الراقية توقعات تطوير تكنولوجيا الصب الدقة

من مجموعة السيد تشين بينغ

المسبوكات عالية الدقة أو المسبوكات الدقيقة ذات القيمة المضافة العالية، التي تشمل الطيران والأسلحة وتوربينات الغاز الصناعية وغيرها من القطاعات المهمة، أصبحت الأصناف والمواصفات تدريجيًا، سواء كانت معدنية أو جودة المظهر، مطلوبة للغاية. في هذه الورقة، فقط عدد قليل من الأمثلة النموذجية لتاريخ التنمية واتجاهاتها لتقديم مقدمة موجزة.

صناعة الدفاع

 1- شفرات توربينات المحرك الهوائي

يتكون الجزء الأساسي لمحرك الطيران الحديث (أو المحرك النفاث) بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: جهاز الضغط وغرفة الاحتراق والتوربين (الشكل 1). يرتبط بشكل وثيق بالصب الدقيق محرك الضغط بعد عدة مراحل من الشفرات وشفرات التوربينات، بما في ذلك الشفرات الثابتة (الشفرات التوجيهية) والشفرات الديناميكية (الشفرات العاملة). تختلف أنواع الطائرات واستخداماتها، ومتطلبات المحرك ليست هي نفسها، ولكن هناك شيء واحد شائع، وهو التحسين المستمر لنسبة الدفع إلى الوزن وتقليل استهلاك الوقود. ولتحقيق هذه الغاية، يعد تحسين الكفاءة الحرارية هو المفتاح، والتدابير التقنية الرئيسية لتحسين الكفاءة الحرارية ليست أكثر من زيادة نسبة الضغط لضاغط الضغط ودرجة حرارة المدخل الأمامي للتوربين (الشكل 1). والنتيجة ستؤدي حتمًا إلى ارتفاع درجة حرارة النظام بأكمله، والأجزاء ذات الصلة، وخاصة درجة حرارة عمل شفرة التوربين، تزداد أعلى وأعلى. درجة حرارة العمل لشفرات التوربينات من الدرجة الأولى تعادل تقريبًا درجة حرارة مدخل التوربينات، وتصل درجة حرارة مدخل التوربينات الحالية للمحرك الجوي الأكثر تقدمًا إلى 1700 درجة مئوية، وهو ما يتجاوز نقطة انصهار النيكل العالية - درجة حرارة السبائك بحوالي 300 درجة مئوية.

وفقا للمبادئ الأساسية لعلم المعادن، فإن حدود الحبوب هي حلقات ضعيفة في درجات حرارة عالية، وبالتالي فإن منطقة حدود الحبوب في مادة سبيكة شفرة التوربين لا بد أن تصبح أصغر وأصغر، من تطور البلورات متساوية المحاور (1950S) إلى اتجاه اتجاه الضغط الرئيسي للبلورة العمودية الموجهة الموازية لاتجاه الضغط الرئيسي (1970S)، يتم أيضًا زيادة درجة حرارة تشغيل الشفرة من 900 إلى 1000 درجة مئوية إلى 1000 إلى 1100 درجة مئوية، كما أن طرق الصب تكون أيضًا متوافقة مع ذوبان الفراغ العادي - تم تطوير الصب إلى التصلب الاتجاهي حتى صب الكريستال الفردي (الشكلان 2 و 3).

