Perspektywy rozwoju technologii odlewania precyzyjnego wysokiej klasy

Z kolekcji pana Chen Binga

Wysokiej klasy odlewy precyzyjne lub odlewy precyzyjne o wysokiej wartości dodanej, obejmujące przemysł lotniczy, zbrojeniowy, przemysłowe turbiny gazowe i inne ważne sektory, stopniowo odmiany, specyfikacje, czy to jakość metalurgiczna, czy wygląd, są bardzo wymagające. W artykule przedstawiono jedynie kilka typowych przykładów historii rozwoju i trendów, aby dokonać krótkiego wprowadzenia.

Przemysł Obronny

 1, Łopatki turbin silników lotniczych

Podstawowa część współczesnego silnika lotniczego (lub silnika odrzutowego) składa się głównie z trzech części: stabilizatora ciśnienia, komory spalania i turbiny (rysunek 1). Z odlewaniem precyzyjnym ściśle związane są silniki ciśnieniowe po kilku etapach łopatek i łopatek turbin, w tym łopatki statyczne (łopatki prowadzące) i łopatki dynamiczne (łopatki robocze). Różne typy i zastosowania samolotów, wymagania wobec silnika nie są takie same, ale jedno jest wspólne, czyli stale poprawiają stosunek ciągu do masy i zmniejszają zużycie paliwa. W tym celu kluczowa jest poprawa sprawności cieplnej, a główne środki techniczne mające na celu poprawę sprawności cieplnej to nic innego jak maksymalizacja współczynnika sprężania środka zwiększającego ciśnienie i temperatury na wlocie z przodu turbiny (rysunek 1). W rezultacie nieuchronnie wzrośnie temperatura całego układu, a odpowiednich części, zwłaszcza temperatura robocza łopatek turbiny, będzie coraz wyższa. Temperatura pracy najwyższej klasy łopatek turbiny jest w przybliżeniu równa temperaturze na wlocie turbiny, a aktualna temperatura na wlocie turbiny najbardziej zaawansowanego silnika lotniczego sięga niewiarygodnych 1700 ℃, przekraczając temperaturę topnienia wysokowęglowodanów na bazie niklu -temperatura stopów o około 300℃.

Zgodnie z podstawowymi zasadami metalurgii granice ziaren są słabymi ogniwami w wysokich temperaturach, dlatego obszar granicy ziaren materiału stopowego łopatki turbiny będzie się zmniejszał, począwszy od rozwoju kryształów równoosiowych (lata 50. XX w.) do kierunku główny kierunek naprężenia zorientowanego kryształu kolumnowego równoległy do ​​kierunku naprężenia głównego (1970S), temperatura pracy ostrza również wzrasta z 900 do 1000 ℃ do 1000 do 1100 ℃, a metody odlewania są również odpowiednio od zwykłego topienia próżniowego - odlewanie rozwinięte do kierunkowego krzepnięcia, aż do odlewania monokryształu (rysunki 2 i 3).

