ซูเปอร์อัลลอยกำลังขับเคลื่อนนวัตกรรมในภาคอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและพลังงานอย่างไร

องค์ประกอบของโลหะผสมที่ใช้กับเครื่องยนต์สมัยใหม่นั้นมีอายุมากกว่าที่คนส่วนใหญ่คิด ซูเปอร์อัลลอยนิกเกิลในส่วนกังหันได้รับการพัฒนามานานหลายทศวรรษ และชื่อที่ปรากฏบนแบบร่างในปัจจุบันส่วนใหญ่ได้รับการตัดสินก่อนวิธีการผลิตซึ่งปัจจุบันครองอุตสาหกรรมในปัจจุบัน สิ่งที่เปลี่ยนแปลงไปคือการที่โลหะผสมเหล่านั้นถูกเปลี่ยนเป็นชิ้นส่วนต่างๆ ได้อย่างไร และการเปลี่ยนแปลงนั้นคือที่มาของการปรับปรุงล่าสุดส่วนใหญ่

เส้นทางสามสายที่ก่อตัวขึ้นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง การแข็งตัวในทิศทางและการหล่อด้วยคริสตัลเดี่ยวทำให้สามารถผลิตใบมีดได้โดยไม่มีขอบเขตของเกรนที่จำกัดการคืบ โลหะวิทยาแบบผงช่วยให้สามารถผลิตแผ่นดิสก์ที่มีโครงสร้างที่ละเอียดและสม่ำเสมอซึ่งการหล่อไม่สามารถเข้าถึงได้ การผลิตแบบเติมเนื้อทำให้สามารถสร้างรูปร่างทีละชั้นได้ ซึ่งจะเปลี่ยนทั้งรูปทรงที่เป็นไปได้และปริมาณโลหะที่สูญเสียไป

แต่ละเส้นทางช่วยแก้ปัญหาและแต่ละเส้นทางนำเสนอข้อบกพร่องที่ไม่เคยมีมาก่อน นั่นคือคำอธิบายที่ตรงไปตรงมาเกี่ยวกับนวัตกรรมในอุตสาหกรรมนี้ และเป็นเหตุผลที่ข้อกำหนดเฉพาะในการซื้อชิ้นส่วนซูเปอร์อัลลอยด์ในตอนนี้ต้องอธิบายกระบวนการและองค์ประกอบด้วย

ตารางจะวางเส้นทางตามสิ่งที่อนุญาตและราคา โลหะผสมในแต่ละคอลัมน์อาจจะคล้ายกันและส่วนที่ได้ผลลัพธ์ไม่เหมือนกัน

เส้นทางผลึกเดี่ยวเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของกระบวนการที่เปลี่ยนวัสดุโดยไม่ต้องเปลี่ยนชื่อ ใบมีดที่หล่อเป็นคริสตัลเดี่ยวไม่มีขอบเขตของเกรนทั่วทั้งส่วนที่รับแรงเหวี่ยง ดังนั้นกลไกการคืบที่จำกัดการหล่อที่เท่ากันจะถูกลบออกและไม่ลดลง โลหะผสมผลึกเดี่ยวรุ่นที่สอง เช่น CMSX-4 เข้ามาให้บริการใบพัดกังหันแก๊สในช่วงทศวรรษ 1990 และโลหะผสมรุ่นที่สาม เช่น Rene N5 ก็ตามมาในตำแหน่งที่ร้อนที่สุด โดยทางเลือกระหว่างโลหะผสมเหล่านี้ขับเคลื่อนด้วยความสามารถด้านอุณหภูมิและความเข้ากันได้ของการเคลือบ ไม่ใช่ตามความพร้อมจำหน่าย

