Það er grundvallarvandamál í hjarta nútíma þotuhreyfla:

Túrbínublöðin verða fyrir hærra hitastigi en bræðslumark efnisins sem þau eru unnin úr.

Nikkel-undirstaða ofurblendi eru meðal hitaþolnustu burðarefna- sem völ er á í dag. Samt bráðna jafnvel þessar málmblöndur við um það bil 1.300 gráður eða aðeins yfir.

Gasið sem fer úr brunahólfi nútíma vélar getur hins vegar farið yfir 1.500 gráður.

Svo hvers vegna bráðnar túrbínublaðið ekki einfaldlega?

Svarið er furðu einfalt:

Það er holur.

Inni í nútíma túrbínublaði er mjög hannað net innri kæliganga. Kælandi loft fer inn í gegnum blaðrótina, fer í gegnum þessar göngur, gleypir hita úr málminum og fer að lokum út um hundruð pínulitla hola á yfirborði blaðsins.

Loftið sem lekur út myndar þunnt hlífðarlag á milli blaðsins og heita gassins í kring.

Í raun er blaðið stöðugt að kæla sig á meðan það starfar inni í nógu heitu umhverfi til að bræða það.

En það skapar annað vandamál.

Hvernig framleiðir þú málmíhlut sem inniheldur kæligöngur sem eru bognar, greinóttar, mjög þunnar og nánast ómögulegt fyrir hefðbundið skurðarverkfæri að ná til?

Þú vinnur þá ekki.

Þú steyptir þeim utan um keramikstykki.

Sá keramikhluti er kallaður akeramik kjarna.

Það kemur kannski aldrei fram í fullbúinni vélinni. Það getur verið alveg uppleyst og fjarlægt áður en blaðið fer í notkun.

Samt án hennar væri mjög erfitt - og í sumum tilfellum ómögulegt - að framleiða mörg af fullkomnustu holu hverflunum.

Af hverju þarf að kæla túrbínublöð

Hitastigið framan á hverflinum er einn af lykilþáttunum sem stjórnar afköstum og hitauppstreymi gas-hverflahreyfils.

Almennt séð gerir hækkandi hitastig hverflainntaks hreyfil kleift að vinna gagnlegri orku úr brunaferlinu.

En það eru takmörk fyrir hörðum efnum.

Það er ekki nóg að þróa álfelgur með enn hærra bræðslumark. Nútíma túrbínuefni starfa nú þegar nálægt mörkum þess sem örbygging þeirra þolir.

Lausnin er ekki að láta málminn lifa af fullu gashitastigi.

Lausnin er aðhalda málmnum sjálfum verulega kaldari en gasið í kring.

Það er þar sem hverflakæling kemur inn.

Kæliloft er blásið út úr þjöppunni og leitt í gegnum göngur inni í túrbínublaðinu.

Þegar það rennur í gegnum innri rásirnar fjarlægir það hita frá blaðinu.

Loftinu er síðan losað í gegnum nákvæmlega staðsettar holur á yfirborði blaðsins.

Þetta er þekkt semfilmukæling.

Kæliloftið dreifist yfir yfirborðið og myndar þunnt lag á milli málmsins og heitu brennslulofttegundanna.

Útkoman er merkilegt verkfræðibragð:

Gasið í kring getur verið heitara en bræðslumark málmblöndunnar, en raunverulegt málmhitastig helst undir mikilvægum hitastigi.

En að hanna svona kælikerfi er aðeins hálft vandamálið.

Hinn helmingurinn er að framleiða það.

Framleiðsluvandamálið: Hvernig gerir þú hið ómögulega-í-vél?

Kæligöngurnar inni í háþróaðri hverflablaði eru ekki einfaldar boraðar holur.

Þau geta innihaldið:

bogadregnar göngur,

margar greinar,

Serpentine rásir,

þunnir veggir,

innri rifbein,

höggvirki,

og nákvæmlega staðsett kæliúttak.

Sumir gangarnir eru svo litlir og rúmfræðilega flóknir að hefðbundin borun eða fræsun nær einfaldlega ekki til þeirra.

