Prospettive di sviluppo della tecnologia di fusione di precisione di fascia alta

Dalla collezione del signor Chen Bing

Fusioni di precisione di fascia alta o getti di precisione ad alto valore aggiunto, che coinvolgono l'aerospaziale, le armi, le turbine a gas industriali e altri settori importanti, gradualmente le varietà, le specifiche, sia la qualità metallurgica che quella estetica sono molto esigenti. In questo articolo, solo alcuni esempi tipici della storia dello sviluppo e delle tendenze per fare una breve introduzione.

Industria della difesa

 1、Pale di turbina per motori aeronautici

La parte centrale del moderno motore aeronautico (o motore a reazione) è composta principalmente da tre parti: il pressurizzatore, la camera di combustione e la turbina (Figura 1). Strettamente legati alla fusione di precisione sono il motore a pressione dopo diversi stadi di pale e pale di turbine, comprese pale statiche (pale guida) e pale dinamiche (pale funzionanti). Diversi tipi e usi di aeromobili, i requisiti del motore non sono gli stessi, ma una cosa è comune, ovvero migliorare costantemente il rapporto spinta-peso e ridurre il consumo di carburante. A tal fine, il miglioramento dell’efficienza termica è la chiave e la principale misura tecnica per migliorare l’efficienza termica non è altro che massimizzare il rapporto di pressurizzazione del pressurizzatore e la temperatura di ingresso anteriore della turbina (Figura 1). Il risultato farà inevitabilmente aumentare la temperatura dell'intero sistema, le parti interessate, in particolare la temperatura di lavoro delle pale della turbina, diventeranno sempre più elevate. La temperatura di lavoro delle pale della turbina di prima classe è all'incirca equivalente alla temperatura di ingresso della turbina, e l'attuale temperatura di ingresso della turbina del motore aeronautico più avanzato raggiunge l'incredibile cifra di 1700 ℃, superando il punto di fusione dell'alto contenuto di nichel. -leghe di temperatura di circa 300 ℃.

Secondo i principi di base della metallurgia, i bordi dei grani sono collegamenti deboli alle alte temperature, quindi l'area dei bordi dei grani del materiale in lega delle pale delle turbine è destinata a diventare sempre più piccola, dallo sviluppo di cristalli equiassici (1950S) alla direzione del direzione dello stress principale del cristallo colonnare orientato parallelamente alla direzione dello stress principale (anni '70), anche la temperatura operativa della lama è aumentata da 900 a 1000 ℃ a 1000 a 1100 ℃, e anche i metodi di fusione provengono corrispondentemente dalla normale fusione sotto vuoto - fusione sviluppata fino alla solidificazione direzionale fino alla fusione a cristallo singolo (figure 2 e 3).

Diversi paesi hanno sviluppato la composizione chimica della lega monocristallina non è la stessa, ma la microstruttura è fondamentalmente la stessa, cioè la soluzione solida a base di nichel fase γ come substrato, è una fase cubica rinforzata ad alta temperatura γ 'intarsiata al suo interno ( Figura 4). Finora, la ricerca e sviluppo della lega monocristallina ha vissuto una, due, tre generazioni, ora sta entrando nella quarta, cinque e persino nella sesta generazione della fase di ricerca e sviluppo, si sta muovendo verso l'uso dell'obiettivo della temperatura di 1150 ℃ . Nonostante decenni di sforzi incessanti, solo dal punto di vista della lega, la temperatura di servizio non ha ancora superato i 1150 ℃. Tuttavia, i più recenti requisiti di temperatura di ingresso della turbina del motore aeronautico raggiungono i 1700 ℃, una differenza di quasi 600 ℃. Come compensare questo divario di 600 ℃? Attualmente, principalmente con l'aiuto di due misure tecniche, vale a dire il raffreddamento ad aria all'interno della lama e il rivestimento esterno della barriera termica. Al fine di migliorare continuamente l'efficienza del raffreddamento dell'aria, il canale di raffreddamento interno della pala deve essere tortuoso, in modo che il suo effetto di raffreddamento su tutte le parti del corpo fogliare, in particolare sul bordo di aspirazione e scarico. Ciò si traduce in forme strutturali sempre più elaborate e complesse per i nuclei ceramici che formano le cavità interne (Figura 5). Considerando le scarse proprietà di forgiatura e lavorazione di quasi tutte le leghe ad alta temperatura, in particolare con cavità interne complesse (canali di raffreddamento), la fusione di precisione è diventata fino ad oggi meritatamente l'unico metodo di stampaggio per le pale delle turbine dei motori aeronautici.

