Der er et grundlæggende problem i hjertet af moderne jetmotorer:

Turbinevingerne udsættes for temperaturer, der er højere end smeltepunktet for det materiale, de er fremstillet af.

Nikkel-baserede superlegeringer er blandt de mest varme-bestandige strukturelle materialer, der er tilgængelige i dag. Alligevel smelter selv disse legeringer ved omkring 1.300 grader eller lidt over.

Den gas, der forlader en moderne motors forbrændingskammer, kan dog overstige 1.500 grader.

Så hvorfor smelter turbinebladet ikke bare?

Svaret er overraskende enkelt:

Den er hul.

Inde i en moderne turbinevinge er der et højt konstrueret netværk af interne kølepassager. Kølende luft kommer ind gennem knivroden, bevæger sig gennem disse passager, absorberer varme fra metallet og kommer til sidst ud gennem hundredvis af små huller i knivoverfladen.

Den udstrømmende luft danner et tyndt beskyttende lag mellem bladet og den omgivende varme gas.

Faktisk afkøler klingen konstant sig selv, mens den opererer i et miljø, der er varmt nok til at smelte det.

Men det skaber et andet problem.

Hvordan fremstiller man en metalkomponent, der indeholder kølekanaler, der er buede, forgrenede, ekstremt tynde og næsten umulige for et konventionelt skæreværktøj at nå?

Du bearbejder dem ikke.

Du støber dem rundt om et stykke keramik.

Den keramiske komponent kaldes enkeramisk kerne.

Det kan aldrig forekomme i den færdige motor. Det kan være helt opløst og fjernet, før klingen nogensinde går i brug.

Men uden det ville mange af de mest avancerede hule turbinevinger være ekstremt vanskelige - og i nogle tilfælde umulige - at fremstille.

Hvorfor turbineblade skal køles

Temperaturen foran på turbinen er en af ​​nøglefaktorerne, der styrer ydeevnen og den termiske effektivitet af en gas-turbinemotor.

Generelt tillader stigende turbineindløbstemperatur en motor at udtrække mere nyttig energi fra forbrændingsprocessen.

Men der er en grænse for hårde materialer.

Det er ikke nok blot at udvikle en legering med et endnu højere smeltepunkt. Moderne turbinematerialer fungerer allerede tæt på grænserne for, hvad deres mikrostrukturer kan tolerere.

Løsningen er ikke at få metallet til at overleve den fulde gastemperatur.

Løsningen er atholde selve metallet væsentligt køligere end den omgivende gas.

Det er her, turbinekøling kommer ind.

Køleluft udluftes fra kompressoren og ledes gennem passager inde i turbinebladet.

Når det strømmer gennem de indre kanaler, fjerner det varme fra bladet.

Luften udledes derefter gennem præcist placerede huller på bladets overflade.

Dette er kendt somfilmkøling.

Køleluften spreder sig over overfladen og danner et tyndt lag mellem metallet og de varme forbrændingsgasser.

Resultatet er et bemærkelsesværdigt ingeniørtrick:

Den omgivende gas kan være varmere end legeringens smeltepunkt, mens den faktiske metaltemperatur forbliver under dens kritiske temperaturgrænse.

Men at designe et sådant kølesystem er kun halvdelen af ​​problemet.

Den anden halvdel fremstiller det.

Produktionsproblemet: Hvordan gør du det umulige-at-bearbejde?

Kølepassagerne inde i en avanceret turbinevinge er ikke simple borede huller.

De kan indeholde:

buede passager,

flere grene,

serpentine kanaler,

tynde vægge,

indre ribben,

stødende strukturer,

og præcist placerede køleudtag.

Nogle passager er så små og geometrisk komplekse, at konventionel boring eller fræsning simpelthen ikke kan nå dem.

Selv avancerede bearbejdningsteknikker har grundlæggende begrænsninger, når værktøjet fysisk ikke kan få adgang til den nødvendige geometri.

Investeringsstøbning giver en løsning.

I stedet for at forsøge at fjerne materiale for at skabe de indre passager, fabrikanterbygge gangene ind i støbningen fra begyndelsen.

Og nøglen til at gøre det er den keramiske kerne.

Tænk på den keramiske kerne som en midlertidig tre-dimensionel form til indersiden af ​​turbinebladet.

Metallet bliver til sidst til klingen.

Keramikken optager midlertidigt den plads, der bliver til kølekanalerne.

Når metallet er størknet, fjernes keramikken.

Det, der er tilbage, er det interne kølenetværk.

En keramisk kernes livscyklus

Den keramiske kerne er i det væsentlige en engangskomponent med et ekstremt krævende arbejde.

1. Fremstilling af kernen

Fremstillingen begynder med en nøje kontrolleret keramisk formulering.

Afhængigt af anvendelsen og produktionsruten kan keramiske pulvere formes ved hjælp af processer som sprøjtestøbning, gelstøbning eller fremstilling af keramiske additiv.

Den resulterende grønne krop gengiver den komplekse geometri af bladets interne kølesystem.

Derefter tørres det, afbindes om nødvendigt og sintres ved forhøjet temperatur.

