Üst düzey hassas döküm teknolojisi geliştirme görünümü

Bay Chen Bing'in koleksiyonundan

Üst düzey hassas dökümler veya havacılık, silahlar, endüstriyel gaz türbinleri ve diğer önemli sektörleri içeren yüksek katma değerli hassas dökümler, kademeli olarak çeşitlenir, spesifikasyonlar, metalurjik veya görünüm kalitesi çok zorludur. Bu yazıda, kısa bir giriş yapmak için gelişim geçmişine ve eğilimlere sadece birkaç tipik örnek vereceğiz.

Savunma Sanayii

 1、Aero-motor türbin kanatları

Modern havacılık motorunun (veya jet motorunun) çekirdek kısmı esas olarak üç parçadan oluşur: basınçlandırıcı, yanma odası ve türbin (Şekil 1). Hassas dökümle yakından ilişkili olan, statik kanatlar (kılavuz kanatlar) ve dinamik kanatlar (çalışan kanatlar) dahil olmak üzere, kanatlar ve türbin kanatlarının birkaç aşamasından sonra basınç motorudur. Farklı uçak türleri ve kullanımları, motor gereksinimleri aynı değildir, ancak ortak olan bir şey vardır: itme-ağırlık oranını sürekli iyileştirmek ve yakıt tüketimini azaltmak. Bu amaçla, termal verimliliğin arttırılması anahtardır ve termal verimliliği artırmaya yönelik temel teknik önlemler, basınçlandırıcının basınçlandırma oranının ve türbin ön giriş sıcaklığının maksimuma çıkarılmasından başka bir şey değildir (Şekil 1). Sonuç kaçınılmaz olarak tüm sistemin sıcaklığının yükselmesine, ilgili parçaların, özellikle de türbin kanadının çalışma sıcaklığının giderek yükselmesine neden olacaktır. Birinci sınıf türbin kanatlarının çalışma sıcaklığı kabaca türbin giriş sıcaklığına eşdeğerdir ve en gelişmiş uçak motorunun mevcut türbin giriş sıcaklığı, nikel bazlı yüksek ısının erime noktasını aşan inanılmaz bir 1700 ° C kadar yüksektir. -sıcaklık alaşımları yaklaşık 300 ° C'ye kadar.

Metalurjinin temel prensiplerine göre, tanecik sınırları yüksek sıcaklıklardaki zayıf halkalardır, dolayısıyla türbin kanadı alaşım malzemesinin tanecik sınırı alanı, eşeksenli kristallerin gelişmesinden (1950'ler) Yönlendirilmiş sütunlu kristalin ana gerilim yönü, ana gerilimin yönüne (1970S) paraleldir, bıçağın çalışma sıcaklığı da 900'den 1000'e 1000'den 1100'e yükseltilir ve döküm yöntemleri de buna uygun olarak sıradan vakumlu eritme yöntemine göre yapılır - döküm, tek kristal döküme kadar yönlü katılaşmaya doğru geliştirildi (Şekil 2 ve 3).

