چشم انداز توسعه فناوری ریخته گری با دقت بالا

از مجموعه آقای چن بینگ

ریخته گری با دقت بالا یا ریخته‌گری‌های دقیق با ارزش افزوده بالا، شامل هوافضا، تسلیحات، توربین‌های گاز صنعتی و سایر بخش‌های مهم، به تدریج انواع، مشخصات، اعم از متالورژی یا کیفیت ظاهری بسیار خواستار هستند. در این مقاله، تنها چند نمونه معمولی از تاریخچه توسعه و روندها را به معرفی مختصر می پردازیم.

صنعت دفاعی

 1- پره های توربین موتور هوا

بخش اصلی موتور هوانوردی مدرن (یا موتور جت) عمدتاً از سه بخش تشکیل شده است: فشار دهنده، محفظه احتراق و توربین (شکل 1). موتور تحت فشار پس از چندین مرحله پره‌ها و پره‌های توربین، از جمله تیغه‌های استاتیک (تیغه‌های راهنما) و تیغه‌های دینامیک (تیغه‌های کار) نزدیک به ریخته‌گری دقیق مرتبط هستند. در انواع و کاربردهای مختلف هواپیما، الزامات موتور یکسان نیست، اما یک چیز مشترک است، یعنی بهبود مداوم نسبت رانش به وزن و کاهش مصرف سوخت. برای این منظور، بهبود راندمان حرارتی کلید است و اقدامات فنی اصلی برای بهبود راندمان حرارتی چیزی نیست جز به حداکثر رساندن نسبت فشار فشار دهنده و دمای ورودی جلوی توربین (شکل 1). نتیجه به ناچار باعث افزایش دمای کل سیستم می شود، قسمت های مربوطه، به ویژه دمای کار پره های توربین بالاتر و بالاتر می رود. دمای کار پره‌های توربین درجه یک تقریباً معادل دمای ورودی توربین است و دمای ورودی توربین فعلی پیشرفته‌ترین موتور هوا به 1700 درجه سانتیگراد باورنکردنی است که از نقطه ذوب بالای مبتنی بر نیکل فراتر می‌رود. آلیاژهای درجه حرارت حدود 300 ℃.

طبق اصول اولیه متالورژی، مرزهای دانه در دماهای بالا حلقه های ضعیفی هستند، بنابراین منطقه مرزی دانه های مواد آلیاژی تیغه توربین، از توسعه کریستال های هم محور (1950S) به سمت جهت کوچکتر و کوچکتر می شود. جهت تنش اصلی کریستال ستونی جهت موازی با جهت تنش اصلی (1970S)، دمای عملیاتی تیغه نیز از 900 تا 1000 درجه سانتیگراد به 1000 تا 1100 درجه سانتیگراد افزایش یافته است و روشهای ریخته گری نیز به ترتیب از ذوب خلاء معمولی هستند - ریخته گری تا زمان ریخته گری تک بلور به انجماد جهت دار توسعه یافت (شکل 2 و 3).

کشورهای مختلف توسعه یافته ترکیب شیمیایی آلیاژ تک کریستال یکسان نیست، اما ریزساختار اساساً یکسان است، یعنی فاز γ-محلول جامد مبتنی بر نیکل به عنوان یک بستر، فاز γ تقویت شده با دمای بالا مکعبی است که در آن نقش بسته است. شکل 4). تا کنون، تحقیق و توسعه آلیاژ تک کریستال یک، دو، سه نسل را تجربه کرده است، در حال حاضر وارد نسل چهارم، پنج و حتی ششمین مرحله تحقیق و توسعه می شود، به سمت استفاده از دمای 1150 درجه سانتیگراد حرکت می کند. . علیرغم چندین دهه تلاش بی وقفه، از نقطه نظر آلیاژ به تنهایی، دمای سرویس هنوز از 1150 ℃ تجاوز نکرده است. با این حال، آخرین مورد نیاز دمای ورودی توربین موتور هوا تا 1700 درجه سانتیگراد است، اختلافی نزدیک به 600 درجه سانتیگراد. چگونه می توان این فاصله 600 درجه سانتیگراد را جبران کرد؟ در حال حاضر، عمدتا با کمک دو اقدام فنی، یعنی خنک کننده هوا در داخل تیغه و پوشش مانع حرارتی بیرونی تیغه. به منظور بهبود مستمر راندمان خنک کننده هوا، کانال خنک کننده داخلی تیغه باید پرپیچ و خم باشد، به طوری که اثر خنک کنندگی آن در تمام قسمت های بدن برگ، به ویژه لبه ورودی و اگزوز. این منجر به شکل‌های ساختاری پیچیده و پیچیده‌تر برای هسته‌های سرامیکی می‌شود که حفره‌های داخلی را تشکیل می‌دهند (شکل 5). با توجه به خواص ضعیف آهنگری و ماشینکاری تقریباً همه آلیاژهای با دمای بالا، به ویژه با حفره‌های داخلی پیچیده (کانال‌های خنک‌کننده)، ریخته‌گری دقیق به شایستگی به تنها روش قالب‌گیری برای پره‌های توربین‌های موتور هوا تبدیل شده است.