W różnych krajach opracowany skład chemiczny stopu monokrystalicznego nie jest taki sam, ale mikrostruktura jest zasadniczo taka sama, to znaczy faza γ w roztworze stałym na bazie niklu jako podłoże jest sześcienną fazą γ wzmocnioną w wysokiej temperaturze inkrustowaną w nim ( Rysunek 4). Do tej pory badania i rozwój stopów monokrystalicznych doświadczyły jednego, dwóch, trzech pokoleń, obecnie wkraczają w czwartą, piątą, a nawet szóstą generację etapu badań i rozwoju, zmierzają w kierunku zastosowania temperatury docelowej 1150 ℃ . Pomimo dziesięcioleci nieustannych wysiłków, z samego punktu widzenia stopu, temperatura pracy nie przekroczyła jeszcze 1150 ℃. Jednak najnowsze wymagania dotyczące temperatury na wlocie turbiny silników lotniczych wynoszą aż 1700 ℃, co stanowi różnicę prawie 600 ℃. Jak nadrobić tę 600℃ lukę? Obecnie głównie za pomocą dwóch środków technicznych, a mianowicie chłodzenia powietrzem wewnątrz ostrza i zewnętrznej powłoki termoizolacyjnej ostrza. Aby stale poprawiać skuteczność chłodzenia powietrzem, wewnętrzny kanał chłodzący łopatki musi być kręty, aby zapewnić efekt chłodzenia na wszystkich częściach korpusu skrzydła, zwłaszcza na krawędzi wlotu i wylotu. Powoduje to coraz bardziej wyszukane i złożone kształty strukturalne rdzeni ceramicznych tworzących wewnętrzne wnęki (rysunek 5). Ze względu na słabe właściwości kucia i obróbki skrawaniem prawie wszystkich stopów wysokotemperaturowych, szczególnie ze złożonymi wnękami wewnętrznymi (kanałami chłodzącymi), odlewanie precyzyjne zasłużenie stało się dotychczas jedyną metodą formowania łopatek turbin silników lotniczych.

Krótko mówiąc, powłoka termoizolacyjna to powłoka termoizolacyjna, nowa technologia opracowana dopiero pod koniec ubiegłego wieku. Jego podstawowa budowa składa się z dwóch warstw, ceramicznej warstwy wierzchniej o małym przewodnictwie cieplnym oraz warstwy klejącej, której zadaniem jest zapobieganie utlenianiu podłoża i jego szczelne związanie (rys. 6). To pierwsze powstaje głównie metodami fizycznego osadzania z fazy gazowej, takimi jak wiązka elektronów lub plazma, podczas gdy drugie powstaje w wyniku chemicznego osadzania z fazy gazowej. Ogólny współczynnik rozszerzalności cieplnej powłoki powinien odpowiadać współczynnikowi rozszerzalności cieplnej materiału podłoża, aby zapewnić, że nie będzie ona pękać i łuszczyć się w wysokiej temperaturze 1700°C. Powłokę należy nakładać także na materiał podłoża. Rysunek 7 przedstawia wydrążoną łopatkę turbiny z powłoką stanowiącą barierę termiczną.

2, duże integralne elementy konstrukcyjne

Typowy profil silnika lotniczego pokazano na rysunku 8. Obudowa składa się z szeregu komór, często nazywanych „magazynem”. Po komorze spalania na ogół nie następuje odlewanie, natomiast część pod ciśnieniem o bardzo skomplikowanym kształcie magazynka często przechodzi jedynie poprzez odlewanie wypraski. Współczynnik wzmocnienia stale rosnących wymagań dotyczących temperatury pracy sprężarki sprężonego powietrza stale rośnie, dlatego metoda formowania tych magazynków z aluminium, odlewania piaskowego ze stopu magnezu (lata 50. ~ 60. XX w. rozwój blachy ze stali nierdzewnej - spawanej do obecnego stopu tytanu lub precyzyjne odlewanie stopów wysokotemperaturowych. Rysunek 9 przedstawia duży magazyn ze stopu tytanu wyprodukowany przez firmę PCC, a rysunki 10 i 11 przedstawiają odpowiednio magazyn ze stopu tytanu i formę woskową wyprodukowane przez firmę Howmet.

Ponieważ stopy tytanu mają wyższą wytrzymałość właściwą i sztywność właściwą niż inne stopy, duże, cienkościenne, złożone elementy konstrukcyjne stopów tytanu są również szeroko stosowane w dużych nośnych elementach konstrukcyjnych samolotów (rys. 12) i kadłubach rakiet (rys. 13). ) od lat 70.

3, Odlewy precyzyjne ze stopów aluminium o integralnej strukturze

Odlewy te są szeroko stosowane w stojakach, ramach, podstawach i radiatorach sprzętu elektronicznego i telekomunikacyjnego itp. Rysunek 14 pokazuje kilka typowych przykładów. Odlewy precyzyjne ze stopów aluminium o integralnej strukturze.

