Paleae turbinis monocristallinae: impetus technologicus qui limites altarum temperaturarum superat

1 Progressus motorum turbineorum aviationis

Cum postulata de praestantia aeronavium ad transportandum, ad usus militares, ad productionem et ad alios fines crescerent, primi motores pistonici iam non sufficiebant ad necessitates volatus celeris. Ideo, ex annis 1950, motores turbinei gasosi paulatim in principem venerunt.

Anno MCCLXXXVIII, Franciscus Whittle, miles Britannicus, in sua disputatione graduatoria «De Futura Aeronavium Fabricatione» dum in academia militari studebat, ostendit sub technicis scientiis tunc temporis futurum ut progressus motorum eliceorum ad altitudines magnas vel ad celeritates volandi superantes octingentos kilometros per horam accommodare non posset. Primus concipiebat notionem quae nunc motor turbojectilis (motor turbojectilis) appellatur: aer compressus ad camaram combustionis per pistorem tradicionalis suppeditabatur, et gas calidum generatum directe ad volatum propellendum uteretur, quod quasi motor eliceus cum camara combustionis designatus esse potest. In subsequentibus investigationibus, ideam reiecit utendi pistore gravi et inefficienti, et proposuit ut turbinem (turbina) ad aerem compressum ad camaram combustionis suppeditandam uteret, cuius vis ex exhausto calido sumebatur. Anno MCMXXX, Whittle patentem petivit; anno MCMXXXVII, primus in mundo turbojectilis centrifugalis fabricavit, qui anno MCMXLI in aeronave Gloster E.28/39 publice adhibitus est. Ex eo tempore, motores turbinei gazosi aviationem praedominantur et sunt signum importante scientiae, technologiae, industriae ac totius potentiae nationalis.

Motores aeroplanorum in quattuor genera prima secundum usus et proprietates structurales dividuntur: turboiectorum, turboventilatorum, turbosceletorum, et turbopropulsorum.

Turbomotores aeronautici gasosi turboiectorum nomine appellantur, qui sunt primi motus gasosi turbinei adhibiti. Ex ratione qua impetus generatur, turboiectorum motus sunt simplicissimi et directissimi. Ratio haec innititur vi reactionis, quae ex eiectione vorticosae celeris oritur. Tamen aer celeris multum caloris et energiae cineticae simul abripit, magnamque perniciem energetici causat.

Turboventilator motor aerem in se ingredientem in duas vias dividit: ductum internum et ductum externum, quae fluxum aeris totalem augent et temperaturam ac celeritatem aeris in ductu interno minuunt.

Motores turboshaft et turbopropulsivi non generant impetum per injectionem aeris, itaque temperātūra et celeritās exhalātiōnis multum minuuntur, efficiēntia thermica est rēlātīvē alta, et rātio consumptiōnis carburis motoris est parva, quod idōneum est ad aērōnāvīs longī itineris. Celeritās propellōris plerumque nōn mutātur, et diversī impetus adipiscuntur per angulōrum pallārium adaptātiōnem.

Motor propfan est inter motōrēs turbopropulsīvōs et turbofan. Dividī potest in motōrēs propfan cum casīs propellōris ductīs et motōrēs propfan sine casīs propellōris ductīs. Motor propfan est novus ōptimusque ēnergiāe parcēns motor qui competit subsonicīs volātiōnibus.

Motores aeronautici civiles per plus quam semiseculum evolverunt. Structura motoris ab initio a turbine centrifuga ad axialem unius rotoris, deinde ad turbojectum bitorque, postea ad turbofanum cum parva ratione by-pass, et tandem ad turbofanum cum magna ratione by-pass evoluta est. Structura continuo optima facta est quaesita efficiencia et fiducia. Temperatura aditus in turbina tantum 1200–1300 K erat in prima generatione turbojectorum annis 1940 et 1950. Per singulas aeronavium renovationes circa 200 K augebatur. Anno 1980 temperatura aditus in turbina quartae generationis aeroplanorum bellicorum praestantiorum ad 1800–2000 K pervenit[1].