طورت بلدان مختلفة التركيب الكيميائي للسبائك أحادية البلورة ليس هو نفسه، ولكن البنية المجهرية هي نفسها في الأساس، أي أن المحلول الصلب القائم على النيكل γ- الطور كركيزة، هو مرحلة مقوية ذات درجة حرارة عالية مكعبة γ 'مطعمة فيها ( الشكل 4). حتى الآن، شهدت سبائك البلورة الواحدة R & D جيلًا أو جيلين أو ثلاثة أجيال، وتدخل الآن الجيل الرابع والخامس وحتى الجيل السادس من مرحلة البحث والتطوير، وتتجه نحو استخدام هدف درجة حرارة 1150 درجة مئوية. . على الرغم من عقود من الجهود المتواصلة، من وجهة نظر السبائك وحدها، لم تتجاوز درجة حرارة الخدمة بعد 1150 درجة مئوية. ومع ذلك، فإن أحدث متطلبات درجة حرارة مدخل توربينات المحركات الجوية تصل إلى 1700 درجة مئوية، أي بفارق يصل إلى 600 درجة مئوية تقريبًا. كيف يمكن تعويض هذه الفجوة البالغة 600 درجة مئوية؟ في الوقت الحاضر، يتم ذلك بشكل رئيسي بمساعدة اثنين من التدابير التقنية، وهما تبريد الهواء داخل الشفرة وطلاء الحاجز الحراري الخارجي للشفرة. من أجل التحسين المستمر لكفاءة تبريد الهواء، يجب أن تكون قناة التبريد الداخلية للشفرة متعرجة، بحيث يكون تأثير التبريد في جميع أنحاء أجزاء جسم الورقة، وخاصة حافة السحب والعادم. وينتج عن هذا أشكال هيكلية معقدة ومتقنة بشكل متزايد للنوى الخزفية التي تشكل التجاويف الداخلية (الشكل 5). نظرًا لضعف خصائص التشكيل والتصنيع لجميع السبائك عالية الحرارة تقريبًا، خاصة مع التجاويف الداخلية المعقدة (قنوات التبريد)، فقد أصبح الصب الدقيق بجدارة طريقة القولبة الوحيدة لشفرات توربينات المحركات الهوائية حتى الآن.

باختصار، طلاء الحاجز الحراري هو طلاء عازل للحرارة، وهي تقنية جديدة تم تطويرها فقط في نهاية القرن الماضي. يتكون هيكلها الأساسي من طبقتين، طبقة علوية من السيراميك ذات موصلية حرارية صغيرة وطبقة لاصقة مصممة لمنع أكسدة الركيزة وربطها بإحكام (الشكل 6). يتكون الأول بشكل رئيسي من خلال طرق ترسيب البخار الفيزيائي مثل شعاع الإلكترون أو البلازما، بينما يتكون الأخير من ترسيب البخار الكيميائي. يجب أن يتطابق معامل التمدد الحراري الإجمالي للطلاء مع المادة الأساسية لضمان عدم تشققها أو تقشرها عند درجة حرارة عالية تصل إلى 1700 درجة مئوية. يجب أيضًا تطبيق الطلاء على المادة الأساسية. يوضح الشكل 7 شفرة توربينية مجوفة مع طبقة حاجز حراري.

2 、 المكونات الهيكلية المتكاملة الكبيرة

يظهر الشكل 8 ملف تعريف نموذجي لمحرك الطائرة. ويتكون الغلاف من عدد من الأجزاء، يشار إليها غالبًا باسم "المجلة". بعد غرفة الاحتراق لا يوجد عمومًا أي صب، في حين أن الجزء المضغوط من بعض الأشكال المعقدة للغاية للمجلة غالبًا ما يتم فقط من خلال صب القالب. تستمر نسبة زيادة المتطلبات المتزايدة لدرجة حرارة تشغيل ضاغط الهواء المضغوط في الارتفاع، وبالتالي فإن طريقة تشكيل هذه المجلات من الألومنيوم وسبائك المغنيسيوم (تطوير صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ في الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين - ملحومة بسبائك التيتانيوم الحالية) أو الصب الدقيق للسبائك ذات درجة الحرارة العالية ويبين الشكل 9 مجلة سبائك التيتانيوم الكبيرة التي تنتجها شركة PCC، ويبين الشكلان 10 و11 مجلة سبائك التيتانيوم وقالب الشمع الذي تنتجه شركة Howmet على التوالي.

نظرًا لأن سبائك التيتانيوم تتمتع بقوة محددة وصلابة محددة أعلى من السبائك الأخرى، فقد تم أيضًا استخدام المكونات الهيكلية المعقدة ذات الجدران الرقيقة الكبيرة لسبائك التيتانيوم على نطاق واسع في المكونات الهيكلية الكبيرة الحاملة للطائرات (الشكل 12) وهياكل الصواريخ (الشكل 13). ) منذ السبعينيات.

3، سبائك الألومنيوم المصبوبات الدقيقة مع هيكل متكامل

تُستخدم هذه المصبوبات على نطاق واسع في الرفوف، والإطارات، والقواعد، والمشعات الخاصة بالمعدات الإلكترونية ومعدات الاتصالات، وما إلى ذلك. ويوضح الشكل 14 بعض الأمثلة النموذجية. المصبوبات الدقيقة من سبائك الألومنيوم ذات الهيكل المتكامل.