به طور خلاصه، پوشش مانع حرارتی، یک پوشش عایق حرارتی است، یک فناوری جدید که تنها در پایان قرن گذشته توسعه یافت. ساختار اصلی آن از دو لایه تشکیل شده است، یک لایه رویی سرامیکی با رسانایی حرارتی کوچک و یک لایه چسب که برای جلوگیری از اکسید شدن زیرلایه و چسباندن محکم آن طراحی شده است (شکل 6). اولی عمدتاً با روش‌های رسوب فیزیکی بخار مانند پرتو الکترونی یا پلاسما تشکیل می‌شود، در حالی که دومی با رسوب شیمیایی بخار تشکیل می‌شود. ضریب انبساط حرارتی کلی پوشش باید با مواد زیرلایه مطابقت داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که در دمای بالای 1700 درجه سانتیگراد ترک نمی خورد و پوسته پوسته نمی شود. پوشش همچنین باید روی مواد زیرلایه اعمال شود. شکل 7 یک پره توربین توخالی با پوشش مانع حرارتی را نشان می دهد.

2- اجزای ساختاری یکپارچه بزرگ

یک نمایه معمولی موتور هوا در شکل 8 نشان داده شده است. پوشش شامل تعدادی محفظه است که اغلب به عنوان "مجله" نامیده می شود. بعد از محفظه احتراق معمولاً ریخته گری وجود ندارد، در حالی که قسمت تحت فشار برخی از شکل های بسیار پیچیده مجله اغلب فقط از طریق ریخته گری قالب است. نسبت افزایش نیازهای روزافزون دمای کارکرد کمپرسور هوای تحت فشار همچنان در حال افزایش است، بنابراین روش قالب گیری این مجلات از آلومینیوم، ریخته گری شن و ماسه آلیاژ منیزیم (توسعه ورق فولادی ضد زنگ دهه 1950 تا 1960 - جوش داده شده به آلیاژ تیتانیوم فعلی یا ریخته گری دقیق آلیاژهای با دمای بالا در شکل 9 مجله آلیاژ تیتانیوم بزرگ تولید شده توسط PCC را نشان می دهد و شکل 10 و 11 به ترتیب مجله آلیاژ تیتانیوم و قالب موم تولید شده توسط Howmet را نشان می دهد.

از آنجایی که آلیاژهای تیتانیوم دارای استحکام ویژه و سختی ویژه بالاتری نسبت به سایر آلیاژها هستند، اجزای ساختاری پیچیده جدار نازک آلیاژهای تیتانیوم نیز به طور گسترده در اجزای ساختاری باربر بزرگ هواپیماها (شکل 12) و بدنه موشک (شکل 13) استفاده شده است. ) از دهه 1970.

3، ریخته گری دقیق آلیاژ آلومینیوم با ساختار یکپارچه

این ریخته گری ها به طور گسترده در قفسه ها، قاب ها، پایه ها و رادیاتورهای تجهیزات الکترونیکی و مخابراتی و غیره استفاده می شوند.

