Πώς τα υπερσυναλλέγματα οδηγούν την καινοτομία στους τομείς της αεροδιαστημικής και της ενέργειας

Οι συνθέσεις κραμάτων που φέρουν σύγχρονους κινητήρες είναι παλαιότερες από ό,τι υποθέτουν οι περισσότεροι άνθρωποι. Τα υπερκράματα νικελίου σε μια τμήμα στροβίλου έχουν αναπτυχθεί επί δεκαετίες, και τα ονόματα που εμφανίζονται στα σχέδια σήμερα καθορίστηκαν σε μεγάλο βαθμό πριν από τις μεθόδους κατασκευής που κυριαρχούν πλέον στη βιομηχανία. Αυτό που έχει αλλάξει είναι ο τρόπος με τον οποίο αυτά τα κράματα μετατρέπονται σε εξαρτήματα, και αυτή η αλλαγή είναι από όπου προέρχεται η μεγαλύτερη πρόσφατη βελτίωση.

Τρεις διαδρομές σχηματισμού λογίζονται για τη μετατόπιση. Η κατευθυνόμενη στερεοποίηση και η μονοκρυσταλλική χύτευση επιτρέπουν την κατασκευή μιας πτερυγίου χωρίς τα όρια κόκκων που περιορίζουν την ερπυσμό. Η μεταλλουργία σκόνης επιτρέπει την κατασκευή ενός δίσκου με λεπτή και ομοιόμορφη δομή που δεν μπορεί να επιτευχθεί με χύτευση. Η προσθετική κατασκευή επιτρέπει την κατασκευή ενός σχήματος στρώμα προς στρώμα, γεγονός που αλλάζει τόσο τη δυνατή γεωμετρία όσο και την ποσότητα του μετάλλου που σπαταλάται.

Κάθε διαδρομή λύνει ένα πρόβλημα και κάθε μία εισάγει ένα ελάττωμα που δεν υπήρχε πριν. Αυτή είναι η ειλικρινής περιγραφή της καινοτομίας σε αυτή τη βιομηχανία, και είναι ο λόγος για τον οποίο μια προδιαγραφή αγοράς για ένα εξάρτημα υπερκράματος πρέπει τώρα να περιγράφει μια διαδικασία καθώς και μια σύνθεση.

Ο πίνακας τοποθετεί τις διαδρομές ανάλογα με το τι επιτρέπουν και τι κοστίζουν. Το κράμα σε κάθε στήλη μπορεί να είναι παρόμοιο, και το εξάρτημα που προκύπτει δεν είναι.

Η μονοκρυσταλλική διαδρομή είναι το πιο σαφές παράδειγμα μιας διαδικασίας που άλλαξε το υλικό χωρίς να αλλάξει το όνομά του. Μια πτερυγίδα χυτευμένη ως μονοκρύσταλλος δεν έχει όρια κόκκων κατά μήκος της διατομής που φέρει το φυγόκεντρο φορτίο, οπότε ο μηχανισμός ερπυσμού που περιορίζει μια ισοτροπική χύτευση αφαιρείται και δεν μειώνεται. Οι μονοκρυσταλλικές κραμάτων δεύτερης γενιάς όπως το CMSX-4 εισήλθαν σε υπηρεσία πτερυγίων αεριοστροβίλου στη δεκαετία του 1990, και τα κράματα τρίτης γενιάς όπως το Rene N5 ακολούθησαν για τις θερμότερες θέσεις, με την επιλογή μεταξύ τους να καθορίζεται από την ικανότητα θερμοκρασίας και τη συμβατότητα επίστρωσης και όχι από τη διαθεσιμότητα.

Ένας αγοραστής που έχει πιστοποιήσει ένα υπερκράμα με βάση τη σύνθεση έχει πιστοποιήσει το μέταλλο και όχι το εξάρτημα. Κάθε διαδρομή σχηματισμού έχει ένα χαρακτηριστικό ελάττωμα που η σύνθεση δεν περιγράφει, και κάθε ελάττωμα χρειάζεται τη δική του επιθεώρηση.