 توربينات الغاز الصناعية

لقد أصبح الحد من انبعاثات غازات الدفيئة تحديا خطيرا للبشرية جمعاء. لا شك أن أكبر كمية من ثاني أكسيد الكربون تنبعث من محطات الطاقة الحرارية (الحرارية) حول العالم. بشكل عام، يتم تصنيف توليد الطاقة الحرارية على أنه يعمل بالفحم، أو بالزيت، أو بالغاز، اعتمادًا على الوقود المستخدم. تختلف انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل وحدة حرارة تنتجها هذه الأنظمة الثلاثة اختلافًا كبيرًا، حيث تبلغ القيم النسبية 1.00 و0.76 و0.53 على التوالي، مما يعني أنه يمكن تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار النصف تقريبًا إذا تم استبدال كل مصادر توليد الطاقة التقليدية التي تعمل بالفحم. عن طريق توليد الطاقة بالغاز. كما نعلم جميعًا، في الوقت الحاضر، لا تزال معدات توليد الطاقة الحرارية في الصين تتكون بشكل أساسي من توربينات بخارية تعمل بالفحم، ومن وجهة نظر تحسين كفاءة استخدام الطاقة لمعدات توليد الطاقة، فقد تحولت الدول الصناعية منذ فترة طويلة إلى توربينات الغاز التي تغذيها النفط أو غاز. لا يتم تشغيل معدات توليد الطاقة وطاقة السفن وبعض المضخات الميكانيكية عالية الطاقة وأجهزة الضغط وغيرها من المعدات أيضًا بواسطة توربينات الغاز. لذلك، تعتبر توربينات الغاز في جميع البلدان الصناعية تقريبًا واحدة من الأسواق الرئيسية لصناعة الصب الدقيق، حيث تمثل مبيعاتها حوالي ثلث حصة السوق. لسوء الحظ، لأسباب مختلفة، لا تزال صناعة توربينات الغاز في الصين حتى الآن على مستوى منخفض إلى حد ما من التطوير، بما في ذلك شفرات التوربينات، بما في ذلك العديد من المكونات الرئيسية التي لا تزال في مرحلة التطوير، وهو ما يمثل نسبة حصة سوق الصب الدقيق لا تذكر.

في الواقع، مبدأ العمل وهيكل توربينات الغاز الصناعية هو في الأساس نفس مبدأ عمل محرك الطيران، ويتكون الجزء الأساسي أيضًا من ثلاثة أجزاء، مثل الضاغط وغرفة الاحتراق والتوربين (الشكل 15). لذلك، تم نقل العديد من تقنيات الصب الدقيقة المتقدمة المستخدمة في محركات الطيران، مثل التصلب الاتجاهي، والصب البلوري الفردي، وتبريد الشفرات، وطلاء الحاجز الحراري، إلى توربينات الغاز بكميات كبيرة. مثل المحركات الهوائية، ترتبط الكفاءة الحرارية لتوربينات الغاز ارتباطًا مباشرًا بدرجة حرارة مدخل مقدمة التوربين. على سبيل المثال، بالنسبة للنوع التقليدي من مجموعة المولدات ذات الدورة المركبة المشهورة في العالم، فإن درجة حرارة المدخل الأمامي للتوربين هي 1100~1300°C، والكفاءة الحرارية هي 43%~48%؛ بينما النوع الجديد من درجة حرارة المدخل الأمامي لتوربينات الغاز هي 1500 درجة مئوية، والكفاءة الحرارية هي 52%؛ والقيمة المستهدفة للكفاءة الحرارية لتوربينات الغاز فائقة الكفاءة في عملية البحث والتطوير هي 56% ~ 60%، وسيتم زيادة درجة حرارة المدخل الأمامي للتوربين إلى 1700 درجة مئوية.