 توربین های گاز صنعتی

کاهش انتشار گازهای گلخانه ای به چالشی جدی برای همه بشر تبدیل شده است. بیشترین میزان دی اکسید کربن بدون شک از نیروگاه های ترموالکتریک (حرارتی) در سراسر جهان منتشر می شود. به طور کلی، تولید برق حرارتی بسته به سوخت مورد استفاده به عنوان سوخت زغال سنگ، نفت سوز یا گازی طبقه بندی می شود. انتشار دی اکسید کربن در واحد گرمای تولید شده توسط این سه سیستم بسیار متفاوت است، به ترتیب با مقادیر نسبی 1.00، 0.76 و 0.53، که به این معنی است که انتشار دی اکسید کربن را می توان تا حدود نصف کاهش داد اگر تمام تولید برق با سوخت زغال سنگ معمولی جایگزین شود. با تولید برق با سوخت گاز. همانطور که همه ما می دانیم، در حال حاضر، تجهیزات تولید برق حرارتی چین هنوز عمدتاً توربین های بخار با سوخت زغال سنگ هستند، از نقطه نظر بهبود بهره وری انرژی تجهیزات تولید برق، کشورهای صنعتی مدت هاست که به توربین های گازی تبدیل شده اند که سوخت آنها از نفت یا سوخت است. گاز. نه تنها تجهیزات تولید برق، نیروی کشتی و برخی از پمپ های مکانیکی پرقدرت و فشاردهنده ها و سایر تجهیزات نیز توسط توربین های گاز تغذیه می شوند. بنابراین، تقریبا در تمام کشورهای صنعتی، توربین گاز یکی از بازارهای اصلی صنعت ریخته گری دقیق است، فروش آن حدود یک سوم سهم بازار را به خود اختصاص داده است. متاسفانه، به دلایل مختلف، تا کنون صنعت توربین گاز چین هنوز در سطح نسبتاً پایینی از توسعه قرار دارد، از جمله پره های توربین، از جمله بسیاری از اجزای کلیدی هنوز در مرحله توسعه هستند، نسبت سهم بازار ریخته گری دقیق ناچیز است.

در واقع، اصل کار و ساختار توربین گاز صنعتی اساساً مشابه موتور هوانوردی است و قسمت اصلی آن نیز از سه قسمت فشار دهنده، محفظه احتراق و توربین تشکیل شده است (شکل 15). بنابراین، بسیاری از فن‌آوری‌های پیشرفته ریخته‌گری ظریف مورد استفاده در موتورهای هوانوردی، مانند انجماد جهتی، ریخته‌گری تک کریستال، خنک‌کننده تیغه‌ها و پوشش سد حرارتی، در مقادیر زیاد به توربین‌های گازی پیوند زده شده‌اند. مانند موتورهای هوا، راندمان حرارتی توربین های گازی با دمای ورودی جلوی توربین ارتباط مستقیم دارد. به عنوان مثال، برای نوع سنتی مجموعه ژنراتور سیکل ترکیبی محبوب در جهان، دمای ورودی جلوی توربین 1100 ~ 1300 ℃ و راندمان حرارتی 43٪ ~ 48٪ است. در حالی که نوع جدید دمای ورودی جلوی توربین گاز 1500 درجه سانتیگراد است و راندمان حرارتی 52٪ است. و مقدار هدف بازده حرارتی توربین گازی با راندمان فوق العاده بالا در فرآیند تحقیق و توسعه 56٪ ~ 60٪ است و دمای ورودی جلوی توربین به 1700 ℃ افزایش می یابد.

اگرچه نیازهای توربین های گاز صنعتی از نظر نسبت رانش به وزن به اندازه موتورهای هوا نیست، اما سختی آن اندازه بزرگ است. شکل 16 پره های توربین اولیه و ثانویه توربین گاز صنعتی MS9001FA GE را به ترتیب با طول های 43 و 56 سانتی متر و جرم های 13.5 کیلوگرم و 12.6 کیلوگرم نشان می دهد. شکل 17 بخش فن پره راهنمای توربین را با طول 60 سانتی متر و جرم بیش از 60 کیلوگرم نشان می دهد. همچنین گزارش شده است که طول طراحی پره های توربین توربین گاز صنعتی حتی به 90 سانتی متر رسیده است. شکل 18 یک پره توربین تک کریستالی به طول 30 سانتی متر را نشان می دهد که با موفقیت توسط صنایع سنگین میتسوبیشی در ژاپن در سال 2011 توسعه یافته است. شکل 19 یک قالب مومی را در فرآیند پرس نشان می دهد. شکل 20 یک هسته سرامیکی (خالی) را نشان می دهد که بریده شده است.