 Przemysłowe turbiny gazowe

Ograniczenie emisji gazów cieplarnianych stało się poważnym wyzwaniem dla całej ludzkości. Bez wątpienia największa ilość dwutlenku węgla emitowana jest przez elektrownie termoelektryczne (cieplne) na całym świecie. Ogólnie rzecz biorąc, wytwarzanie energii cieplnej dzieli się na opalane węglem, ropą naftową i gazem, w zależności od użytego paliwa. Emisje dwutlenku węgla na jednostkę ciepła wytworzonego przez te trzy systemy są bardzo różne i wynoszą odpowiednio 1,00, 0,76 i 0,53, co oznacza, że ​​emisję dwutlenku węgla można zmniejszyć o około połowę, jeśli zastąpi się całą konwencjonalną energetykę opalaną węglem poprzez wytwarzanie energii z wykorzystaniem gazu. Jak wszyscy wiemy, obecnie chińskie urządzenia do wytwarzania energii cieplnej to w dalszym ciągu głównie turbiny parowe opalane węglem, z punktu widzenia poprawy efektywności energetycznej urządzeń do wytwarzania energii, kraje uprzemysłowione od dawna przestawiły się na turbiny gazowe zasilane ropą naftową lub gaz. Turbiny gazowe napędzają nie tylko urządzenia do wytwarzania energii, statki, a także niektóre pompy mechaniczne dużej mocy i środki zwiększające ciśnienie oraz inny sprzęt. Dlatego w prawie wszystkich krajach uprzemysłowionych turbina gazowa jest jednym z głównych rynków przemysłu odlewów precyzyjnych, a jej sprzedaż stanowi około jednej trzeciej udziału w rynku. Niestety, z różnych powodów, na razie chiński przemysł turbin gazowych jest wciąż na dość niskim poziomie rozwoju, w tym łopatki turbin, w tym wiele kluczowych podzespołów, są jeszcze w fazie rozwoju, co stanowi znikomy udział w rynku odlewów precyzyjnych.

W rzeczywistości zasada działania i konstrukcja przemysłowej turbiny gazowej jest zasadniczo taka sama jak w przypadku silnika lotniczego, a część rdzeniowa również składa się z trzech części, takich jak stabilizator ciśnienia, komora spalania i turbina (ryc. 15). Dlatego wiele zaawansowanych technologii dokładnego odlewania stosowanych w silnikach lotniczych, takich jak krzepnięcie kierunkowe, odlewanie monokrystaliczne, chłodzenie łopatek i powlekanie barierą termiczną, zostało w dużych ilościach przeszczepionych do turbin gazowych. Podobnie jak w przypadku silników lotniczych, sprawność cieplna turbin gazowych jest bezpośrednio związana z temperaturą wlotową czoła turbiny. Na przykład w przypadku popularnego na świecie tradycyjnego agregatu prądotwórczego o cyklu kombinowanym temperatura na wlocie z przodu turbiny wynosi 1100 ~ 1300 ℃, a sprawność cieplna wynosi 43% ~ 48%; podczas gdy temperatura na wlocie przedniego turbiny gazowej nowego typu wynosi 1500 ℃, a sprawność cieplna wynosi 52%; a docelowa wartość sprawności cieplnej turbiny gazowej o ultrawysokiej wydajności w procesie badawczo-rozwojowym wynosi 56% ~ 60%, a temperatura na wlocie z przodu turbiny zostanie dodatkowo zwiększona do 1700 ℃.