على الرغم من أن متطلبات توربينات الغاز الصناعية من حيث نسبة الدفع إلى الوزن ليست عالية مثل تلك الخاصة بالمحركات الهوائية، إلا أن الصعوبة تكمن في الحجم الكبير. يوضح الشكل 16 شفرات التوربينات الأولية والثانوية لتوربينات الغاز الصناعية MS9001FA من GE، بأطوال 43 سم و56 سم، وكتل 13.5 كجم و12.6 كجم، على التوالي. يوضح الشكل 17 قسم المروحة في ريشة التوجيه التوربينية، بطول 60 سم وكتلة أكبر من 60 كجم. كما تم الإبلاغ عن أن أطوال تصميم شفرات توربينات توربينات الغاز الصناعية قد وصلت إلى 90 سم. يوضح الشكل 18 شفرة توربينية بلورية مفردة بطول 30 سم تم تطويرها بنجاح بواسطة شركة Mitsubishi Heavy Industries في اليابان في عام 2011. ويوضح الشكل 19 قالبًا شمعيًا أثناء عملية الضغط. يوضح الشكل 20 قلبًا خزفيًا (فارغًا) يتم تشذيبه.

 شاحن توربيني لمحرك السيارة

الغرض الأصلي من تركيب الشاحن التوربيني في السيارة هو الاستفادة الكاملة من غازات العادم المنبعثة من المحرك لدفع توربين الشاحن التوربيني إلى الدوران، والذي يقوم بدوره بتشغيل دافع الضاغط المحوري لضغط الهواء وإمداده إلى المحرك ، وبالتالي زيادة قوة المحرك وعزم الدوران لتحقيق تأثير تقليل استهلاك الوقود وجعل الغازات المنبعثة أنظف (الشكلان 21 و 22).

عادة، تصدر محركات الديزل في سيارات الركاب غازات العادم عند درجة حرارة قصوى تبلغ حوالي 850 درجة مئوية، بينما يمكن أن تصل محركات البنزين إلى 1050 درجة مئوية. لذلك، عادة ما تكون التوربينات مصبوبة بدقة من سبائك النيكل ذات درجة الحرارة العالية مثل 713C أو MarM. تعتبر تقنية الصب المضاد للجاذبية (الصب الفراغي) الحاصلة على براءة اختراع لشركة Hitchiner Manufacturing Co., Inc. في الولايات المتحدة الأمريكية (الشكل 23) هي الطريقة الأكثر كفاءة لإنتاج مثل هذه المنتجات. من ناحية أخرى، لا تعمل دافعات الضاغط الأمامي في درجات حرارة عالية وعادةً ما تكون مصنوعة من سبائك الألومنيوم المصبوبة بدقة. تكون الضواغط والتوربينات ذات الشاحن الفائق صغيرة الحجم بشكل عام، ولكنها تتمتع بسرعات دوران عالية جدًا، تصل إلى 250.000 دورة في الدقيقة أو أكثر، مما يؤدي إلى متطلبات جودة صارمة للغاية لهاتين الدوافع. على الرغم من أن هناك أيضًا عددًا من الشركات المصنعة المحلية تنتج هاتين الدوافع، إلا أن الإنتاج في إجمالي الطلب لا يمثل نسبة كبيرة.