 توربوشارژر موتور خودرو

هدف اصلی از نصب توربوشارژر در خودرو استفاده کامل از گازهای خروجی از موتور برای به حرکت درآوردن توربین توربوشارژر به چرخش است که به نوبه خود پروانه کمپرسور کواکسیال را به حرکت در می آورد تا هوا را فشرده و به موتور برساند. بنابراین، قدرت و گشتاور موتور را افزایش می‌دهد تا به اثر کاهش مصرف سوخت و پاک‌تر کردن گازهای انتشاری دست یابد (شکل‌های 21 و 22).

به طور معمول، موتورهای دیزلی خودروهای سواری گازهای خروجی را در حداکثر دمای حدود 850 درجه سانتیگراد منتشر می کنند، در حالی که موتورهای بنزینی می توانند تا 1050 درجه سانتیگراد برسند. بنابراین، توربین ها معمولاً با دقت از آلیاژهای با دمای بالا مبتنی بر نیکل مانند 713C یا MarM ریخته گری می شوند. فناوری ثبت شده ریخته گری ضد جاذبه (ریخته گری خلاء) Hitchiner Manufacturing Co., Inc. در ایالات متحده آمریکا (شکل 23) به عنوان کارآمدترین روش برای تولید چنین محصولاتی در نظر گرفته می شود. از طرف دیگر، پروانه های کمپرسور جلو در دماهای بالا کار نمی کنند و معمولاً از ریخته گری دقیق از نوع گچ آلیاژ آلومینیوم ساخته می شوند. پروانه ها و توربین های سوپرشارژر عموماً اندازه کوچکی دارند، اما دارای سرعت چرخش بسیار بالایی هستند، تا 250000 دور در دقیقه یا بیشتر، که در نتیجه الزامات کیفی بسیار سختگیرانه ای برای این دو پروانه وجود دارد. اگرچه تعدادی از تولیدکنندگان داخلی نیز در حال تولید این دو پروانه هستند، اما تولید در کل تقاضا سهم زیادی را به خود اختصاص نمی دهد.

در سال‌های اخیر، استفاده از موتورهای کوچک با توربوشارژر برای جایگزینی موتورهای بزرگ تنفس طبیعی، به دلیل افزایش تقاضا برای کاهش مصرف سوخت و بهبود کیفیت هوای شهری، به یک روند محبوب در اروپا تبدیل شده است و با سال 2011 به عنوان سال پایه، میزان نصب سوپرشارژرها تا سال 2016 دوبرابر یا بیشتر خواهد شد و 76 درصد از کل را تشکیل می دهد. با این حال، با توجه به اینکه ژنراتورهای خودرو در کشورهای اروپایی عمدتاً موتورهای دیزلی هستند، تنها نصب توربوشارژر برای مطابقت با استانداردهای آلایندگی خودروهای اتحادیه اروپا که دائماً به روز می شوند کافی نیست، بلکه باید به هر دو سیستم ورودی و اگزوز مجهز شود تا PM2.5 و NOx را به حداقل برساند. و سایر انتشارات مضر. بسیاری از قطعات در سیستم، بیشتر مواد از فولاد ضد زنگ است، با هندسه پیچیده، دیوار نازک و دقت ابعادی مورد نیاز با ویژگی های بالاتر، برای قالب گیری با روش ریخته گری دقیق بسیار مناسب است، که باعث می شود ریخته گری های دقیق خودرو باعث گسترش سریع سهم بازار از 5 درصد در سال 2004 به 16 درصد در سال 2011، در مدت مشابه در ژاپن، از 24 درصد به 43 درصد افزایش یافت. اگرچه ریخته‌گری‌های دقیق سیستم اگزوز و ورودی سوپرشارژر خودرو، از دیدگاه کلی در بازار ریخته‌گری دقیق تنها می‌تواند به‌عنوان محصولات میان‌رده در نظر گرفته شود، اما به دلیل تقاضای بازار، برای توسعه صنعت ریخته‌گری دقیق چین، فرصت نادر در قرن بیست و یکم، دلتای رودخانه یانگ تسه چین، دریای بوهای و سایر مناطق بسیاری از شرکت‌های ریخته‌گری دقیق، با تکیه بر اصلاحات و فضای باز برای ارائه مزایای سیاست‌گذاری و جغرافیایی، هیچ زمانی را برای استفاده از فرصت برای ساختن این بخش از ریخته‌گری دقیق از دست ندادند. محصولات در این مناطق حل و فصل شده اند، و به سرعت به یک بازار محصول جدید توسعه یافته، در همان زمان، مهم نیست که آیا از مدیریت شرکت به پردازش فن آوری و تجهیزات، بلکه بر اساس اصلی به منظور افزایش یک مرحله. گفتنی است موتورهای خودروهای داخلی اگرچه خودروهای سواری همچنان در اختیار موتورهای بنزینی قرار دارند، اما خودروهای باری تحت سلطه موتورهای دیزلی هستند. با بهبود تدریجی الزامات کیفیت هوای چین، توربوشارژر و تجهیزات پشتیبانی آن به سرعت یک بازار داخلی جدید را تشکیل می دهند، توسعه صنعت ریخته گری دقیق چین خواهد بود و سپس موج جدیدی از نشاط توسعه را اضافه می کند.