Den endelige keramiske kerne skal have tilstrækkelig styrke og dimensionsstabilitet til at overleve alt, hvad der kommer derefter.

Og dimensionel nøjagtighed betyder enormt meget.

En lille fejl i kernen bliver en lille fejl i kølepassagen.

I en meget optimeret turbinevinge kan det påvirke køleydelsen, den lokale metaltemperatur og i sidste ende vingens levetid.

2. Opbygning af voksmønsteret

Den færdige keramiske kerne er placeret inde i en matrice.

Derefter sprøjtes voks rundt om kernen.

Når voksen først størkner, er resultatet et voksmønster, der repræsenterer den ydre geometri af turbinebladet, med den keramiske kerne indlejret i den.

På dette tidspunkt eksisterer de fremtidige kølepassager allerede -, men de er stadig optaget af keramik.

3. Opbygning af investeringen-Casting Shell

Voksmønsteret dyppes gentagne gange i keramisk opslæmning og belægges med ildfast materiale.

Lag for lag er en kraftig keramisk skal bygget op omkring voksmønsteret.

Når skallen når den nødvendige tykkelse og styrke, fjernes voksen, typisk ved hjælp af damp eller kontrolleret opvarmning.

Voksen flyder ud.

Den keramiske kerne forbliver indeni.

Resultatet er en investering-støbeform, der indeholder to kritiske keramiske strukturer:

en ydre skal, der definerer bladets ydre form, og en indvendig keramisk kerne, der definerer dens kølepassager.

4. Støbning af superlegeringen

Formen forvarmes og overføres til et kontrolleret støbemiljø.

Nikkel-baseret superlegering smeltes og hældes i formen under nøje kontrollerede forhold, ofte under vakuum eller en inert atmosfære.

Det smeltede metal fylder rummet omkring den keramiske kerne.

Efterhånden som legeringen størkner, antager den bladets form, samtidig med at den indvendige kernes geometri bevares.

For avancerede turbinevinger kan selve størkningsprocessen være meget sofistikeret, herunder retningsbestemt størkning og, for nogle applikationer, enkelt-krystalvækst.

I slutningen af ​​processen eksisterer metalbladet.

Men den keramiske kerne er stadig fanget inde i den.

5. Fjernelse af kernen

Nu kommer den del, der gør keramisk-kerneteknologi så usædvanlig.

Kernen skal overleve castingprocessen - og derefter effektivt forsvinde.

Afhængigt af kernesystemet og legeringsapplikationen bruges kemisk udvaskning til at fjerne keramikken.

Alkaliske opløsninger angriber keramikken og nedbryder den gradvist.

De resterende partikler skylles ud gennem de samme smalle passager, som kernen skabte.

Målet er enkelt:

Lad metallet være intakt. Lad kølekanalerne stå åbne. Efterlad stort set ingen keramik.

Kernen har fuldført sit arbejde.

Og det er væk.

Et materiale designet omkring en modsigelse

Det er det, der gør keramisk-kerneudvikling så vanskelig.

Materialet skal opfylde to krav, der ser ud til at modarbejde hinanden.

Under støbning: den skal være yderst stabil.

Kernen udsættes for smeltet superlegering ved temperaturer omkring 1.500 grader.

Det skal modstå:

revner,

deformation,

erosion,

krybe,

og dimensionsændring.

Hvis kernen bevæger sig med selv en lille mængde, kan geometrien af ​​kølekanalerne ændre sig.

For en avanceret turbinevinge kan det være nok til at gøre en ellers dyr støbning til skrot.

Efter støbning: den skal være let at fjerne.

Samtidig kan keramikken ikke bare opføre sig som en almindelig højstabil strukturkeramik.

Hvis det forblev kemisk intakt efter støbning, kunne det blive permanent fanget inde i bladet.

Kølepassagerne ville blive blokeret.

Klingen ville være ubrugelig.

Så den ideelle keramiske kerne skal næsten opføre sig som to forskellige materialer på to forskellige tidspunkter:

Under støbning skal den opføre sig som en strukturel komponent med høj- temperatur.

Efter støbning skal det opføre sig som et offermateriale, der kan fjernes rent.

Denne modsigelse er kernen i keramisk-kernematerialeteknik.

Silica vs. Alumina

To vigtige keramiske-kernematerialefamilier er silica-baserede og alumina-baserede systemer.

Silica-baserede kerner

Fusioneret silica har flere attraktive egenskaber.

Det kan tilbyde relativt god udvaskning, relativt lave forarbejdningstemperaturer og gunstig fremstillingsøkonomi.

Men høj-temperaturdimensionsstabilitet og krybeadfærd kan blive begrænsninger, især efterhånden som støbetemperaturer og forarbejdningskrav stiger.

Alumina-baserede kerner

Aluminiumoxid giver fremragende høj-temperaturstabilitet og krybemodstand.

Det gør alumina-baserede kerner attraktive til krævende applikationer, herunder avancerede enkeltkrystal turbineblade.