في السنوات الأخيرة، أصبح استخدام المحركات الصغيرة ذات الشواحن التوربينية لتحل محل المحركات الكبيرة ذات السحب الطبيعي اتجاهًا شائعًا في أوروبا بسبب الدعوات المتزايدة لتقليل استهلاك الوقود وتحسين جودة الهواء في المناطق الحضرية، ومع عام 2011 كعام الأساس، ارتفع معدل التثبيت سوف يتضاعف عدد الشواحن الفائقة أو أكثر بحلول عام 2016، وهو ما يمثل ما يصل إلى 76% من الإجمالي. ومع ذلك، نظرًا لأن مولدات السيارات في الدول الأوروبية هي محركات ديزل بشكل أساسي، فإن تركيب الشاحن التوربيني فقط لا يكفي لتلبية معايير انبعاثات المركبات في الاتحاد الأوروبي التي يتم تحديثها باستمرار، ولكن يجب أيضًا أن تكون مجهزة بأنظمة السحب والعادم لتقليل PM2.5 وأكاسيد النيتروجين. وغيرها من الانبعاثات الضارة. العديد من الأجزاء في النظام، معظم المواد من الفولاذ المقاوم للصدأ، مع هندسة معقدة، وجدار رقيق ومتطلبات دقة الأبعاد ذات خصائص أعلى، مناسبة جدًا للقولبة بطريقة الصب الدقيقة، مما يجعل المسبوكات الدقيقة للسيارات مسؤولة عن التوسع السريع في حصة السوق من 5٪ في عام 2004 إلى 16٪ في عام 2011، خلال نفس الفترة الزمنية في اليابان، من 24٪ قفز إلى 43٪. على الرغم من أن المسبوكات الدقيقة لنظام السحب والعادم لشاحن السيارات، من وجهة نظر عامة في سوق الصب الدقيق لا يمكن اعتبارها إلا كمنتجات متوسطة المدى، ولكن بسبب الطلب في السوق، فإن تطوير صناعة الصب الدقيق في الصين يوفر فرصة نادرة. في القرن الحادي والعشرين، دلتا نهر اليانغتسي في الصين وبحر بوهاي والمناطق الأخرى للعديد من شركات الصب الدقيق، التي تعتمد على الإصلاح والانفتاح لتوفير المزايا السياسية والجغرافية، لا تضيع أي وقت لاغتنام الفرصة لجعل هذا الجزء من الصب الدقيق استقرت المنتجات في هذه المجالات وتطورت بسرعة إلى سوق منتجات جديدة، في نفس الوقت، بغض النظر عما إذا كانت من إدارة المؤسسة إلى معالجة التكنولوجيا والمعدات، ولكن أيضًا على أساس الأصل لتعزيز الخطوة. ومن الجدير بالذكر أن محركات السيارات المحلية، على الرغم من أن سيارات الركاب لا تزال تهيمن عليها محركات البنزين، إلا أن سيارات الشحن تهيمن عليها محركات الديزل. مع التحسن التدريجي لمتطلبات جودة الهواء في الصين، لا بد أن يشكل الشاحن التوربيني والمعدات الداعمة له سوقًا محليًا جديدًا بسرعة، وسيتم تطوير صناعة الصب الدقيق في الصين ومن ثم إضافة موجة جديدة من حيوية التطوير.

إن تقليل كثافة الأجزاء الدوارة للشاحن الفائق له تأثير إيجابي على كل من كفاءة المحرك والاستجابة العابرة. سبائك التيتانيوم والألومنيوم (TiAl) بوزن نوعي 4.2، وسبائك النيكل (713 C) بثقل نوعي 7.9، لذلك إذا كانت الأولى بدلاً من الأخيرة، ستنخفض الكتلة بمقدار النصف تقريبًا (47٪)، وبالتالي تقليل القصور الذاتي للتوربين، مما يؤدي إلى تقصير وقت الاستجابة لزيادة عزم الدوران، بحيث يمكن تحسين خصائص الاستجابة العابرة للشاحن التوربيني. وفقًا لشركة Daido Casting اليابانية (شركة Daido Casting)، فإن استخدام مزيج من ذوبان التعليق والصب الفراغي قد نجح في صب توربينات الشاحن التوربيني لسبائك التيتانيوم والألمنيوم، ووضعها في الإنتاج الضخم. الشكل 24 لمبدأ ذوبان التعليق (يسار) وحوض الذوبان (يمين)، الشكل 25 لذوبان المعلق - رسم تخطيطي لجهاز صب الشفط الفراغي.

   ألومنيوم تيتانيومصب الدقة للسبائك

سبائك التيتانيوم والألومنيوم عبارة عن مركب بين المعادن ذو كثافة منخفضة وخصائص ميكانيكية جيدة لدرجات الحرارة العالية ومقاومة للأكسدة، والتي يمكن استخدامها لتحل محل بعض السبائك عالية الحرارة وغيرها من المواد المقاومة للحرارة العالية في الفضاء الجوي وتوربينات الغاز الصناعية وصناعات السيارات. . تثبت نتائج اختبار الخواص الميكانيكية أن لديها مقاومة عالية للزحف ومقاومة ممتازة للتعب عند 760 درجة مئوية. ولكن هذه المواد هشة، واستطالة درجة حرارة الغرفة أقل من 2٪، ومقاومة التأثير وأداء تمديد الكراك ضعيف، وبالتالي فإن صب القالب يصبح أفضل وسيلة لتشكيل هذه المواد. منذ تسعينيات القرن الماضي، يتم استخدام المزيد والمزيد بدلاً من سبائك النيكل ذات الحرارة العالية لتصنيع شفرات توربينات الغاز الصناعية (الشكل 26أ)، وتوربينات الصب بالكامل (الشكل 26ب)، وشفرات المحركات الهوائية (الشكل 26ج)، والسيارات صمامات مدخل اسطوانة محرك الاحتراق الداخلي وصمامات العادم وغيرها من المنتجات.