ผู้ซื้อที่มีคุณสมบัติเป็นซูเปอร์อัลลอยด์ตามส่วนประกอบ ถือว่ามีคุณสมบัติเป็นโลหะ ไม่ใช่ชิ้นส่วน เส้นทางการขึ้นรูปแต่ละเส้นทางมีข้อบกพร่องเฉพาะที่องค์ประกอบไม่ได้อธิบายไว้ และข้อบกพร่องแต่ละอย่างจำเป็นต้องมีการตรวจสอบของตัวเอง

แถวโลหะวิทยาผงเป็นกลุ่มที่สร้างความประหลาดใจให้กับผู้ซื้อที่เพิ่งเริ่มใช้แผ่นดิสก์ มีการระบุข้อบกพร่องสามประการซ้ำแล้วซ้ำเล่าในเอกสารทางเทคนิคสำหรับแผ่นผงนิกเกิล: การตกตะกอนของขอบเขตอนุภาคก่อนหน้า ความพรุนที่เกิดจากความร้อน และการรวมตัวที่ไม่ใช่โลหะ ประการแรกคือโครงข่ายของตะกอนที่ติดตามพื้นผิวของอนุภาคผงดั้งเดิม และก่อตัวขึ้นเมื่อพื้นผิวของผงนำพาออกซิเจนหรือคาร์บอนที่ทำปฏิกิริยาระหว่างการแข็งตัว ประการที่สองคือความพรุนที่เกิดขึ้นเมื่อก๊าซที่ติดอยู่ในผงขยายตัวระหว่างการเคลื่อนที่ที่อุณหภูมิสูง ประการที่สามคือการรวมของแข็งที่มาพร้อมกับผงและไม่มีการบำบัดความร้อนใด ๆ ที่จะลบออก

ใบรับรององค์ประกอบภาพไม่สามารถตรวจพบข้อบกพร่องทั้งสามประการนี้ได้ ตรวจพบได้โดยการตรวจสอบด้วยอัลตราโซนิก การแบ่งส่วน และโดยการควบคุมล็อตผง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมข้อกำหนดของจานจึงตั้งชื่อแหล่งที่มาของผงและเส้นทางการแข็งตัว ไม่ใช่เฉพาะโลหะผสมเท่านั้น

ชิ้นส่วนซูเปอร์อัลลอยด์มีราคาแพงส่วนหนึ่งเป็นเพราะโลหะส่วนใหญ่ที่ซื้อมาไม่ได้อยู่บนเครื่องบิน การวัดคืออัตราส่วนการซื้อต่อการบิน น้ำหนักของวัสดุที่ซื้อหารด้วยน้ำหนักของส่วนประกอบที่ทำเสร็จแล้ว และมันก็แตกต่างกันตามลำดับความสำคัญระหว่างเส้นทาง

อัตราส่วนดังกล่าวอธิบายว่าทำไมการผลิตแบบเติมเนื้อจึงย้ายเข้าสู่การบินและอวกาศสำหรับชิ้นส่วนที่มีความซับซ้อนทางเรขาคณิตและไม่ใช่สำหรับชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่เพียงอย่างเดียว หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีช่องภายในไม่สามารถกลึงจากการตีขึ้นรูปโดยไม่ต้องต่อชิ้นส่วนหลายชิ้นได้ และซับที่มีคุณสมบัติการระบายความร้อนที่หนาแน่นนั้นยากที่จะผลิตด้วยวิธีอื่น ในกรณีที่รูปทรงเรขาคณิตนั้นเรียบง่าย การตีขึ้นรูปยังคงมีราคาถูกกว่า และอาร์กิวเมนต์อัตราส่วนจะหายไป

อัตราส่วนยังอธิบายถึงข้อจำกัดอีกด้วย ชิ้นส่วนที่สร้างขึ้นโดยการเพิ่มวัสดุจะมีประวัติความร้อนที่แตกต่างจากการตีขึ้นรูป และคุณสมบัติในทิศทางการสร้างแตกต่างจากคุณสมบัติทั่วๆ ไป การประหยัดวัสดุเป็นจริงและแอนไอโซโทรปีเป็นจริง และแบบร่างต้องระบุทิศทางที่คุณสมบัติมีความสำคัญ