Farklı ülkelerde geliştirilen tek kristal alaşımlı kimyasal bileşim aynı değildir, ancak mikro yapı temelde aynıdır, yani nikel bazlı katı çözelti γ-fazı bir substrat olarak, içine yerleştirilmiş kübik yüksek sıcaklıkta güçlendirilmiş bir fazdır γ' ( Şekil 4). Şimdiye kadar, tek kristal alaşımlı Ar-Ge bir, iki, üç nesil deneyimledi, şimdi araştırma ve geliştirme aşamasının dördüncü, beş ve hatta altıncı nesline giriyor, 1150 ° C sıcaklık hedefinin kullanımına doğru ilerliyor . Onlarca yıl süren aralıksız çabalara rağmen, yalnızca alaşım açısından bakıldığında servis sıcaklığı henüz 1150 ° C'yi aşmadı. Bununla birlikte, en son uçak motoru türbini giriş sıcaklığı gereksinimi 1700°C kadar yüksektir, bu da neredeyse 600°C'lik bir farktır. Bu 600 °C'lik fark nasıl telafi edilir? Şu anda esas olarak iki teknik önlemin yardımıyla, yani bıçağın içindeki havanın soğutulması ve bıçağın dış termal bariyer kaplaması. Hava soğutma verimliliğini sürekli olarak artırmak için, kanat iç soğutma kanalının kıvrımlı olması gerekir; böylece soğutma etkisi yaprak gövdesi parçalarının her yerinde, özellikle de giriş ve çıkış kenarları üzerinde sağlanır. Bu, iç boşlukları oluşturan seramik çekirdekler için giderek daha ayrıntılı ve karmaşık yapısal şekillere neden olur (Şekil 5). Neredeyse tüm yüksek sıcaklık alaşımlarının, özellikle de karmaşık iç boşluklara (soğutma kanallarına) sahip olan zayıf dövme ve işleme özellikleri göz önüne alındığında, hassas döküm, bugüne kadar uçak motoru türbin kanatları için haklı olarak tek kalıplama yöntemi haline geldi.

Kısacası termal bariyer kaplama, ancak geçen yüzyılın sonunda geliştirilen yeni bir teknoloji olan ısı yalıtımlı bir kaplamadır. Temel yapısı iki katmandan oluşur; küçük bir ısı iletkenliğine sahip seramik bir üst katman ve alt tabakanın oksitlenmesini önlemek ve onu sıkıca bağlamak için tasarlanmış bir yapışkan katman (Şekil 6). Birincisi esas olarak elektron ışını veya plazma gibi fiziksel buhar biriktirme yöntemleriyle oluşturulurken ikincisi kimyasal buhar biriktirmeyle oluşturulur. Kaplamanın genel termal genleşme katsayısı, 1700°C'lik yüksek sıcaklıkta çatlamamasını ve pul pul dökülmemesini sağlamak için alt tabaka malzemesininkiyle eşleşmelidir. Kaplama aynı zamanda alt tabaka malzemesine de uygulanmalıdır. Şekil 7, termal bariyer kaplamalı içi boş bir türbin kanadını göstermektedir.

2、Büyük İntegral Yapısal Bileşenler

Tipik bir uçak motoru profili Şekil 8'de gösterilmektedir. Muhafaza, genellikle "magazin" olarak adlandırılan bir dizi bölmeden oluşur. Yanma odasından sonra genellikle döküm yapılmazken, şarjörün çok karmaşık şeklinin bir kısmının basınçlı kısmı genellikle sadece kalıplamanın dökümü yoluyla yapılır. Basınçlı hava kompresörü çalışma sıcaklığının sürekli artan gereksinimlerinin takviye oranı artmaya devam ediyor, bu nedenle bu dergilerin kalıplama yöntemi alüminyum, magnezyum alaşımlı kum dökümünden (1950'ler ~ 1960'larda paslanmaz çelik sacın geliştirilmesi - mevcut titanyum alaşımına kaynaklanmıştır) veya yüksek sıcaklıkta alaşımların hassas dökümü. Şekil 9, PCC tarafından üretilen büyük titanyum alaşımlı hazneyi göstermektedir ve Şekil 10 ve 11, sırasıyla Howmet tarafından üretilen titanyum alaşımlı hazneyi ve balmumu kalıbını göstermektedir.

Titanyum alaşımları diğer alaşımlardan daha yüksek özgül dayanıma ve özgül sertliğe sahip olduğundan, titanyum alaşımlarının büyük, ince duvarlı karmaşık yapısal bileşenleri, uçakların (Şekil 12) ve füze gövdelerinin (Şekil 13) büyük yük taşıyan yapısal bileşenlerinde de yaygın olarak kullanılmaktadır. ) 1970'lerden beri.

3、Entegre yapıya sahip alüminyum alaşımlı hassas dökümler

Bu dökümler, elektronik ve telekomünikasyon ekipmanı vb. için raflarda, çerçevelerde, tabanlarda ve radyatörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 14'te birkaç tipik örnek gösterilmektedir. Entegre yapıya sahip alüminyum alaşımlı hassas dökümler.