Principium compressoris aeris centrifugalis est quod impeller gas movet ut cito rotet, ita ut gas vim centrifugalem generet. Propter expansionem pressionis et fluxum gas in impeller, velocitas et pressio gas post transgressionem impeller augentur, et aer compressus continue producitur. Habet brevem dimensionem axialem et altum proportionem pressionis in una tantum statu. Compressor aeris axialifluus est compressor in quo fluxus aeris fere parallelus est axi impelleris rotantis. Compressor axialifluus ex pluribus statibus constat, quae singula unam seriem lamellarum rotoris et subsequentem seriem lamellarum statoris continent. Rotor est laminae operantes et rota, stator vero est directrix. Aer primo acceleratur a lamellis rotoris, deinde retardatur et comprimitur in canali lamellarum statoris, et hoc iteratur in lamellis plurium statuum donec proportio pressionis totalis ad gradum desideratum perveniat. Compressor axialifluus habet parvum diametrum, quod usum tandem plurium statuum facit commodum ad obtinendam altiorem proportionem pressionis.   

Motores turbofan saepe utuntur ratione by-pass, ratione pressionis motoris, temperatura aditus in turbinam, et ratione pressionis ventilatoris ut parametris designi:

Ratione by-pass (BPR): Ratio massae gasis quae per ductus egressus fluit ad massam gasis quae per ductus internos in motore fluit. Rotor ante motorem turbojet saepe vocatur compressor pressionis infimae, et rotor ante motorem turbofan saepe vocatur ventilator. Gas pressuratum quod per compressorem pressionis infimae transit per omnes partes motoris turbojet; gas quod per ventilatorem transit dividitur in ductus internum et externum. Ex quo motores turbofan primum apparuerunt, BPR crescit, et haec tendentia praesertim apparet in motoribus turbofan civilibus.

Ratio pressionis motoris (EPR): Ratio pressionis totalis ad effluentem dysi ad pressionem totalem ad inletum compressoris.

Temperātūra aditus turbinis: Temperātūra exhalātiōnis camerae combūstionis ubi in turbinem ingreditur.

Ratiō compressiōnis ventilātōris: Etiam ratiō compressiōnis appellāta, ratiō inter pressiōnem gas in effluentī turbine et pressiōnem gas in influentī turbine.

Duae efficāciās:

Efficiēntia thērmica: Mensūra quā efficāciter motor energiam calōrem generātam per combūstionem in energiam mechanicam convertit.

Efficiēntia propulsīōnis: Mensūra partis energiae mechanicalis a motore generātae quae ad propellendum aeroplanum utitur.

iI. Evolūtiō paleārum turbinis

Evolūtiō iterātīva

Exempli gratia, in turbocompressoris motoribus valor lamellarum usque ad 35 % ascendit, et ipsae sunt pars maxime necessaria in fabricando motoribus aeroplanorum. In uno motore sunt inter 3 000 et 4 000 lamellae aeronautes, quae in tres classes dividuntur: lamellae ventilatoris, lamellae compressoris, et lamellae turbinis. Valor lamellarum turbinis est maximus, ad 63 % perveniens. Eodem tempore, ipsae sunt etiam lamellae quae maxime difficultatem et sumptum in fabricando turbocompressoribus habent [2].

Annis 1970, Civitates Foederatae primae lamellas PWA1422 directionis solidificationis in motoribus aeronauticis militarium et civilium usae sunt.

Post decennium 1980, ratio impetus ad pondus motoris tertii generis ad plura quam octo crevit, et laminæ turbinis incipiunt primum genus SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 et sinicum DD3 uti. Capacitas eius ad temperaturam sustinendam est 80 K maior quam optimi altæ temperaturæ ligaturæ per solidificationem directam PWA1422. Praecepta. Coniuncta technologia refrigerationis per pelliculam et canalem cavitatis simplicem, temperatura operationis laminarum turbinis ad 1600–1750 K pervenit.

Motor turbofan quarti generis utitur secundo genere SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 et DD6. Per additionem elementorum Re et technologiae refrigerationis aeris altæ pressionis per multos canales, temperatura operationis laminarum turbinis ad 1800–2000 K pervenit. Ad 2000 K et 100 h fortitudo durans ad 140 MPa pervenit.

Tertia generatio SX, quae post annos 1990 evoluta est, includit RenéN6, CMRX-10 et DD9, quae praecipuas vires contra fluens (creep strength) habent praeter secundam generationem SX. Sub protectione canalium refrigerationis complexorum et stratorum barrierae thermalis, temperatura aditus in turbina quam sustinere potest ad 3000 K pervenit. Legatura intermetallorum, quae in paleis utitur, ad 2200 K pervenit, et vis durans per 100 horas ad 100 MPa attingit.