Η σειρά μεταλλουργίας σκόνης είναι αυτή που εκπλήσσει τους αγοραστές που είναι νέοι στους δίσκους. Τρία ελαττώματα αναφέρονται επανειλημμένα στην τεχνική βιβλιογραφία για δίσκους νικελίου σε σκόνη: καθίζηση ορίων προηγμένων σωματιδίων, θερμικά προκαλούμενη πορώδης και μη μεταλλικές εγκλείσεις. Το πρώτο είναι ένα δίκτυο καθιζήσεων που ακολουθεί τις επιφάνειες των αρχικών σωματιδίων σκόνης, και σχηματίζεται όταν η επιφάνεια της σκόνης φέρει οξυγόνο ή άνθρακα που αντιδρά κατά τη συμπύκνωση. Το δεύτερο είναι μια πορώδης που εμφανίζεται όταν αέριο παγιδευμένο στη σκόνη διαστέλλεται κατά τη διάρκεια μιας υψηλής θερμοκρασιακής εξόδου. Το τρίτο είναι μια στερεή εγκλείση που έφτασε με τη σκόνη και που καμία θερμική επεξεργασία δεν θα αφαιρέσει.

Κανένα από αυτά τα τρία ελαττώματα δεν μπορεί να ανιχνευθεί με ένα πιστοποιητικό σύνθεσης. Βρίσκονται με υπερηχητικό έλεγχο, με τομή και με έλεγχο της παρτίδας σκόνης, γι' αυτό μια προδιαγραφή δίσκου ονομάζει την πηγή σκόνης και τη διαδρομή συμπύκνωσης και όχι μόνο το κράμα.

Ένα εξάρτημα υπερκράματος είναι ακριβό εν μέρει επειδή το μεγαλύτερο μέρος του μετάλλου που αγοράζεται δεν καταλήγει στο αεροσκάφος. Το μέτρο είναι ο λόγος αγοράς προς πτήση, το βάρος του υλικού που αγοράζεται διαιρούμενο με το βάρος του τελικού εξαρτήματος, και διαφέρει κατά μια τάξη μεγέθους μεταξύ των διαδρομών.

Ο λόγος εξηγεί γιατί η προσθετική κατασκευή εισήλθε στην αεροδιαστημική για εξαρτήματα που είναι γεωμετρικά πολύπλοκα και όχι για εξαρτήματα που είναι απλά μεγάλα. Ένα ακροφύσιο καυσίμου με εσωτερικά κανάλια δεν μπορεί να μηχανουργηθεί από σφυρήλατο χωρίς τη σύνδεση πολλών κομματιών, και μια επένδυση με πυκνή διάταξη χαρακτηριστικών ψύξης είναι δύσκολο να παραχθεί με άλλο τρόπο. Όπου η γεωμετρία είναι απλή, ένα σφυρήλατο παραμένει φθηνότερο, και το επιχείρημα του λόγου εξαφανίζεται.

Ο λόγος εξηγεί επίσης έναν περιορισμό. Ένα εξάρτημα που κατασκευάζεται προσθέτοντας υλικό έχει διαφορετικό θερμικό ιστορικό από ένα σφυρήλατο, και οι ιδιότητες στην κατεύθυνση κατασκευής διαφέρουν από τις ιδιότητες κατά πλάτος της. Η εξοικονόμηση υλικού είναι πραγματική και η ανισοτροπία είναι πραγματική, και το σχέδιο πρέπει να δηλώνει την κατεύθυνση στην οποία έχουν σημασία οι ιδιότητες.

Η μετατόπιση από αγορά υλικού σε αγορά διαδικασίας είναι η πρακτική συνέπεια όλων των παραπάνω. Ένας αγοραστής που παλαιότερα καθόριζε ένα κράμα και μια μορφή, τώρα καθορίζει ένα κράμα, μια διαδρομή σχηματισμού, ένα επίπεδο αποδοχής ελαττωμάτων και ένα αρχείο πιστοποίησης.

Γι' αυτό δύο προσφορές για το ίδιο κράμα μπορεί να διαφέρουν κατά έναν παράγοντα που η τιμή του μετάλλου δεν εξηγεί. Ο ένας προμηθευτής προσφέρει μια διαδρομή που έχει πιστοποιήσει, και ο άλλος προσφέρει μια διαδρομή που σκοπεύει να πιστοποιήσει με την παραγγελία του αγοραστή.