 Endüstriyel gaz türbinleri

Sera gazı emisyonlarının azaltılması tüm insanlık için ciddi bir zorluk haline geldi. Dünya çapında en büyük miktarda karbondioksit şüphesiz termoelektrik (termal) enerji santrallerinden yayılmaktadır. Genel olarak termik enerji üretimi, kullanılan yakıta bağlı olarak kömür yakıtlı, petrol yakıtlı veya gaz yakıtlı olarak sınıflandırılır. Bu üç sistem tarafından üretilen birim ısı başına karbondioksit emisyonları oldukça farklıdır ve sırasıyla 1,00, 0,76 ve 0,53 göreceli değerlere sahiptir; bu, tüm geleneksel kömürle çalışan elektrik üretiminin değiştirilmesi durumunda karbondioksit emisyonlarının yaklaşık yarı yarıya azaltılabileceği anlamına gelir. gaz yakıtlı enerji üretimi ile. Hepimizin bildiği gibi, şu anda Çin'in termik enerji üretim ekipmanı hala esas olarak kömürle çalışan buhar türbinlerinden oluşuyor; enerji üretim ekipmanının enerji verimliliğinin artırılması açısından sanayileşmiş ülkeler uzun süredir petrol veya yakıtla çalışan gaz türbinlerine dönüştü. gaz. Sadece enerji üretim ekipmanları değil, gemi gücü ve bazı yüksek güçlü mekanik pompalar ve basınçlandırıcılar ve diğer ekipmanlar da gaz türbinleri tarafından çalıştırılmaktadır. Bu nedenle hemen hemen tüm sanayileşmiş ülkelerde gaz türbini hassas döküm endüstrisinin ana pazarlarından biridir ve satışları pazar payının yaklaşık üçte birini oluşturmaktadır. Ne yazık ki, çeşitli nedenlerden dolayı, Çin'in gaz türbini endüstrisi şu ana kadar hala oldukça düşük bir gelişme düzeyindedir; türbin kanatları da dahil olmak üzere, birçok önemli bileşen hala geliştirme aşamasındadır ve hassas döküm pazar payının oranı ihmal edilebilir düzeydedir.

Aslında endüstriyel gaz türbininin çalışma prensibi ve yapısı temelde havacılık motoruyla aynı olup, çekirdek kısmı da basınçlandırıcı, yanma odası ve türbin olmak üzere üç parçadan oluşmaktadır (Şekil 15). Bu nedenle, havacılık motorlarında kullanılan yönlü katılaştırma, tek kristal döküm, kanat soğutma ve termal bariyer kaplama gibi birçok ileri ince döküm teknolojisi, büyük miktarlarda gaz türbinlerine nakledilmiştir. Uçak motorlarında olduğu gibi gaz türbinlerinin termal verimliliği de doğrudan türbin ön kısmının giriş sıcaklığıyla ilişkilidir. Örneğin, dünyada popüler olan geleneksel tipteki kombine çevrim jeneratör seti için, türbin ön giriş sıcaklığı 1100~1300°C'dir ve termal verimlilik %43~%48'dir; yeni tip gaz türbini ön giriş sıcaklığı 1500°C ve ısıl verim %52 iken; ve araştırma ve geliştirme sürecinde ultra yüksek verimli gaz türbininin termal verimliliğinin hedef değeri %56 ~ %60'tır ve türbin ön giriş sıcaklığı 1700 ° C'ye daha da artırılacaktır.