Nunc in evoluzione sunt quarta generatio SX, repraesentata a MC-NG[4], TMS-138, et ceteris, et quinta generatio SX, repraesentata a TMS-162, et ceteris. Compositio eius insignitur additione novorum elementorum terrarum rarus, ut Ru et Pt, quae praestantiam contra fluens (creep performance) ad altas temperaturas magnopere augent. Temperatura operativa quintae generationis legaturum ad altas temperaturas ad 1150 °C pervenit, quae prope limitem theoricum temperaturae operativae, scilicet 1226 °C, est.

iII. Evolutio legaturum superaluminosarum crystalli unici ex niccelo

3.1 Characteristica compositionis et compositio phasium superalloyorum crystallorum singularium ex nickelio

Secundum genus elementorum matrix, legamina ad altas temperaturas dividi possunt in ferrum-based, nickelium-based, et cobaltum-based, atque ulterius subdividi in structuras macroscopicas fusoriae, forgiariae, et metallurgiae pulveris. Legamina ex nickelio meliorem habent operationem ad altas temperaturas quam altera duo genera legaminum ad altas temperaturas et diu operari possunt in asperis condicionibus altarum temperaturarum.

Leges metallorum temperaturae altioris, quae in nihilo (Ni) fundantur, continere debent saltem 50 % Ni. Structura eorum crystallina faciei centrae (FCC) eos maxime aptos reddit ad quaedam elementa alligantia. Numerus elementorum alligantium additorum in processu designandi saepe superat decem. Communitas elementorum alligantium additorum sic classificatur: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo et W sunt elementa primae classis, quae ut stabilizatores austenitici funguntur; (2) Al, Ti, Ta et Nb radii atomici maioris sunt, quae formationem phasium fortificantium, ut compositum Ni₃(Al, Ti, Ta, Nb), promovent, et sunt elementa secundae classis; (3) B, C et Zr sunt elementa tertiae classis. Magnitudo atomica eorum multo minor est quam atomorum Ni, et facile ad limites granulorum fasis γ segregantur, ubi in fortificatione limitum granulorum agunt [14].

Phases legum metallorum temperaturae altioris, quae ex uno crystallo constant, sunt praecipue: fase γ, fase γ′, fase carburi, et fase compacte impilata topologice (fase TCP).

fase γ: Fase γ est fase austenitica cum structura crystallina FCC, quae est solutio solida ex elementis ut Cr, Mo, Co, W, et Re in nico dissolutis.

fase γ': Fase γ' est compositum intermetallicum Ni₃(Al, Ti) cum structura crystallina FCC, quod formatur ut fase praecipitans et certam cohaerentiam et dissonantiam cum fase matrice servat, atque est locupletatum elementis ut Al, Ti, Ta, et aliis.

Fase carburi: Ab secunda generatione nickelii superalloy SX incipiens, parva quantitas carbonis additur, quae ad apparitionem carburi ducit. Parva quantitas carburi in matrice dispersa est, quae performancem ad altas temperaturas aliquantulum meliorat. Generaliter in tres species dividitur: MC, M₂₃C₆, et M₆C.

Fase TCP: In casu senectutis functionis, elementa refractaria nimia, ut Cr, Mo, W, et Re, favent praecipitationi fasis TCP. Fasies TCP saepe formatur in modum laminae. Structura laminaris nocet ductilitati, fluens (creep), et proprietatibus faticae. Fasies TCP est una ex fontibus rimarum in rupturne propter fluens (creep rupture).

Mechanismus Fortificantis

Robustas legatorum superaluminosorum nicalis ex coniunctione plurium mechanismorum durandi provenit, inter quae fortificatio per solutionem solidam, fortificatio per praecipitationem, et tractatio thermica ad augendam densitatem dislocationum et ad evolvendam substructuram dislocationum ut fortificantur.

Fortificatio per solutionem solidam est augmentum robustatis fundamentalis per additionem diversorum elementorum solubilium, ut Cr, W, Co, Mo, Re, et Ru.

Diversitas radiorum atomicorum causat certum gradum distortionis reticuli atomici, quod motum dislocationum inhibet. Fortificatio per solutionem solidam crescit cum incremento differentiae magnitudinis atomicae.

Fortificatio per solutionem solidam efficit etiam minutionem energiae defectus impilandi (SFE), praesertim inhibens transversum glissandum dislocationum, quod est modus principalis deformationis crystallorum non-idealis ad temperaturas altas.