Jafnvel háþróuð vinnslutækni hefur grundvallartakmarkanir þegar verkfærið hefur ekki aðgang að nauðsynlegri rúmfræði.

Fjárfestingarsteypa veitir lausn.

Í stað þess að reyna að fjarlægja efni til að búa til innri leið, framleiðendurbyggja göngurnar inn í steypuna frá upphafi.

Og lykillinn að því að gera það er keramikkjarninn.

Hugsaðu um keramikkjarna sem tímabundið þriggja-víddarmót fyrir innra hluta túrbínublaðsins.

Málmurinn verður að lokum að blaðinu.

Keramikið tekur tímabundið plássið sem verður að kæligöngum.

Þegar málmurinn hefur storknað er keramikið fjarlægt.

Það sem er eftir er innra kælikerfi.

Lífsferill keramikkjarna

Keramikkjarninn er í meginatriðum einnota íhlutur með afar krefjandi vinnu.

1. Gerð kjarna

Framleiðsla hefst með vandlega stýrðri keramikblöndu.

Það fer eftir notkun og framleiðsluleið, keramikduft er hægt að móta með því að nota ferli eins og sprautumótun, hlaupsteypu eða keramikaukefnaframleiðslu.

Græni líkaminn sem myndast endurskapar flókna rúmfræði innra kælikerfis blaðsins.

Það er síðan þurrkað, losað þar sem nauðsyn krefur og hert við hærra hitastig.

Endanleg keramikkjarni verður að hafa nægan styrk og víddarstöðugleika til að lifa af allt sem kemur næst.

Og víddarnákvæmni skiptir gríðarlega miklu máli.

Lítil villa í kjarnanum verður lítil villa í kæliganginum.

Í mjög fínstilltu túrbínublaði getur það haft áhrif á kælivirkni, staðbundið málmhitastig og að lokum endingu blaðsins.

2. Byggja upp vaxmynstrið

Fullunnin keramikkjarni er staðsettur inni í teygju.

Vaxi er síðan sprautað í kringum kjarnann.

Þegar vaxið harðnar er útkoman vaxmynstur sem táknar ytri rúmfræði hverflablaðsins, með keramikkjarna innbyggður í það.

Á þessum tímapunkti eru framtíðarkæligöngurnar þegar til - en þær eru enn uppteknar af keramik.

3. Byggja upp fjárfestinguna-Steypuskel

Vaxmynstrinu er ítrekað dýft í keramiklausn og húðað með eldföstu efni.

Lag fyrir lag er sterk keramikskel byggð utan um vaxmynstrið.

Þegar skelin hefur náð nauðsynlegri þykkt og styrk, er vaxið fjarlægt, venjulega með gufu eða stýrðri upphitun.

Vaxið rennur út.

Keramikkjarninn er áfram inni.

Niðurstaðan er fjárfestingar-steypumót sem inniheldur tvö mikilvæg keramikbygging:

ytri skel sem skilgreinir ytri lögun blaðsins og innri keramikkjarna sem skilgreinir kæliganga þess.

4. Steypa ofurblendi

Mótið er forhitað og flutt í stýrt steypuumhverfi.

Nikkel-undirstaða ofurblendi er brætt og hellt í mótið við vel stýrðar aðstæður, oft undir lofttæmi eða óvirku andrúmslofti.

Bráðinn málmur fyllir rýmið í kringum keramikkjarnann.

Þegar álfelnið storknar tekur það á sig lögun blaðsins en varðveitir rúmfræði innri kjarnans.

Fyrir háþróuð hverflablöð getur storknunarferlið sjálft verið mjög háþróað, þar á meðal stefnubundin storknun og, fyrir sum forrit, eins-kristallavöxt.

Í lok ferlisins er málmblaðið til.

En keramikkjarninn er enn fastur inni í honum.

5. Að fjarlægja kjarnann

Nú kemur sá hluti sem gerir keramik-kjarnatækni svo óvenjulega.

Kjarninn verður að lifa af steypuferlið - og hverfa síðan í raun.

Það fer eftir kjarnakerfinu og álblöndunni, efnaskolun er notuð til að fjarlægja keramikið.

Alkalískar lausnir ráðast á keramikið og brjóta það smám saman niður.