Chociaż wymagania przemysłowych turbin gazowych pod względem stosunku ciągu do masy nie są tak wysokie, jak wymagania silników lotniczych, trudnością jest duży rozmiar. Rysunek 16 przedstawia pierwotne i wtórne łopatki turbiny przemysłowej turbiny gazowej MS9001FA firmy GE, o długościach 43 cm i 56 cm oraz masach odpowiednio 13,5 kg i 12,6 kg. Rysunek 17 przedstawia sekcję wentylatora łopatki kierującej turbiny o długości 60 cm i masie > 60 kg. Donoszono również, że długości projektowe łopatek turbin przemysłowych turbin gazowych sięgały nawet 90 cm. Rysunek 18 przedstawia monokrystaliczną łopatkę turbiny o długości 30 cm, pomyślnie opracowaną przez Mitsubishi Heavy Industries w Japonii w 2011 roku. Rysunek 19 przedstawia formę woskową w procesie prasowania. Figura 20 przedstawia przycinany rdzeń ceramiczny (pusty).

 Turbosprężarka silnika samochodowego

Pierwotnym celem montażu turbosprężarki w samochodzie jest pełne wykorzystanie gazów spalinowych z silnika do wprawienia turbiny turbosprężarki w ruch obrotowy, co z kolei napędza wirnik sprężarki współosiowej w celu sprężenia powietrza i dostarczenia go do silnika , zwiększając w ten sposób moc i moment obrotowy silnika, aby uzyskać efekt zmniejszenia zużycia paliwa i oczyszczenia spalin (rysunki 21 i 22).

Zazwyczaj silniki wysokoprężne samochodów osobowych emitują spaliny o maksymalnej temperaturze około 850°C, natomiast silniki benzynowe mogą osiągać temperaturę do 1050°C. Dlatego turbiny są zwykle precyzyjnie odlewane ze stopów wysokotemperaturowych na bazie niklu, takich jak 713C lub MarM. Opatentowana technologia odlewania antygrawitacyjnego (odlewania próżniowego) firmy Hitchiner Manufacturing Co., Inc. w USA (rys. 23) uznawana jest za najbardziej efektywną metodę wytwarzania tego typu wyrobów. Z kolei przednie wirniki sprężarki nie pracują w wysokich temperaturach i są zwykle wykonane z precyzyjnego odlewu gipsowego ze stopu aluminium. Wirniki i turbiny doładowania mają na ogół małe rozmiary, ale charakteryzują się bardzo dużymi prędkościami obrotowymi, sięgającymi 250 000 obr./min lub więcej, co skutkuje bardzo rygorystycznymi wymaganiami jakościowymi dla tych dwóch wirników. Chociaż istnieje również wielu krajowych producentów, którzy produkują te dwa wirniki, ale produkcja w całkowitym zapotrzebowaniu nie stanowi dużej części.