Endüstriyel gaz türbinlerinin itme-ağırlık oranı açısından gereklilikleri uçak motorları kadar yüksek olmasa da zorluk, boyutunun büyük olmasıdır. Şekil 16, GE'nin MS9001FA endüstriyel gaz türbininin sırasıyla 43 cm ve 56 cm uzunluğunda ve 13,5 kg ve 12,6 kg kütleli birincil ve ikincil türbin kanatlarını göstermektedir. Şekil 17'de türbin kılavuz kanadının 60cm uzunluğa ve >60kg kütleye sahip fan bölümü gösterilmektedir. Endüstriyel gaz türbini türbin kanatlarının tasarım uzunluklarının 90 cm'ye kadar ulaştığı da bildirildi. Şekil 18, 2011 yılında Japonya'da Mitsubishi Heavy Industries tarafından başarıyla geliştirilen 30 cm uzunluğunda tek kristal türbin kanadını göstermektedir. Şekil 19, presleme sürecindeki bir balmumu kalıbını göstermektedir. Şekil 20, kesilmiş bir seramik çekirdeği (boş) göstermektedir.

 Otomobil motoru turboşarjı

Bir otomobile turboşarj takmanın asıl amacı, turboşarj türbinini döndürmek için motordan çıkan egzoz gazlarından tam olarak yararlanmak, bu da koaksiyel kompresörün pervanesini havayı sıkıştırmak ve motora beslemek için tahrik etmektir. böylece yakıt tüketimini azaltma ve emisyon gazlarını daha temiz hale getirme etkisini elde etmek için motor gücünü ve torkunu arttırır (Şekil 21 ve 22).

Tipik olarak binek otomobil dizel motorları maksimum 850°C sıcaklıkta egzoz gazları yayar, benzinli motorlar ise 1050°C'ye kadar çıkabilir. Bu nedenle türbinler genellikle 713C veya MarM gibi nikel bazlı yüksek sıcaklık alaşımlarından hassas dökümden yapılır. ABD'de Hitchiner Manufacturing Co., Inc.'in patentli anti-yerçekimi döküm (vakumlu döküm) teknolojisinin (Şekil 23), bu tür ürünleri üretmenin en etkili yöntemi olduğu düşünülmektedir. Ön kompresör çarkları ise yüksek sıcaklıklarda çalışmaz ve genellikle alüminyum alaşımlı alçı tipi hassas dökümden yapılır. Süperşarj pervaneleri ve türbinleri genellikle küçük boyutludur ancak 250.000 rpm veya daha fazlasına kadar çok yüksek dönme hızlarına sahiptirler, bu da bu iki pervane için çok sıkı kalite gerekliliklerine yol açar. Her ne kadar bu iki pervaneyi üreten yerli üreticiler de mevcut olsa da, üretim toplam talep içerisinde büyük bir paya sahip değil.

Son yıllarda, doğal emişli büyük motorların yerine turboşarjlı küçük motorların kullanılması, yakıt tüketiminin azaltılması ve kentsel hava kalitesinin iyileştirilmesine yönelik artan çağrılar nedeniyle Avrupa'da popüler bir trend haline geldi ve temel yıl olarak 2011'den itibaren kurulum oranı arttı. Süperşarjörlerin sayısı 2016 yılına kadar ikiye veya daha fazla artacak ve toplamın %76'sına tekabül edecek. Ancak Avrupa ülkelerindeki otomotiv jeneratörlerinin ağırlıklı olarak dizel motorlardan oluşması nedeniyle, sürekli güncellenen AB araç emisyon standartlarını karşılamak için yalnızca turboşarjın kurulumu yeterli değildir, aynı zamanda PM2,5 ve NOx'i en aza indirmek için hem emme hem de egzoz sistemleriyle donatılmalıdır. ve diğer zararlı emisyonlar. Sistemdeki birçok parça, malzemenin çoğu paslanmaz çeliktir, karmaşık geometriye, ince duvarlara ve daha yüksek özelliklere sahip boyutsal doğruluk gereksinimlerine sahiptir, hassas döküm yöntemiyle kalıplama için çok uygundur, bu da otomotiv hassas dökümlerinin hızlı bir şekilde genişlemesini sağlar. Pazar payı 2004'te %5'ten 2011'de %16'ya, Japonya'da aynı dönemde %24'ten %43'e sıçradı. Her ne kadar otomobil süperşarjı emme ve egzoz sistemi hassas dökümleri, hassas döküm pazarında genel bir bakış açısıyla yalnızca orta sınıf ürünler olarak sayılabilirse de, pazar talebi nedeniyle Çin'in hassas döküm endüstrisinin gelişimi için nadir fırsat. 21. yüzyıla gelindiğinde, Çin'in Yangtze Nehri Deltası, Bohai Denizi ve birçok hassas döküm işletmesinin diğer bölgeleri, politika ve coğrafi avantajlar sağlamak için reforma ve dışa açılmaya güvenerek, hassas dökümün bu bölümünü yapma fırsatını yakalamak için hiç vakit kaybetmiyor Bu alanlardaki ürünler yerleşmiş ve hızlı bir şekilde yeni bir ürün pazarına dönüşmüş, aynı zamanda işletmenin yönetiminden proses teknolojisi ve ekipmanına kadar, aynı zamanda orijinali temel alarak bir adım daha geliştirmektedir. Yerli otomobil motorlarında, her ne kadar binek otomobillerde hâlâ benzinli motorlar hakim olsa da, yük vagonlarında dizel motorların hakimiyetinde olduğunu belirtmekte fayda var. Çin'in hava kalitesi gereksinimlerinin kademeli olarak iyileştirilmesiyle birlikte, turboşarj ve destek ekipmanlarının hızla yeni bir iç pazar oluşturması kaçınılmazdır, Çin'in hassas döküm endüstrisinin gelişmesini sağlayacak ve ardından yeni bir kalkınma canlılığı dalgası ekleyecektir.