Ögnunum sem eftir eru skolast út um sömu þröngu göngurnar og kjarninn bjó til.

Markmiðið er einfalt:

Skildu málminn ósnortinn. Skildu kæligangana eftir opna. Skildu í rauninni ekkert keramik eftir.

Kjarninn hefur lokið störfum.

Og það er farið.

Efni hannað í kringum mótsögn

Þetta er það sem gerir keramik-kjarnaþróun svo erfiða.

Efnið þarf að uppfylla tvær kröfur sem virðast vinna gegn hvor annarri.

Við steypu: það verður að vera mjög stöðugt.

Kjarninn er útsettur fyrir bráðnu ofurblendi við hitastig um 1.500 gráður.

Það verður að standast:

sprunga,

aflögun,

veðrun,

skríða,

og víddarbreytingar.

Ef kjarninn hreyfist jafnvel lítið getur rúmfræði kæliganganna breyst.

Fyrir háþróað túrbínublað getur það verið nóg til að breyta annars dýrri steypu í rusl.

Eftir steypu: það verður að vera auðvelt að fjarlægja það.

Á sama tíma getur keramikið ekki einfaldlega hagað sér eins og venjulegt mjög stöðugt burðarkeramik.

Ef það hélst efnafræðilega ósnortið eftir steypuna gæti það festst varanlega inni í blaðinu.

Kæligöngum yrði stíflað.

Blaðið væri ónothæft.

Þannig að kjörinn keramikkjarni þarf að haga sér næstum eins og tvö mismunandi efni á tveimur mismunandi augnablikum:

Á meðan á steypunni stendur verður það að haga sér eins og-háhita byggingarhluti.

Eftir steypuna verður það að haga sér eins og fórnarefni sem hægt er að fjarlægja hreint.

Þessi mótsögn er kjarninn í keramik-kjarnaefnisverkfræði.

Kísil á móti súráli

Tvær mikilvægar keramik-kjarnaefnafjölskyldur eru kísil-undirstaða og súráls-kerfi.

Kísil-kjarnar

Brædd kísil hefur nokkra aðlaðandi eiginleika.

Það getur boðið upp á tiltölulega góða útskolun, tiltölulega lágt vinnsluhitastig og hagstæða framleiðsluhagkvæmni.

En víddarstöðugleiki við háan-hita og skriðhegðun geta orðið takmarkanir, sérstaklega þar sem steypuhitastig og vinnslukröfur aukast.

Kjarna sem byggir á súráli-

Súrál veitir framúrskarandi háan-hitastöðugleika og skriðþol.

Það gerir súráls-undirstaða kjarna aðlaðandi fyrir krefjandi forrit, þar á meðal háþróuð eins-túrbínublöð.

Málið-er að mjög stöðugt súrál getur líka verið erfiðara að fjarlægja eftir steypingu.

Verkfræðiáskorunin verður því ein af jafnvægistyrkur, víddarstöðugleiki, porosity, fasasamsetning og útskolunarhæfni.

Besti kjarninn er ekki endilega sterkasta keramikið.

Það er keramikið með rétta samsetningu eiginleika fyrir alla framleiðsluferilinn.

Þar sem raunverulegi flöskuhálsinn liggur

Þegar fólk hugsar um tæknina á bak við háþróaða flugvélahreyfla hefur það tilhneigingu til að einbeita sér að augljósu áskorunum:

vélararkitektúrinn, túrbínublaðablönduna, eins-kristaltækni, kælihönnun eða há-hitahúð.

En háþróaðir keramikkjarnar eru annar mikilvægur hlekkur í framleiðslukeðjunni.

Og áskorunin er ekki einfaldlega að búa til keramikhluta.

Það er verið að byggja upp heilt kerfi í kringum sig.

Duft gæði

Hár-kjarna krefst vandlega stjórnaðs keramikdufts.

Hreinleiki,-kornastærðardreifing, formgerð agna, yfirborðsefnafræði og aðrir eiginleikar geta allir haft áhrif á endanlega kjarnann.

Litlar breytingar á upphafsduftinu geta haft áhrif á myndun, þurrkun, hertu, grop, styrk og víddarstöðugleika.