W ostatnich latach stosowanie małych silników z turbosprężarkami w miejsce dużych silników wolnossących stało się popularnym trendem w Europie ze względu na rosnące wezwania do zmniejszenia zużycia paliwa i poprawy jakości powietrza w miastach, a przy roku 2011 jako roku bazowym wskaźnik instalacji liczba sprężarek doładowujących podwoi się lub więcej do 2016 r., co będzie stanowić aż 76% całkowitej liczby. Ponieważ jednak w krajach europejskich generatory samochodowe to głównie silniki Diesla, sama instalacja turbosprężarki nie wystarczy, aby spełnić stale aktualizowane normy emisji spalin pojazdów UE, ale musi być również wyposażona zarówno w układ dolotowy, jak i wydechowy, aby zminimalizować PM2,5 i NOx i inne szkodliwe emisje. Wiele części systemu, większość materiału to stal nierdzewna, o złożonej geometrii, cienkich ściankach i wymaganiach dotyczących dokładności wymiarowej o wyższych charakterystykach, bardzo nadaje się do formowania metodą odlewania precyzyjnego, co sprawia, że ​​precyzyjne odlewy samochodowe odpowiadają za szybki rozwój udział w rynku z 5% w 2004 r. do 16% w 2011 r., w tym samym okresie w Japonii, z 24% wzrósł do 43%. Chociaż precyzyjne odlewy dolotowe i układy wydechowe do sprężarek samochodowych, z ogólnego punktu widzenia na rynku odlewów precyzyjnych można je zaliczyć jedynie do produktów średniej klasy, ale ze względu na zapotrzebowanie rynku, rozwój chińskiego przemysłu odlewów precyzyjnych zapewnia rzadka okazja. Wkraczamy w XXI wiek, delta rzeki Jangcy w Chinach, Morze Bohai i inne obszary wielu przedsiębiorstw zajmujących się odlewaniem precyzyjnym, opierając się na reformach i otwarciu w celu zapewnienia korzyści politycznych i geograficznych, nie tracą czasu, aby wykorzystać okazję do wykorzystania tej części odlewu precyzyjnego produkty w tych obszarach zadomowiły się i szybko rozwinęły się w nowy rynek produktowy, niezależnie od tego, czy od zarządzania przedsiębiorstwem po technologię i sprzęt procesowy, ale także w oparciu o oryginał w celu ulepszenia kroku. Warto wspomnieć, że w krajowych silnikach samochodowych, choć w samochodach osobowych nadal dominują silniki benzynowe, to w samochodach towarowych dominują silniki Diesla. Wraz ze stopniową poprawą chińskich wymagań dotyczących jakości powietrza, turbosprężarka i jej sprzęt pomocniczy z pewnością szybko utworzą nowy rynek krajowy, co przyczyni się do rozwoju chińskiego przemysłu odlewów precyzyjnych, a następnie doda nowej fali witalności rozwoju.

Zmniejszenie gęstości obracających się części sprężarki ma pozytywny wpływ zarówno na wydajność silnika, jak i reakcję na stany przejściowe. Stop tytanu i aluminium (TiAl) ma ciężar właściwy 4,2, a stop na bazie niklu (713 C) ma ciężar właściwy 7,9, więc jeśli ten pierwszy zamiast drugiego, masa zostanie zmniejszona prawie o połowę (47%), redukując tym samym bezwładność turbiny, skracając czas reakcji na wzrost momentu obrotowego, dzięki czemu można poprawić charakterystykę reakcji przejściowej turbosprężarki. Według japońskiej firmy Daido Casting Co. (Daido Casting Co.) dzięki połączeniu topienia zawiesinowego i odlewania próżniowego udało się odlać turbinę turbosprężarki ze stopu tytanu i aluminium i wprowadzić ją do masowej produkcji. Rysunek 24 przedstawiający zasadę topienia zawiesinowego (po lewej) i jeziorka topiącego (po prawej), Rysunek 25 przedstawiający topienie zawiesinowe - schemat urządzenia do odlewania próżniowego.

   Tytan aluminiumodlew precyzyjny ze stopu

Stop tytanu i aluminium to związek międzymetaliczny o niskiej gęstości, dobrych właściwościach mechanicznych w wysokich temperaturach i odporności na utlenianie, który może być stosowany do zastąpienia niektórych stopów wysokotemperaturowych i innych materiałów odpornych na wysokie temperatury w przemyśle lotniczym, przemysłowych turbinach gazowych i przemyśle motoryzacyjnym . Wyniki badań właściwości mechanicznych dowodzą, że posiada on wysoką odporność na pełzanie oraz doskonałą odporność zmęczeniową w temperaturze 760℃. Ale takie materiały są kruche, wydłużenie w temperaturze pokojowej mniejsze niż 2%, odporność na uderzenia i rozszerzanie pęknięć są słabe, więc odlewanie ciśnieniowe staje się najlepszym sposobem formowania takich materiałów. Od lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku coraz częściej zamiast stopów wysokotemperaturowych na bazie niklu wykorzystuje się je do produkcji przemysłowych łopatek turbin gazowych (rys. 26a), całych turbin odlewniczych (rys. 26b), łopatek silników lotniczych (rys. 26c), przemysłu motoryzacyjnego zawory wlotowe i wylotowe cylindrów silników spalinowych oraz inne produkty.