Οι χερσαίοι αεριοστρόβιλοι χρησιμοποιούν τις ίδιες τρεις διαδρομές σχηματισμού και εφαρμόζουν διαφορετική λογική αποδοχής. Μια πτερυγίδα για μια μηχανή μεγάλης κλίμακας είναι μια μονοκρυσταλλική ή κατευθυνόμενα στερεοποιημένη χύτευση, και η διάρκεια ζωής ερπυσμού στη θερμοκρασία πυροδότησης είναι η καθοριστική ιδιότητα. Ένας δίσκος είναι ένα εξάρτημα μεταλλουργίας σκόνης, και η επιθεώρηση στοχεύει στα τρία ελαττώματα σκόνης και όχι στα ελαττώματα χύτευσης. Ένας καυστήρας ή ένα μεταβατικό κομμάτι είναι όλο και περισσότερο ένα προσθετικό εξάρτημα, και η αποδοχή βασίζεται στη θερμική κόπωση ενός λεπτού τοιχώματος και όχι σε μια δοκιμή εφελκυσμού.

Το κοινό νήμα είναι ότι η θερμοκρασία στο θερμό τμήμα έχει αυξηθεί βελτιώνοντας τη διαδικασία και τη γεωμετρία ψύξης μαζί, και όχι βρίσκοντας ένα νέο βασικό μέταλλο. Μια μονοκρυσταλλική πτερυγίδα με ψύξη φιλμ και θερμική επένδυση είναι ένα σύστημα, και το κράμα είναι ένα στοιχείο του. Μια σελίδα που πιστώνει μόνο το κράμα έχει περιγράψει το ένα τρίτο του λόγου που λειτουργεί ο στρόβιλος.

Η μορφή του προϊόντος εξακολουθεί να ακολουθεί τη διαδρομή, και το έγγραφο εξακολουθεί να ακολουθεί τη μορφή. Ράβδος, πλίνθωμα και υλικό σφυρηλάτησης είναι η είσοδος για ένα μηχανουργημένο ή σφυρηλατημένο εξάρτημα. Η σκόνη είναι η είσοδος για έναν συμπυκνωμένο δίσκο. Σύρμα και ταινία είναι η είσοδος για μια συγκολλημένη ή διαμορφωμένη συναρμολόγηση. Πλάκα είναι η είσοδος για έναν καυστήρα ή ένα περίβλημα.

Η DLX προμηθεύει υπερκράματα νικελίου και κοβαλτίου στο Changzhou, Jiangsu, σε σύρμα από 0,025 mm, στρογγυλή ράβδο έως 50 mm, ταινία από 0,50 mm έως 2,5 mm πάχος, και σωλήνα και πλάκα στα τυπικά μεγέθη μύλου. Η γκάμα καλύπτει τους βαθμούς στερεού διαλύματος και σκλήρυνσης καθίζησης που χρησιμοποιούνται σε αεροδιαστημικό και ενεργειακό υλικό, μαζί με τα αντίστοιχα υλικά πλήρωσης για συγκόλληση.

Το υλικό παρέχεται σύμφωνα με την προδιαγραφή που αναγράφεται στην παραγγελία, με πιστοποιητικό EN 10204 3.1 κατόπιν αιτήματος και τον αριθμό θερμότητας ανιχνεύσιμο στα αποτελέσματα των δοκιμών. Ένας αγοραστής που μεταφέρει ένα εξάρτημα σε μια νέα διαδρομή σχηματισμού θα χρειαστεί συνήθως πρώτα τη μορφή εισόδου και το πιστοποιητικό της, επειδή η πιστοποίηση της διαδρομής ξεκινά από το υλικό και όχι από το τελικό εξάρτημα.

Οι συνθέσεις έχουν αναπτυχθεί επί δεκαετίες και οι ευρέως χρησιμοποιούμενοι βαθμοί είναι ώριμοι. Το μεγαλύτερο μέρος του πρόσφατου κέρδους προέρχεται από τη διαδρομή σχηματισμού, από τη γεωμετρία ψύξης και από τις επικαλύψεις, και αυτές οι τρεις λειτουργούν ως σύστημα. Μια μονοκρυσταλλική πτερυγίδα με ψύξη φιλμ και θερμική επένδυση αποδίδει σε θερμοκρασία που το κράμα μόνο του δεν θα επιβίωνε.