Ferlisstýring

Framleiðsluglugginn getur verið ótrúlega þröngur.

Breytingar á myndunarskilyrðum, bindiefnisinnihaldi, afbindingu, sintunarhitastigi eða geymslutíma geta breytt örbyggingu og eiginleikum kjarnans.

Þetta er ein ástæða þess að keramik-framleiðsla byggist að miklu leyti á uppsafnaðri ferlaþekkingu.

Uppskrift á pappír er ekki endilega það sama og stöðugt framleiðsluferli.

Hæfi

Aerospace íhlutir starfa undir mjög krefjandi áreiðanleikakröfum.

Ekki er einfaldlega hægt að kynna nýtt efni eða framleiðsluferli vegna þess að tilraunir á rannsóknarstofu líta lofandi út.

Það þarf að fara í gegnum víðtækar prófanir, staðfestingu á ferli, endurtekningarrannsóknir og hæfi.

Það gerir birgðakeðjur í geimferðum erfitt að komast inn í og ​​erfitt að skipta um þær.

Fyrir keramikkjarna þýðir framleiðslugeta því miklu meira en að hafa réttan búnað.

Það þýðir að hafaefni, vinnslustjórnun, gæðakerfi, verkfræðiþekkingu og hæfissöguað skila sömu niðurstöðu ítrekað.

The Next Frontier: Keramik 3D prentun

Hefðbundin keramik-framleiðsla byggir mikið á verkfærum.

Það verður vandamál þegar hönnuðir vilja gera tilraunir með sífellt flóknari kæliarkitektúr.

Keramikaukefnaframleiðsla býður upp á aðra nálgun.

Með ljósfjölliðunar-undirstaða keramik 3D prentun er hægt að framleiða flóknar kjarna rúmfræði beint úr stafrænum líkönum, sem hugsanlega útilokar sumar þvingun verkfæra sem tengjast hefðbundinni mótun.

Það gæti gert það auðveldara að þróa:

flóknari kæligöngur,

þynnri mannvirki,

óhefðbundin innri rúmfræði,

og hratt endurtekin kælihönnun.

En aukefnaframleiðsla er ekki töfralausn.

Tæknin stendur enn frammi fyrir áskorunum sem fela í sér græna-líkamslíkingu, víddarnákvæmni, hertunarrýrnun, gallastýringu, afköst og kostnað.

Sýning á rannsóknarstofu er eitt.

Annað er að framleiða þúsundir-kjarna í geimferðaflokki með samræmdum eiginleikum.

Sú umskipti frá"það er hægt að prenta"til"það er hægt að framleiða á áreiðanlegan hátt í iðnaðar mælikvarða"er þar mikið af verkfræðivinnunni eftir.

Hlutinn sem hverfur

Það áhugaverðasta við keramikkjarna kann að vera hvað verður um hann í lokin.

Það verður ekki hluti af fullbúinni vél.

Það kemur ekki fram í forskriftunum sem farþegar munu nokkurn tíma sjá.

Það stuðlar ekki beint að krafti vélarinnar.

Eftir steypuferlið er það fjarlægt og hent.

Og samt, án þess, gæti flókinn innri kæliarkitektúr háþróaðs hverflablaðs aldrei verið til.

Þegar við horfum á nútíma flugvélahreyfil höfum við tilhneigingu til að einbeita okkur að stórkostlegu hlutunum - gríðarlegu þrýstingi, háþróuðum málmblöndur, einkristalblöðum, háþróuðum kælikerfi og háum rekstrarhita.

En háþróuð framleiðsla er oft byggð á miklu smærri hlutum.

Efni sem hverfa.

Tímabundin mannvirki.

Sérhæft duft.

Örsmáir íhlutir sem eru kannski aldrei sýnilegir í endanlegri vöru.

Keramikkjarninn er einn af þeim.

Það er hannað til að lifa af augnablikið þegar þess er þörf - og hverfa um leið og verkinu er lokið.

Það gæti verið viðeigandi lýsing á ósýnilegri framleiðslutækni:

hluti sem aldrei flýgur, en hjálpar til við að gera flug mögulegt.