การเปลี่ยนจากการซื้อวัสดุไปเป็นการซื้อแบบกระบวนการเป็นผลในทางปฏิบัติของทุกสิ่งที่กล่าวมาข้างต้น ผู้ซื้อที่เคยระบุโลหะผสมและแบบฟอร์มจะระบุโลหะผสม เส้นทางการขึ้นรูป ระดับการยอมรับข้อบกพร่อง และบันทึกคุณสมบัติ

นั่นคือสาเหตุที่ราคาโลหะสองราคาสำหรับโลหะผสมชนิดเดียวกันอาจแตกต่างกันไปตามปัจจัยที่ราคาโลหะไม่ได้อธิบายไว้ ซัพพลายเออร์รายหนึ่งกำลังเสนอเส้นทางที่ตนมีคุณสมบัติ และอีกรายกำลังอ้างอิงเส้นทางที่ตั้งใจจะมีคุณสมบัติตามคำสั่งซื้อของผู้ซื้อ

กังหันก๊าซบนบกใช้เส้นทางการขึ้นรูปสามเส้นทางเดียวกัน และใช้ตรรกะการยอมรับที่แตกต่างกัน ใบมีดสำหรับเครื่องจักรที่ใช้เฟรมขนาดใหญ่เป็นแบบผลึกเดี่ยวหรือการหล่อแบบแข็งในทิศทาง และอายุการคืบที่อุณหภูมิการยิงเป็นคุณสมบัติในการตัดสินใจ แผ่นโลหะเป็นชิ้นส่วนโลหะวิทยาที่เป็นผง และการตรวจสอบมุ่งเป้าไปที่ข้อบกพร่องที่เป็นผงสามประการ ไม่ใช่ข้อบกพร่องในการหล่อ ห้องเผาไหม้หรือชิ้นส่วนเปลี่ยนผ่านกลายเป็นชิ้นส่วนเสริมกันมากขึ้น และการยอมรับนั้นสร้างขึ้นจากความล้าจากความร้อนของผนังบางๆ ไม่ใช่จากการทดสอบแรงดึง

ประเด็นทั่วไปคืออุณหภูมิที่ส่วนที่ร้อนเพิ่มขึ้นโดยการปรับปรุงกระบวนการและรูปทรงการทำความเย็นร่วมกัน ไม่ใช่โดยการค้นหาโลหะฐานใหม่ ใบมีดคริสตัลเดี่ยวที่มีการระบายความร้อนด้วยฟิล์มและการเคลือบแผงกั้นความร้อนเป็นระบบ และโลหะผสมก็เป็นองค์ประกอบหนึ่งของสิ่งนี้ หน้าเว็บที่ให้เครดิตโลหะผสมเพียงอย่างเดียวได้อธิบายหนึ่งในสามของเหตุผลที่กังหันทำงาน

แบบฟอร์มผลิตภัณฑ์ยังคงเป็นไปตามกระบวนการผลิต และเอกสารยังคงเป็นไปตามแบบฟอร์ม เหล็กแท่ง บิลเล็ต และสต็อกการตีขึ้นรูปเป็นปัจจัยป้อนเข้าของชิ้นส่วนที่กลึงหรือปลอมแปลง ผงเป็นข้อมูลป้อนเข้าสู่แผ่นดิสก์ที่รวมเข้าด้วยกัน ลวดและแถบเป็นอินพุตของชุดประกอบแบบเชื่อมหรือขึ้นรูป แผ่นเป็นอินพุตไปยังห้องเผาไหม้หรือท่อ