Il rivestimento barriera termica, in breve, è un rivestimento termoisolante, una nuova tecnologia sviluppata solo alla fine del secolo scorso. La sua struttura di base è costituita da due strati, uno strato superiore ceramico con una piccola conduttività termica e uno strato adesivo progettato per prevenire l'ossidazione del substrato e per legarlo saldamente (Fig. 6). Il primo è formato principalmente mediante metodi di deposizione fisica da vapore come fascio di elettroni o plasma, mentre il secondo è formato mediante deposizione chimica da vapore. Il coefficiente di dilatazione termica complessivo del rivestimento deve corrispondere a quello del materiale del substrato per garantire che non si spezzi e non si sfaldi ad una temperatura elevata di 1700°C. Il rivestimento deve essere applicato anche al materiale del substrato. La Figura 7 mostra una pala cava di turbina con un rivestimento di barriera termica.

2、Grandi componenti strutturali integrali

Un tipico profilo di un motore aeronautico è mostrato nella Figura 8. L'involucro è costituito da una serie di scomparti, spesso definiti "caricatore". Dopo la camera di combustione generalmente non avviene alcuna colata, mentre la parte pressurizzata di alcuni caricatori dalla forma molto complessa avviene spesso solo attraverso la colata dello stampo. Il rapporto di aumento dei requisiti sempre crescenti della temperatura di esercizio del compressore d'aria pressurizzato continua ad aumentare, quindi il metodo di stampaggio di questi caricatori da fusione in sabbia di alluminio e lega di magnesio (sviluppo degli anni '50 ~ '60 della lamiera di acciaio inossidabile - saldata all'attuale lega di titanio o fusione di precisione di leghe ad alta temperatura. La Figura 9 mostra il grande caricatore in lega di titanio prodotto da PCC, e le Figure 10 e 11 mostrano rispettivamente il caricatore in lega di titanio e lo stampo in cera prodotti da Howmet.

Poiché le leghe di titanio hanno una resistenza specifica e una rigidità specifica più elevate rispetto ad altre leghe, i grandi componenti strutturali complessi a pareti sottili delle leghe di titanio sono stati ampiamente utilizzati anche nei componenti strutturali portanti di grandi dimensioni di aeroplani (Fig. 12) e scafi di missili (Fig. 13 ) a partire dagli anni '70.

3、Fusioni di precisione in lega di alluminio con struttura integrale

Questi getti sono ampiamente utilizzati in rack, telai, basi e radiatori per apparecchiature elettroniche e di telecomunicazione, ecc. La Figura 14 mostra alcuni esempi tipici. Getti di precisione in lega di alluminio con struttura integrale.

 Turbine a gas industriali

La riduzione delle emissioni di gas serra è diventata una sfida seria per tutta l’umanità. La maggiore quantità di anidride carbonica viene senza dubbio emessa dalle centrali termoelettriche (termiche) di tutto il mondo. In generale, la produzione di energia termica è classificata come a carbone, a petrolio o a gas, a seconda del combustibile utilizzato. Le emissioni di anidride carbonica per unità di calore prodotta da questi tre sistemi sono molto diverse, con valori relativi rispettivamente di 1,00, 0,76 e 0,53, il che significa che le emissioni di anidride carbonica possono essere ridotte di circa la metà se tutta la produzione di energia convenzionale alimentata a carbone viene sostituita. dalla produzione di energia elettrica a gas. Come tutti sappiamo, attualmente, le apparecchiature di generazione di energia termica della Cina sono ancora principalmente turbine a vapore alimentate a carbone, dal punto di vista del miglioramento dell'efficienza energetica delle apparecchiature di generazione di energia, i paesi industrializzati sono passati da tempo alle turbine a gas alimentate a petrolio o gas. Non solo le apparecchiature per la produzione di energia, la potenza delle navi e alcune pompe meccaniche ad alta potenza, pressurizzatori e altre apparecchiature sono alimentate da turbine a gas. Pertanto, in quasi tutti i paesi industrializzati, le turbine a gas sono uno dei principali mercati dell'industria della fusione di precisione, le cui vendite rappresentano circa un terzo della quota di mercato. Sfortunatamente, per vari motivi, finora l'industria cinese delle turbine a gas è ancora a un livello di sviluppo piuttosto basso, comprese le pale delle turbine, compresi molti componenti chiave ancora in fase di sviluppo, che rappresentano una percentuale trascurabile della quota di mercato della fusione di precisione.

