Hoe superlegeringen innovatie in de lucht- en ruimtevaart- en energiesector stimuleren

De legeringssamenstellingen die moderne motoren aandrijven, zijn ouder dan de meeste mensen denken. De nikkel-superlegeringen in een turbinegedeelte zijn in de loop van tientallen jaren ontwikkeld, en de namen die vandaag op tekeningen verschijnen, waren grotendeels vastgesteld voordat de productiemethoden die nu de industrie domineren. Wat is veranderd, is hoe die legeringen tot onderdelen worden verwerkt, en die verandering is waar de meeste recente verbeteringen vandaan komen.

Drie vormingsroutes zijn verantwoordelijk voor de verschuiving. Directionele stolling en enkelkristal gieten maken het mogelijk een schoep te maken zonder de korrelgrenzen die kruip beperken. Poedermetallurgie maakt het mogelijk een schijf te maken met een fijne en uniforme structuur die een gietstuk niet kan bereiken. Additive manufacturing maakt het mogelijk een vorm laag voor laag op te bouwen, wat zowel de mogelijke geometrie als de hoeveelheid verspild metaal verandert.

Elke route lost een probleem op en elke route introduceert een defect dat er voorheen niet was. Dat is de eerlijke beschrijving van innovatie in deze industrie, en het is de reden waarom een inkoop specificatie voor een superlegering onderdeel nu een proces moet beschrijven naast een samenstelling.

De tabel plaatst de routes op basis van wat ze toestaan en wat ze kosten. De legering in elke kolom kan vergelijkbaar zijn, en het resulterende onderdeel niet.

De enkelkristalroute is het duidelijkste voorbeeld van een proces dat het materiaal heeft veranderd zonder de naam te veranderen. Een schoep gegoten als een enkelkristal heeft geen korrelgrenzen over de doorsnede die de centrifugale belasting draagt, dus het kruipmechanisme dat een equiaxiaal gietstuk beperkt, wordt verwijderd en niet verminderd. De tweede generatie enkelkristal legeringen zoals CMSX-4 kwamen in de jaren negentig in dienst voor gasturbineschoepen, en de derde generatie legeringen zoals Rene N5 volgden voor de heetste posities, waarbij de keuze tussen beide werd gedreven door temperatuurcapaciteit en coating compatibiliteit en niet door beschikbaarheid.

Een koper die een superlegering heeft gekwalificeerd op samenstelling, heeft het metaal en niet het onderdeel gekwalificeerd. Elke vormingsroute heeft een karakteristiek defect dat de samenstelling niet beschrijft, en elk defect vereist zijn eigen inspectie.

De poedermetallurgie rij is degene die kopers die nieuw zijn met schijven verrast. Drie defecten worden herhaaldelijk genoemd in de technische literatuur voor nikkelpoeder schijven: precipitatie aan de grenzen van eerdere deeltjes, thermisch geïnduceerde porositeit en niet-metalen insluitsels. De eerste is een netwerk van precipitaten dat de oppervlakken van de oorspronkelijke poederdeeltjes volgt, en het vormt zich wanneer het poederoppervlak zuurstof of koolstof draagt dat reageert tijdens consolidatie. De tweede is een porositeit die verschijnt wanneer gas dat in het poeder is opgesloten, uitzet tijdens een hoge temperatuur excursie. De derde is een vast insluitsel dat met het poeder is aangekomen en dat geen enkele warmtebehandeling zal verwijderen.

Geen van deze drie defecten kan worden gedetecteerd door een samenstellingscertificaat. Ze worden gevonden door ultrasone inspectie, door doorsnede en door controle van de poederlot, daarom noemt een schijf specificatie de poederbron en de consolidatieroute en niet alleen de legering.

Een superlegering onderdeel is duur deels omdat het meeste metaal dat wordt gekocht niet in het vliegtuig terechtkomt. De maatstaf is de buy to fly ratio, het gewicht van het gekochte materiaal gedeeld door het gewicht van het afgewerkte onderdeel, en het verschilt met een orde van grootte tussen de routes.

De ratio verklaart waarom additive manufacturing de luchtvaart is ingegaan voor onderdelen die geometrisch complex zijn en niet voor onderdelen die simpelweg groot zijn. Een brandstof nozzle met interne kanalen kan niet uit een smeedstuk worden bewerkt zonder meerdere stukken te verbinden, en een voering met een dichte reeks koelfuncties is moeilijk op een andere manier te produceren. Waar de geometrie eenvoudig is, blijft een smeedstuk goedkoper, en verdwijnt het ratio-argument.