Επειδή τα όρια κόκκων αφαιρούνται από τη διαδρομή φορτίου. Σε μια συμβατικά χυτευμένη πτερυγίδα, τα όρια διατρέχουν τη διατομή που φέρει το φυγόκεντρο φορτίο, και είναι η αδύναμη διαδρομή σε υψηλή θερμοκρασία. Η κατευθυνόμενη στερεοποίηση ευθυγραμμίζει τα όρια κατά μήκος του φορτίου, και η μονοκρυσταλλική χύτευση τα αφαιρεί εντελώς, οπότε ο μηχανισμός ερπυσμού που περιορίζει τη χύτευση εξαλείφεται και δεν μειώνεται.

Καθίζηση ορίων προηγμένων σωματιδίων, θερμικά προκαλούμενη πορώδης και μη μεταλλικές εγκλείσεις. Το πρώτο είναι ένα δίκτυο καθιζήσεων που ακολουθεί τις αρχικές επιφάνειες των σωματιδίων, το δεύτερο είναι πορώδης από αέριο παγιδευμένο στη σκόνη που διαστέλλεται σε υψηλή θερμοκρασία, και το τρίτο είναι μια στερεή εγκλείση που έφτασε με τη σκόνη. Κανένα από αυτά δεν εμφανίζεται σε πιστοποιητικό σύνθεσης, και βρίσκονται με υπερηχητικό έλεγχο, τομή και έλεγχο παρτίδας σκόνης.

Το βάρος του υλικού που αγοράζεται διαιρούμενο με το βάρος του τελικού εξαρτήματος. Η σφυρηλάτηση και η μηχανουργική κατεργασία συνήθως κυμαίνονται περίπου στο 3:1 έως 10:1, και η προσθετική κατασκευή περίπου στο 1:1 έως 3:1, γι' αυτό η προσθετική διαδρομή είναι ελκυστική για ένα πολύπλοκο εξάρτημα και όχι για ένα απλό. Ο λόγος είναι ένα μέτρο κόστους υλικού, και δεν λέει τίποτα για τη διάρκεια ζωής κόπωσης του εξαρτήματος.

Όχι, αλλάζει αυτό που πρέπει να πιστοποιηθεί. Ένα κατασκευασμένο εξάρτημα έχει ένα θερμικό ιστορικό και μια δομή εξαρτώμενη από την κατεύθυνση, οπότε το σχέδιο πρέπει να δηλώνει τον προσανατολισμό στον οποίο έχουν σημασία οι ιδιότητες, και το παράθυρο της διαδικασίας πρέπει να είναι σταθερό. Η εξοικονόμηση υλικού είναι πραγματική και το βάρος πιστοποίησης είναι μεγαλύτερο από ό,τι για ένα σφυρήλατο του ίδιου κράματος.

Επειδή η μία προσφέρει μια πιστοποιημένη διαδικασία και η άλλη προσφέρει ένα υλικό. Η τιμή του κράματος είναι ένα μικρό μέρος της διαφοράς. Το υπόλοιπο είναι η διαδρομή, η επιθεώρηση, τα αρχεία διαδικασίας και η απόδοση, και μια διαδρομή που δεν έχει πιστοποιηθεί φέρει ένα κόστος που εμφανίζεται μετά την παραγγελία.

Η καινοτομία στα υπερκράματα αεροδιαστημικής και ενέργειας έχει μετατοπιστεί από τη σύνθεση στη διαδρομή σχηματισμού. Η κατευθυνόμενη στερεοποίηση και η μονοκρυσταλλική χύτευση αφαιρούν τα όρια κόκκων που περιορίζουν την ερπυσμό. Η μεταλλουργία σκόνης παράγει μια δομή δίσκου που δεν μπορεί να επιτευχθεί με χύτευση, με κόστος τριών ελαττωμάτων που προέρχονται από τη σκόνη. Η προσθετική κατασκευή αλλάζει τη δυνατή γεωμετρία και το ποσοστό του αγορασμένου μετάλλου που φτάνει στο εξάρτημα.

Κάθε διαδρομή φέρνει ένα ελάττωμα και ένα βάρος πιστοποίησης, και η προδιαγραφή αγοράς πρέπει να ονομάζει και τα δύο. Ένας αγοραστής που καθορίζει το κράμα και τη μορφή έχει καθορίσει την είσοδο. Ένας αγοραστής που καθορίζει επίσης τη διαδρομή, την αποδοχή ελαττωμάτων και την απόδειξη έχει καθορίσει το εξάρτημα.