Infatti, il principio di funzionamento e la struttura della turbina a gas industriale sono fondamentalmente gli stessi di quelli del motore aeronautico, e anche la parte centrale è composta da tre parti, come pressurizzatore, camera di combustione e turbina (Fig. 15). Pertanto, molte tecnologie avanzate di fusione fine utilizzate nei motori aeronautici, come la solidificazione direzionale, la fusione a cristallo singolo, il raffreddamento delle pale e il rivestimento a barriera termica, sono state trapiantate nelle turbine a gas in grandi quantità. Come nei motori aeronautici, l'efficienza termica delle turbine a gas è direttamente correlata alla temperatura di ingresso della parte anteriore della turbina. Ad esempio, per il tipo tradizionale di gruppo elettrogeno a ciclo combinato popolare nel mondo, la temperatura di ingresso anteriore della turbina è 1100~1300℃ e l'efficienza termica è 43%~48%; mentre il nuovo tipo di temperatura di ingresso anteriore della turbina a gas è di 1500 ℃ e l'efficienza termica è del 52%; e il valore target dell'efficienza termica della turbina a gas ad altissima efficienza nel processo di ricerca e sviluppo è del 56% ~ 60% e la temperatura di ingresso anteriore della turbina sarà ulteriormente aumentata a 1700 ℃.

Sebbene i requisiti delle turbine a gas industriali in termini di rapporto spinta/peso non siano così elevati come quelli dei motori aeronautici, la difficoltà risiede nelle grandi dimensioni. La Figura 16 mostra le pale della turbina primaria e secondaria della turbina a gas industriale MS9001FA di GE, con lunghezze di 43 cm e 56 cm e masse di 13,5 kg e 12,6 kg, rispettivamente. La Figura 17 mostra la sezione della ventola della pala di guida della turbina, con una lunghezza di 60 cm e una massa >60 kg. È stato inoltre riferito che le lunghezze di progettazione delle pale delle turbine delle turbine a gas industriali hanno raggiunto addirittura i 90 cm. La Figura 18 mostra una pala di turbina monocristallina lunga 30 cm sviluppata con successo da Mitsubishi Heavy Industries in Giappone nel 2011. La Figura 19 mostra uno stampo in cera durante il processo di pressatura. La Figura 20 mostra un nucleo ceramico (grezzo) in fase di rifinitura.

 Turbocompressore del motore dell'automobile

Lo scopo originale dell'installazione di un turbocompressore in un'automobile è quello di sfruttare appieno i gas di scarico del motore per far ruotare la turbina del turbocompressore, che a sua volta aziona la girante del compressore coassiale per comprimere l'aria e fornirla al motore , aumentando così la potenza e la coppia del motore per ottenere l'effetto di ridurre il consumo di carburante e rendere più puliti i gas di emissione (Figure 21 e 22).

In genere, i motori diesel delle autovetture emettono gas di scarico a una temperatura massima di circa 850°C, mentre i motori a benzina possono raggiungere fino a 1050°C. Pertanto, le turbine sono solitamente realizzate con fusione di precisione da leghe ad alta temperatura a base di nichel come 713C o MarM. La tecnologia brevettata di fusione antigravità (colata sotto vuoto) di Hitchiner Manufacturing Co., Inc. negli Stati Uniti (Fig. 23) è considerata il metodo più efficiente per produrre tali prodotti. Le giranti dei compressori anteriori, invece, non funzionano a temperature elevate e sono solitamente realizzate in microfusione di lega di alluminio tipo gesso. Le giranti e le turbine dei compressori sono generalmente di piccole dimensioni, ma hanno velocità di rotazione molto elevate, fino a 250.000 giri al minuto o più, con conseguenti requisiti di qualità molto severi per queste due giranti. Anche se ci sono anche diversi produttori nazionali che producono queste due giranti, la produzione nella domanda totale non rappresenta una grande percentuale.