Gruppi atomici vel microstructurae ordinis brevis sunt alius mechanismus qui fortificationem per solutionem solidam adiuvat. Atomae Re in SX segregantur in regione tensionis trahentis nuclei dislocationum ad interfaciem γ/γ’, formantes "atmosphaeram Cottrell", quae efficaciter prohibet motum dislocationum et propagationem rimarum. (Atomae solutae in regione tensionis trahentis dislocationum marginalium congregantur, diminuendo distortionem reticuli, formando structuram quasi gas Coriolis, et producendo fortissimum effectum fortificationis per solutionem solidam. Hic effectus augetur cum concentratione atomarum solutarum et differentia magnitudinis crescit.)

Res, W, Mo, Ru, Cr et Co efficaciter γ phasim roborant. Solidi solutionis roboratio γ matrikis partes maxime magni momenti agit in resistentia ad fluens caloris metallorum ex niccolo compositorum.

Effectus durandi per praecipitationem afficitur a fractione voluminis et magnitudine phaseos γ'. Propositum optimandi compositionem legatorum ad altas temperaturas est praecipue augere fractionem voluminis phaseos γ' et meliorare proprietates mechanicas. Legata ad altas temperaturas SX possunt continere 65%–75% phaseos γ', quod ducit ad bonam resistentiam ad fluens. Hoc repraesentat utilem valorem maximum effectus durandi interfaciei γ/γ', et ulterior augmentatio ducet ad notabilem diminutionem resistentiae. Resistentia ad fluens legatorum ad altas temperaturas, quae magnam fractionem voluminis phaseos γ' habent, afficitur a magnitudine partium phaseos γ'. Cum magnitudo phaseos γ' parva est, dislocationes tendunt circum eam scandere, quod ducit ad diminutionem resistentiae ad fluens. Cum dislocationes coguntur phaseos γ' secare, resistentia ad fluens ad suum maximum pervenit. Cum particulae phaseos γ' in magnitudine augentur, dislocationes tendunt inter eas flecti, quod ducit ad diminutionem resistentiae ad fluens [14].

Tres sunt principales mechanismi fortificationis per praecipitationem:

Fortificatio propter inaequalitatem reticuli: Fase γ’ sparsa est et in matrice fasis γ coherentiter praecipitata. Utraque structura est FCC. Inaequalitas reticuli indicat stabilitatem et statum tensionis interfaciei cohaerentis inter duas fases. Optimum casu est cum matrix et fase praecipitata eandem structuram crystallinam et eandem geometriam parametrorum reticuli habent, ut plures fases praecipitatae in phasem γ inseri possint. Intervallum inaequalitatis in alliis nikellicis ad altas temperaturas est 0 usque ad ±1%. Rhenium et Ruthenium manifeste in phasem γ segregantur. Auctio Rhenii et Ruthenii inaequalitatem reticuli auget.

Fortificatio propter ordinem: Sectio dislocationum turbatum ordinem inter matricem et phasem praecipitatam inducit, quod plus energiae requirit.

Mechanismus dislocationis praetergressivus: vocatur mechanismus Orowan (flexio Orowan), est mechanismus roborantis, in quo fase precipitata in matrice metallica impedimentum offert dislocationi in motu, ne ulterius moveatur. Principium fundamentale: cum dislocatio movens partem obviam invenit, transire non potest, unde comportamentum praetergressivum, incrementum lineae dislocationis et augmentum virium necessariarum ad motum consequuntur, quod effectum roborantis producit.

3.3 Progressus methodorum fundendi legatorum ad altas temperaturas

Primum metallorum alligatorum usum in ambientibus ad altas temperaturas retro ducere licet ad inventionem Nichromae anno 1906. Apparitio turbo-compressorum et motorum turbinei gasosi magnam evolutionem alligatorum ad altas temperaturas excitavit. Paleae primae generationis motorum turbinei gasosi per extrusionem et forgiaturam fabricatae sunt, quae manifeste limites aetatis suae habebant. Nunc paleae turbineae ex alligato ad altas temperaturas praecipue per fusionem in cera (investment casting) fiunt, praesertim per solidificationem directam (DS). Methodus DS primum ab aequipe Versnyder apud Pratt & Whitney in Civitatibus Foederatis decennio 1970 inventa est [3]. Per decennia evolutionis, materia optima pro paleis turbineis mutata est ab crystallis isometricis ad crystallis columnaribus, deinde ad optimatas materias alligatorum ad altas temperaturas monocristallinas.