Süper şarj cihazının dönen parçalarının yoğunluğunun azaltılması, hem motor verimliliği hem de geçici tepki üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir. Titanyum-alüminyum alaşımının (TiAl) özgül ağırlığı 4,2 ve nikel bazlı alaşımın (713 C) özgül ağırlığı 7,9'dur; dolayısıyla ikincisi yerine birincisi kullanılırsa kütle neredeyse yarı yarıya (%47) azalacak, böylece Türbinin ataleti, tork artışının tepki süresini kısaltır, böylece turboşarjın geçici tepki özellikleri geliştirilebilir. Japonya'daki Daido Casting Co.'ya (Daido Casting Co.) göre, süspansiyon eritme ve vakumlu döküm kombinasyonu kullanılarak titanyum-alüminyum alaşımlı turboşarj türbini başarılı bir şekilde döküldü ve seri üretime alındı. Süspansiyon eritme prensibi (sol) ve eritme havuzu (sağ) için Şekil 24, süspansiyon eritme - vakumlu emme döküm cihazı şeması için Şekil 25.

   Titanyum alüminyumalaşım hassas döküm

Titanyum-alüminyum alaşımı, havacılık, endüstriyel gaz türbini ve otomotiv endüstrilerinde belirli yüksek sıcaklık alaşımlarının ve diğer yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemelerin yerine kullanılabilen, düşük yoğunluklu, iyi yüksek sıcaklık mekanik özelliklerine ve oksidasyon direncine sahip metaller arası bir bileşiktir. . Mekanik özellikler testi sonuçları, 760 ° C'de yüksek sürünme direncine ve mükemmel yorulma direncine sahip olduğunu kanıtlamaktadır. Ancak bu tür malzemeler kırılgandır, oda sıcaklığında uzama oranı %2'den azdır, darbe direnci ve çatlak uzatma performansı zayıftır, dolayısıyla basınçlı döküm bu tür malzemeleri şekillendirmenin en iyi yolu haline gelir. Geçen yüzyılın doksanlı yıllarından bu yana, endüstriyel gaz türbini kanatlarının (Şekil 26a), tüm döküm türbininin (Şekil 26b), uçak motoru kanatlarının (Şekil 26c), otomotivin imalatında nikel bazlı yüksek sıcaklık alaşımları yerine giderek daha fazla kullanılmaktadır. içten yanmalı motor silindiri giriş ve egzoz valfleri ve diğer ürünler.