De ratio verklaart ook een beperking. Een onderdeel dat wordt gebouwd door materiaal toe te voegen, heeft een andere thermische geschiedenis dan een smeedstuk, en de eigenschappen in de bouwrichting verschillen van de eigenschappen er dwars doorheen. De besparing in materiaal is reëel en de anisotropie is reëel, en de tekening moet de richting aangeven waarin de eigenschappen van belang zijn.

De verschuiving van een materiaalaankoop naar een procesaankoop is het praktische gevolg van al het bovenstaande. Een koper die vroeger een legering en een vorm specificeerde, specificeert nu een legering, een vormingsroute, een acceptatieniveau voor defecten en een kwalificatieregister.

Daarom kunnen twee offertes voor dezelfde legering met een factor verschillen die de metaalprijs niet verklaart. De ene leverancier citeert een route die hij heeft gekwalificeerd, en de andere citeert een route die hij van plan is te kwalificeren op de bestelling van de koper.

Land gebaseerde gasturbines gebruiken dezelfde drie vormingsroutes en passen verschillende acceptatielogica toe. Een schoep voor een grote machine is een enkelkristal of directioneel gestolde gietstuk, en de kruiplevensduur bij de afvuurtemperatuur is de bepalende eigenschap. Een schijf is een poedermetallurgisch onderdeel, en de inspectie is gericht op de drie poederdefecten en niet op de gietdefecten. Een verbrandingskamer of een overgangsstuk is steeds vaker een additief onderdeel, en de acceptatie is opgebouwd rond de thermische vermoeiing van een dunne wand en niet rond een trektest.

De rode draad is dat de temperatuur in het hete gedeelte is gestegen door het verbeteren van het proces en de koelgeometrie samen, en niet door het vinden van een nieuw basismetaal. Een enkelkristal schoep met filmkoeling en een thermische barrièrecoating is een systeem, en de legering is één element ervan. Een pagina die alleen de legering krediteert, heeft een derde van de reden dat de turbine werkt beschreven.

De productvorm volgt nog steeds de route, en het document volgt nog steeds de vorm. Staven, billets en smeedvoorraad zijn de input voor een bewerkt of gesmeed onderdeel. Poeder is de input voor een geconsolideerde schijf. Draad en strip zijn de input voor een gelaste of gevormde assemblage. Plaat is de input voor een verbrandingskamer of een behuizing.

DLX levert nikkel- en kobalt-superlegeringen in Changzhou, Jiangsu, in draad vanaf 0,025 mm, ronde staaf tot 50 mm, strip van 0,50 mm tot 2,5 mm dikte, en buis en plaat in de standaard fabriekmaten. Het assortiment omvat de solid-solution en precipitatie-hardende kwaliteiten die worden gebruikt in luchtvaart- en energiehardware, samen met de bijpassende vulmaterialen voor lassen.

Materiaal wordt geleverd volgens de specificatie die op de bestelling staat vermeld, met een EN 10204 3.1 certificaat op aanvraag en het warmtenummer traceerbaar naar de testresultaten. Een koper die een onderdeel naar een nieuwe vormingsroute verplaatst, heeft meestal eerst de inputvorm en het certificaat nodig, omdat de routekwalificatie begint bij het materiaal en niet bij het afgewerkte onderdeel.

De samenstellingen zijn in de loop van tientallen jaren ontwikkeld en de veelgebruikte kwaliteiten zijn volwassen. De meeste recente winst komt van de vormingsroute, van de koelgeometrie en van coatings, en die drie werken als een systeem. Een enkelkristal schoep met filmkoeling en een thermische barrièrecoating presteert bij een temperatuur die de legering alleen niet zou overleven.

Omdat de korrelgrenzen uit het belastingspad zijn verwijderd. In een conventioneel gegoten schoep lopen de grenzen over de doorsnede die de centrifugale belasting draagt, en ze zijn het zwakke pad bij temperatuur. Directionele stolling lijnt de grenzen langs de belasting uit, en enkelkristal gieten verwijdert ze volledig, zodat het kruipmechanisme dat het gietstuk beperkt, wordt geëlimineerd en niet verminderd.

Precipitatie aan de grenzen van eerdere deeltjes, thermisch geïnduceerde porositeit en niet-metalen insluitsels. De eerste is een precipitatennetwerk dat de oorspronkelijke poederoppervlakken volgt, de tweede is porositeit van gas dat in het poeder is opgesloten en uitzet bij temperatuur, en de derde is een vast insluitsel dat met het poeder is aangekomen. Geen van hen verschijnt op een samenstellingscertificaat, en ze worden gevonden door ultrasone inspectie, doorsnede en poederlot controle.