Negli ultimi anni, l’uso di piccoli motori con turbocompressori per sostituire i grandi motori aspirati è diventato una tendenza popolare in Europa a causa delle crescenti richieste di ridurre il consumo di carburante e migliorare la qualità dell’aria urbana, e con il 2011 come anno base, il tasso di installazione dei compressori raddoppierà o più entro il 2016, rappresentando ben il 76% del totale. Tuttavia, poiché i generatori automobilistici dei paesi europei sono principalmente motori diesel, la sola installazione del turbocompressore non è sufficiente per soddisfare gli standard UE sulle emissioni dei veicoli costantemente aggiornati, ma deve anche essere dotato di sistemi di aspirazione e scarico per ridurre al minimo PM2,5 e NOx. e altre emissioni nocive. Molte parti del sistema, la maggior parte del materiale è in acciaio inossidabile, con geometria complessa, pareti sottili e requisiti di precisione dimensionale di caratteristiche più elevate, è molto adatto per lo stampaggio con il metodo di fusione di precisione, che fa sì che le fusioni di precisione automobilistiche tengano conto della rapida espansione di la quota di mercato è passata dal 5% nel 2004 al 16% nel 2011, nello stesso periodo in Giappone è passata dal 24% al 43%. Sebbene i pezzi fusi di precisione del sistema di aspirazione e scarico dei compressori per automobili, da un punto di vista generale nel mercato della fusione di precisione possono essere considerati solo prodotti di fascia media, ma a causa della domanda del mercato, per lo sviluppo dell'industria cinese della fusione di precisione fornisce un rara opportunità. Nel 21° secolo, il delta cinese del fiume Yangtze, il mare di Bohai e altre aree di molte imprese di fusione di precisione, facendo affidamento sulla riforma e sull'apertura per fornire vantaggi politici e geografici, non perdono tempo per cogliere l'opportunità di realizzare questa parte della fusione di precisione i prodotti in questi settori si sono stabilizzati e si sono rapidamente sviluppati in un nuovo mercato di prodotti, allo stesso tempo, non importa se dalla gestione dell'impresa alla tecnologia di processo e alle attrezzature, ma anche sulla base dell'originale per migliorare un passo. Vale la pena ricordare che i motori automobilistici domestici, sebbene le autovetture siano ancora dominati dai motori a benzina, ma i vagoni merci siano dominati dai motori diesel. Con il graduale miglioramento dei requisiti di qualità dell'aria in Cina, il turbocompressore e le sue apparecchiature di supporto sono destinati a formare rapidamente un nuovo mercato interno, sarà lo sviluppo dell'industria cinese della fusione di precisione e quindi aggiungerà una nuova ondata di vitalità allo sviluppo.

La riduzione della densità delle parti rotanti del compressore ha un effetto positivo sia sull'efficienza del motore che sulla risposta transitoria. Peso specifico della lega di titanio-alluminio (TiAl) di 4,2 e peso specifico della lega a base di nichel (713 C) di 7,9, quindi se la prima invece della seconda, la massa sarà ridotta di quasi la metà (47%), riducendo così l'inerzia della turbina, riducendo il tempo di risposta dell'aumento di coppia, in modo che le caratteristiche di risposta transitoria del turbocompressore possano essere migliorate. Secondo la giapponese Daido Casting Co. (Daido Casting Co.), utilizzando una combinazione di fusione in sospensione e fusione sotto vuoto è riuscita a fondere con successo la turbina del turbocompressore in lega di titanio-alluminio e ad avviarne la produzione in serie. Figura 24 per il principio della fusione in sospensione (a sinistra) e del pool di fusione (a destra), Figura 25 per lo schema della fusione in sospensione - dispositivo di fusione ad aspirazione sotto vuoto.

   Alluminio titaniofusione di precisione in lega

La lega di titanio-alluminio è un composto intermetallico con bassa densità, buone proprietà meccaniche alle alte temperature e resistenza all'ossidazione, che può essere utilizzato per sostituire alcune leghe ad alta temperatura e altri materiali resistenti alle alte temperature nell'industria aerospaziale, delle turbine a gas industriali e automobilistica . I risultati dei test sulle proprietà meccaniche dimostrano che ha un'elevata resistenza allo scorrimento viscoso e un'eccellente resistenza alla fatica a 760 ℃. Ma tali materiali sono fragili, l'allungamento a temperatura ambiente è inferiore al 2%, la resistenza agli urti e le prestazioni di estensione delle crepe sono scarse, quindi la pressofusione e diventa il mezzo migliore per formare tali materiali. A partire dagli anni Novanta del secolo scorso, si è sempre più utilizzato le leghe ad alta temperatura a base di nichel per produrre pale di turbine a gas industriali (Figura 26a), l'intera turbina di fusione (Figura 26b), pale di motori aeronautici (Figura 26c), automobili valvole di aspirazione e scarico del cilindro del motore a combustione interna e altri prodotti.