1. Δημοσιευμένες ανασκοπήσεις υπερκραμάτων νικελίου σε σκόνη για δίσκους, που αναγνωρίζουν την καθίζηση ορίων προηγμένων σωματιδίων, τη θερμικά προκαλούμενη πορώδη και τις μη μεταλλικές εγκλείσεις ως τα τρία χαρακτηριστικά ελαττώματα της διαδρομής.
2. Δημοσιευμένες μελέτες σχηματισμού ορίων προηγμένων σωματιδίων σκόνης σε υπερκράματα νικελίου, που περιγράφουν το δίκτυο καθιζήσεων που ακολουθεί τις αρχικές επιφάνειες των σωματιδίων μετά τη συμπύκνωση.
3. Δημοσιευμένη εργασία για την κατευθυνόμενη στερεοποίηση μονοκρυσταλλικών πτερυγίων στροβίλου, συμπεριλαμβανομένου του κράματος δεύτερης γενιάς CMSX-4 που χρησιμοποιείται σε πτερύγια αεριοστροβίλου από τη δεκαετία του 1990, του κράματος τρίτης γενιάς Rene N5 και του ελαττώματος φλύκταινας που σχηματίζεται όταν διαταράσσεται το μέτωπο στερεοποίησης.
4. Δημοσιευμένες αξιολογήσεις μονοκρυσταλλικής χύτευσης για πτερύγια στροβίλου, που περιγράφουν την αφαίρεση των ορίων κόκκων από τη διαδρομή φορτίου και το αποτέλεσμα όφελος ερπυσμού.
5. Δημοσιευμένη ανασκόπηση προσθετικής κατασκευής μετάλλων στην αεροδιαστημική, αναφέροντας λόγους αγοράς προς πτήση περίπου 1:1 έως 3:1 για προσθετικές διαδρομές.
6. Δημοσιευμένες βιομηχανικές αξιολογήσεις σφυρηλάτησης και μηχανουργικής κατεργασίας, αναφέροντας λόγους αγοράς προς πτήση περίπου 3:1 έως 10:1, και σύνθετων υλικών ανθρακονημάτων περίπου 1.5:1 ως σύγκριση.
7. Προδιαγραφές προϊόντων AMS και ASTM για ράβδους, πλινθώματα, πλάκες, φύλλα και σύρματα υπερκραμάτων νικελίου, ως τα έγγραφα που διέπουν τις μορφές εισόδου που ονομάζονται στον πίνακα.
8. EN 10204, έγγραφα επιθεώρησης, για τον ορισμό του πιστοποιητικού 3.1 ως εγγράφου που φέρει πραγματικά αποτελέσματα δοκιμών και επικυρώνεται από τον ανεξάρτητο εκπρόσωπο επιθεώρησης του κατασκευαστή.

Οι διαδρομές και οι μηχανισμοί ελαττωμάτων παραπάνω περιγράφουν τη γενική συμπεριφορά των ονομαζόμενων διαδικασιών, και δεν αποτελούν δήλωση ότι ένας συγκεκριμένος προμηθευτής είναι πιστοποιημένος για ένα συγκεκριμένο εξάρτημα. Οι λόγοι αγοράς προς πτήση ποικίλλουν ανάλογα με τη γεωμετρία του εξαρτήματος και την ποσότητα του περιθωρίου μηχανουργικής κατεργασίας, οπότε τα αναφερόμενα εύρη είναι τυπικές τιμές και όχι στόχοι σχεδιασμού. Οι ιδιότητες ενός κατασκευασμένου ή χυτευμένου εξαρτήματος εξαρτώνται από το τοπικό θερμικό ιστορικό και τον προσανατολισμό του δείγματος δοκιμής, οπότε μια τιμή από μια ράβδο δοκιμής δεν περιγράφει κάθε θέση σε ένα εξάρτημα. Οι απαιτήσεις πιστοποίησης για υλικό πτήσης καθορίζονται από τον κατασκευαστή του αεροσκάφους ή του κινητήρα και από την ισχύουσα αρχή αεροπορικής αξιοπλοΐας, και τίποτα σε αυτή τη σελίδα δεν αποτελεί πιστοποίηση. Οι προδιαγραφές προϊόντων αναθεωρούνται, και η έκδοση που αναγράφεται στην παραγγελία αγοράς υπερισχύει. Τίποτα σε αυτή τη σελίδα δεν υποκαθιστά μια μηχανική έκδοση ή τις δοκιμές πιστοποίησης που συμφωνούνται μεταξύ αγοραστή και προμηθευτή.