Het gewicht van het gekochte materiaal gedeeld door het gewicht van het afgewerkte onderdeel. Smeden en bewerken zitten meestal rond de 3:1 tot 10:1, en additive manufacturing rond de 1:1 tot 3:1, daarom is de additieve route aantrekkelijk voor een complex onderdeel en niet voor een eenvoudig onderdeel. De ratio is een maatstaf voor materiaalkosten, en zegt niets over de vermoeiingslevensduur van het onderdeel.

Nee, het verandert wat gekwalificeerd moet worden. Een gebouwd onderdeel heeft een thermische geschiedenis en een richtingafhankelijke structuur, dus de tekening moet de oriëntatie aangeven waarin de eigenschappen van belang zijn, en het procesvenster moet vaststaan. De materiaalbesparing is reëel en de kwalificatie last is groter dan voor een smeedstuk van dezelfde legering.

Omdat de ene een gekwalificeerd proces citeert en de andere een materiaal. De legeringsprijs is een klein deel van het verschil. De rest is de route, de inspectie, de procesrecords en de opbrengst, en een route die niet is gekwalificeerd, brengt kosten met zich mee die na de bestelling verschijnen.

De innovatie in luchtvaart- en energie superlegeringen is verschoven van de samenstelling naar de vormingsroute. Directionele stolling en enkelkristal gieten verwijderen de korrelgrenzen die kruip beperken. Poedermetallurgie produceert een schijfstructuur die een gietstuk niet kan bereiken, tegen de prijs van drie defecten die uit het poeder komen. Additive manufacturing verandert de mogelijke geometrie en het percentage gekocht metaal dat het onderdeel bereikt.

Elke route brengt een defect en een kwalificatie last met zich mee, en de inkoop specificatie moet beide benoemen. Een koper die de legering en de vorm specificeert, heeft de input gespecificeerd. Een koper die ook de route, de defectacceptatie en het bewijs specificeert, heeft het onderdeel gespecificeerd.

1. Gepubliceerde overzichten van poedermetallurgische nikkel-superlegeringen, die precipitatie aan de grenzen van eerdere deeltjes, thermisch geïnduceerde porositeit en niet-metalen insluitsels identificeren als de drie karakteristieke defecten van de route.
2. Gepubliceerde studies van de vorming van poedergrenzen in nikkel-superlegeringen, die het precipitatennetwerk beschrijven dat de oorspronkelijke deeltjesoppervlakken volgt na consolidatie.
3. Gepubliceerd werk over directionele stolling van enkelkristal turbine schoepen, inclusief de CMSX-4 tweede generatie legering gebruikt in gasturbineschoepen sinds de jaren negentig, de Rene N5 derde generatie legering, en het vlekken defect dat zich vormt wanneer het stollingfront wordt verstoord.
4. Gepubliceerde beoordelingen van enkelkristal gieten voor turbine schoepen, die de verwijdering van korrelgrenzen uit het belastingspad en het resulterende kruipvoordeel beschrijven.
5. Gepubliceerd overzicht van metaal additive manufacturing in de luchtvaart, met buy to fly ratio's van ongeveer 1:1 tot 3:1 voor additieve routes.
6. Gepubliceerde industriële beoordelingen van smeden en bewerken, met buy to fly ratio's van ongeveer 3:1 tot 10:1, en van koolstofvezelcomposiet op ongeveer 1,5:1 als vergelijking.
7. AMS en ASTM productspecificaties voor nikkel-superlegering staven, billets, platen, vellen en draden, als de documenten die de inputvormen in de tabel regelen.
8. EN 10204, inspectiedocumenten, voor de definitie van het 3.1 certificaat als een document met werkelijke testresultaten en goedgekeurd door de onafhankelijke inspectie vertegenwoordiger van de fabrikant.

De hierboven genoemde routes en defectmechanismen beschrijven het algemene gedrag van de genoemde processen, en zijn geen verklaring dat een bepaalde leverancier gekwalificeerd is voor een bepaald onderdeel. Buy to fly ratio's variëren met de geometrie van het onderdeel en met de hoeveelheid bewerkingsmarge, dus de geciteerde bereiken zijn typische waarden en geen ontwerptargets. De eigenschappen van een gebouwd of gegoten onderdeel zijn afhankelijk van de lokale thermische geschiedenis en van de oriëntatie van het test specimen, dus een waarde van een teststaaf beschrijft niet elke locatie in een onderdeel. Kwalificatievereisten voor vliegende hardware worden bepaald door de vliegtuig- of motorfabrikant en door de toepasselijke luchtwaardigheidsautoriteit, en niets op deze pagina vormt een kwalificatie. Productspecificaties worden herzien, en de op de inkooporder genoemde editie is van kracht. Niets op deze pagina is een vervanging voor een technische vrijgave of voor de kwalificatietests die tussen koper en leverancier zijn overeengekomen.