkan oleh adhesi cangkang sangat terhambat atau kekuatan dendrit rusak parah karena pemotongan inklusi. Dendrite yang robek akan mengalami tingkat defleksi keseluruhan tertentu, membentuk butiran sempit yang dikelilingi oleh batas butir sudut kecil pada struktur matriks [12].
Rekristalisasi
SX terutama terdiri dari fase dan 'fase dalam bentuk kombinasi eutektik. Ketika energi lokal tinggi karena konsentrasi tegangan deformasi di area lokal permukaan, dan kemudian ketika mencapai suhu tertentu dalam pemanasan berikutnya, 'fase larut dalam paduan kristal tunggal. Setelah pembubaran, sangat mudah untuk membentuk struktur seluler di area pembubaran fase. Rekristalisasi permukaan SX pertama kali dimulai di area batang dendrit permukaan. Organisasi awal adalah seluler. Kemudian biji -bijian mulai tumbuh secara bertahap ke fase eutektik / 'area yang mengandung fase kasar'. Pertumbuhan butiran rekristalisasi disertai dengan antarmuka yang jelas antara 'butiran kristal dan matriks [13]. Kondisi penting untuk pembentukan butir yang direkristalisasi: pembubaran fase cor.