کاهش چگالی قطعات دوار سوپرشارژر هم بر راندمان موتور و هم بر پاسخ گذرا تأثیر مثبت دارد. وزن مخصوص آلیاژ تیتانیوم آلومینیوم (TiAl) 4.2 و آلیاژ مبتنی بر نیکل (713 درجه سانتیگراد) وزن مخصوص 7.9 است، بنابراین اگر اولی به جای دومی باشد، جرم تقریباً به نصف (47٪) کاهش می یابد و در نتیجه کاهش می یابد. اینرسی توربین، کوتاه شدن زمان پاسخ افزایش گشتاور، به طوری که ویژگی های پاسخ گذرا توربوشارژر را می توان بهبود بخشید. به گفته شرکت ریخته گری دایدو ژاپن (شرکت ریخته گری دایدو)، با استفاده از ترکیبی از ذوب تعلیق و ریخته گری در خلاء، توربین توربوشارژر آلیاژ تیتانیوم-آلومینیوم با موفقیت ریخته گری شده و به تولید انبوه رسیده است. شکل 24 برای اصل ذوب تعلیق (چپ) و حوضچه ذوب (راست)، شکل 25 برای ذوب تعلیق - شماتیک دستگاه ریخته گری مکش خلاء.

   آلومینیوم تیتانیومریخته گری دقیق آلیاژی

آلیاژ تیتانیوم-آلومینیوم یک ترکیب بین فلزی با چگالی کم، خواص مکانیکی خوب در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون است که می تواند برای جایگزینی آلیاژهای خاص در دمای بالا و سایر مواد مقاوم در برابر درجه حرارت بالا در صنایع هوافضا، توربین گاز صنعتی و صنایع خودرو استفاده شود. . نتایج آزمایش خواص مکانیکی ثابت می کند که دارای مقاومت خزشی بالا و مقاومت در برابر خستگی عالی در دمای 760 ℃ است. اما چنین موادی شکننده هستند، ازدیاد طول دمای اتاق کمتر از 2٪، مقاومت در برابر ضربه و عملکرد گسترش ترک ضعیف است، بنابراین ریخته گری قالب به بهترین وسیله برای تشکیل چنین مواد تبدیل می شود. از دهه نود قرن گذشته، بیشتر و بیشتر به جای آلیاژهای درجه حرارت بالا مبتنی بر نیکل برای ساخت پره های توربین گاز صنعتی (شکل 26 الف)، کل توربین ریخته گری (شکل 26 ب)، تیغه های موتور هوا (شکل 26 ج)، خودرو استفاده می شود. دریچه های ورودی و خروجی سیلندر موتور احتراق داخلی و سایر محصولات.