Afvejningen- er, at meget stabil aluminiumoxid også kan være sværere at fjerne efter støbning.

Den ingeniørmæssige udfordring bliver derfor en afbalanceringstyrke, dimensionsstabilitet, porøsitet, fasesammensætning og udvaskbarhed.

Den bedste kerne er ikke nødvendigvis den stærkeste keramik.

Det er keramikken med den rigtige kombination af egenskaber til hele fremstillingscyklussen.

Hvor den rigtige fremstillingsflaskehals ligger

Når folk tænker på teknologien bag avancerede flymotorer, har de en tendens til at fokusere på de åbenlyse udfordringer:

motorarkitekturen, turbinebladslegeringen, enkelt-krystalteknologi, køledesign eller høj-temperaturbelægninger.

Men avancerede keramiske kerner er et andet kritisk led i fremstillingskæden.

Og udfordringen er ikke blot at lave en keramisk del.

Det bygger et helt system op omkring det.

Pulver kvalitet

Højtydende-kerner kræver omhyggeligt kontrollerede keramiske pulvere.

Renhed, partikel-størrelsesfordeling, partikelmorfologi, overfladekemi og andre karakteristika kan alle påvirke den endelige kerne.

Små ændringer i startpulveret kan påvirke dannelse, tørring, sintring, porøsitet, styrke og dimensionsstabilitet.

Proceskontrol

Fremstillingsvinduet kan være bemærkelsesværdigt smalt.

Ændringer i formningsbetingelser, bindemiddelindhold, afbinding, sintringstemperatur eller holdetid kan ændre kernens mikrostruktur og egenskaber.

Dette er en af ​​grundene til, at keramisk-kerneproduktion er stærkt afhængig af akkumuleret procesviden.

En opskrift på papir er ikke nødvendigvis det samme som en stabil produktionsproces.

Kvalifikation

Luftfartskomponenter fungerer under ekstremt krævende krav til pålidelighed.

Et nyt materiale eller en ny fremstillingsproces kan ikke blot indføres, fordi laboratorietests ser lovende ud.

Det skal gennemgå omfattende test, procesvalidering, repeterbarhedsundersøgelser og kvalificering.

Det gør luftfartsforsyningskæder svære at komme ind i og svære at erstatte.

For keramiske kerner betyder fremstillingsevne derfor meget mere end at have det rigtige udstyr.

Det betyder at havematerialer, proceskontrol, kvalitetssystemer, ingeniørekspertise og kvalifikationshistorikat producere det samme resultat gentagne gange.

The Next Frontier: Keramisk 3D-udskrivning

Traditionel keramisk-kerneproduktion er stærkt afhængig af værktøj.

Det bliver et problem, når designere vil eksperimentere med stadig mere komplekse kølearkitekturer.

Fremstilling af keramiske additiv tilbyder en anden tilgang.

Med fotopolymerisation-baseret keramisk 3D-print kan komplekse kernegeometrier fremstilles direkte fra digitale modeller, hvilket potentielt eliminerer nogle af de værktøjsmæssige begrænsninger, der er forbundet med konventionel støbning.

Det kunne gøre det lettere at udvikle:

mere komplekse kølepassager,

tyndere strukturer,

ukonventionelle indre geometrier,

og hurtigt itererede køledesigns.

Men additiv fremstilling er ikke en magisk løsning.

Teknologien står stadig over for udfordringer, der involverer grøn-kroppens ensartethed, dimensionsnøjagtighed, sintringssvind, defektkontrol, gennemløb og omkostninger.

En laboratoriedemonstration er én ting.

At producere tusindvis af aerospace-kvalitetskerner med ensartede egenskaber er en anden.

Den overgang fra"det kan udskrives"til"det kan fremstilles pålideligt i industriel skala"er, hvor meget af ingeniørarbejdet forbliver.

Komponenten, der forsvinder

Det mest interessante ved en keramisk kerne kan være, hvad der sker med den til sidst.

Det bliver ikke en del af den færdige motor.

Det fremgår ikke af specifikationerne, som passagererne nogensinde vil se.

Det bidrager ikke direkte til motorens fremdrift.

Efter støbeprocessen fjernes den og kasseres.

Og alligevel, uden det, vil den komplekse interne kølearkitektur af en avanceret turbinevinge måske aldrig eksistere.

Når vi ser på en moderne flymotor, har vi en tendens til at fokusere på de spektakulære ting - enorm fremdrift, avancerede legeringer, enkelt-krystalblade, sofistikerede kølesystemer og ekstreme driftstemperaturer.

Men avanceret fremstilling er ofte bygget på meget mindre ting.

Materialer, der forsvinder.

Midlertidige strukturer.

Specialiserede pulvere.

Små komponenter, der måske aldrig er synlige i det endelige produkt.

Den keramiske kerne er en af ​​dem.

Det er designet til at overleve det øjeblik, hvor det er nødvendigt - og til at forsvinde i det øjeblik, dets arbejde er udført.

Det kan være den mest passende beskrivelse af en usynlig produktionsteknologi:

en komponent, der aldrig flyver, men hjælper med at gøre flyvning mulig.