Tecnologia DS utiturur ad producendos componentes SX ex legatis columnaribus, quae ductilitatem et resistentiam ad thermicum impulsuum altorum temperaturarum notabiliter augent. Tecnologia DS certam facit ut cristalla columnaria producta orientatio [001] habeant, quae axi principalis tensionis partis parallela est, non autem orientatio cristallina fortuita. Principio, DS certam facere debet ut solidificatio metalli liquefacti in fusione ita fiat ut metallum liquidum alimentans semper in statu nuper-solidificato maneat.

Fusio cristallorum columnarium duabus conditionibus satisfacere debet: (1) Fluxus caloris unidirectionalis certum facit ut interfacies solida-liquida in puncto crescentis granuli in unam directionem moveatur; (2) Nucleatio ante directionem motus interfaciei solida-liquida non fieri debet.

Quia fractura laminae saepe in alta temperatura debili structura limitis granulorum accidit, ut limitem granulorum tollamus, in processu solidificationis directae forma solidificationis cum structura «selectoris granulorum» utitur. Magnitudo transversalis huius structurae prope magnitudinem granuli est, ut solum unum granulum optime crescentis in cavitas formae fundi ingrediatur, deinde in forma crystalli unius continue crescat, donec tota lamina ex uno tantum granulo constet.

Selector crystalli in duas partes dividi potest: in blocum initialem et in spiralem:

In principio processus DS, granula incipiunt nucleare in fundo bloci initiales. In prima parte incrementi granulorum, numerus eorum magnus est, magnitudo parva, et differentia orientationis magna. Comportamentum crescendi competitivum inter granula dominat, et effectus impediendi geometrici parietis lateralis debilis est. Hoc tempore effectus optimisationis orientationis manifestus est; cum autem altitudo granulorum in bloco initiali crescit, numerus granulorum minuitur, magnitudo augescit, et orientatio adpropinquat. Comportamentum crescendi competitivi inter granula diminuit, et effectus impediendi geometrici parietis lateralis dominat, ut directio crystallina continue optimari possit, sed effectus optimisationis orientationis imminuitur. Per minuendum radium bloci initiales et augendo altitudinem bloci initiales, orientatio granulorum intrantium sectionem spiralem efficaciter optimari potest. Tamen, augmentatio longitudinis bloci initiales spatium crescendi efficax fundimenti breviabit, et cyclum productionis atque impensas praeparationis augebit. Ideo necesse est structuram geometricam substrati rationabiliter designare.

Functio principalis spiralis est efficax selectio cristallorum singularium, at facultas optimandi orientationem granulorum est infirma. Cum processus DS in spirali perficitur, canalis curvus spatium praebet pro incremento ramorum dendriticorum, et dendritae secundariae granulorum progrediuntur in directione lineae liquiditatis. Granula tendentiam habent fortissimam ad developmentum laterale, et orientatio granulorum in statu fluctuante est, cum effectu optimisationis infirmo. Ergo, selectio granulorum in spirali praecipue pendet ab advantagio restrictionis geometricae, ab advantagio crescendi competitivi, et ab advantagio expansionis spatialis granulorum in segmento spirali [7], non autem ab advantagio crescendi orientationis praefertae granulorum, quod fortissimam habet randomitatem [6]. Propterea, causa principalis defectus in selectione cristallorum est quod spiralis non agit functionem selectionis cristalli singularis. Per augendum diametrum externum spiralis, minuendum intervallum (pitch), minuendum diametrum superficiei spiralis, et minuendum angulum initialem, effectus selectionis cristallorum notabiliter meliorari potest.

Praeparatio cavitatis laminarum turbinis monocristallinarum plus quam duodecim gradus requirit (exempli gratia, fusio metalli principis, praeparatio testae membranaceae monocristallinae, praeparatio nuclei ceramici configurationis complexae, fusio in formam, solidificatio directa, tractatio thermica, tractatio superficiei, praeparatio tegimenti barrierae thermalis, etc.). Processus complexus varia vitia generare pronus est, ut sunt granula errantia, efelides, limites granulorum anguli parvi, cristalla striata, deviatio orientationis, recrystallizatio, limites granulorum anguli magni, et defectus electionis crystalli.