DLX จำหน่ายซูเปอร์อัลลอยที่มีฐานนิกเกิลและโคบอลต์ในเมืองฉางโจว มณฑลเจียงซู ในรูปแบบเส้นลวดตั้งแต่ 0.025 มม. แท่งกลมถึง 50 มม. แถบที่มีความหนาตั้งแต่ 0.50 มม. ถึง 2.5 มม. และท่อและแผ่นในขนาดโรงสีมาตรฐาน กลุ่มผลิตภัณฑ์นี้ครอบคลุมเกรดของแข็งและเกรดการชุบแข็งด้วยการตกตะกอนที่ใช้ในฮาร์ดแวร์การบินและอวกาศและพลังงาน ร่วมกับโลหะตัวเติมที่เข้ากันสำหรับการเชื่อม

วัสดุถูกจัดส่งตามข้อกำหนดที่ระบุไว้ในคำสั่งซื้อ โดยมีใบรับรอง EN 10204 3.1 ตามคำขอ และหมายเลขความร้อนที่สามารถตรวจสอบย้อนกลับไปยังผลการทดสอบได้ ผู้ซื้อที่กำลังย้ายชิ้นส่วนไปยังเส้นทางการขึ้นรูปใหม่มักจะต้องมีแบบฟอร์มป้อนข้อมูลและใบรับรองก่อน เนื่องจากการรับรองเส้นทางเริ่มต้นจากวัสดุ ไม่ใช่จากชิ้นส่วนที่เสร็จสมบูรณ์

ส่วนผสมได้รับการพัฒนามานานหลายทศวรรษ และเกรดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายได้เติบโตเต็มที่ ประโยชน์ที่ได้รับล่าสุดส่วนใหญ่มาจากเส้นทางการขึ้นรูป จากรูปทรงการระบายความร้อน และจากการเคลือบ และทั้งสามสิ่งนี้ทำงานเป็นระบบ ใบมีดคริสตัลเดี่ยวที่มีการระบายความร้อนด้วยฟิล์มและการเคลือบแผงกั้นความร้อนทำงานที่อุณหภูมิที่โลหะผสมเพียงอย่างเดียวไม่สามารถอยู่รอดได้

เนื่องจากขอบเขตของเกรนถูกลบออกจากเส้นทางโหลด ในใบมีดหล่อแบบทั่วไป ขอบเขตจะพาดผ่านส่วนที่รับภาระแรงเหวี่ยง และเป็นเส้นทางอ่อนที่อุณหภูมิ การแข็งตัวในทิศทางจะจัดแนวขอบเขตตามโหลด และการหล่อแบบคริสตัลเดี่ยวจะกำจัดพวกมันออกไปโดยสิ้นเชิง ดังนั้นกลไกการคืบที่จำกัดการหล่อจะถูกกำจัดและไม่ลดลง

การตกตะกอนของขอบเขตอนุภาคก่อนหน้า ความพรุนที่เกิดจากความร้อน และการรวมตัวที่ไม่ใช่โลหะ ประการแรกคือโครงข่ายตะกอนที่ติดตามพื้นผิวผงดั้งเดิม ประการที่สองคือความพรุนจากก๊าซที่ติดอยู่ในผงซึ่งขยายตัวที่อุณหภูมิ และประการที่สามคือการรวมตัวของของแข็งที่มาพร้อมกับผง ไม่มีสิ่งใดปรากฏในใบรับรององค์ประกอบ และตรวจพบโดยการตรวจสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง การแบ่งส่วน และการควบคุมล็อตผง

น้ำหนักของวัสดุที่ซื้อหารด้วยน้ำหนักของชิ้นส่วนสำเร็จรูป การตีขึ้นรูปและการตัดเฉือนโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 3:1 ถึง 10:1 และการผลิตแบบเติมเนื้อจะอยู่ที่ประมาณ 1:1 ถึง 3:1 ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเส้นทางเติมแต่งจึงน่าสนใจสำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อน ไม่ใช่สำหรับชิ้นส่วนธรรมดา อัตราส่วนนี้เป็นการวัดต้นทุนวัสดุ และไม่ได้กล่าวถึงอายุการใช้งานความล้าของชิ้นส่วนเลย

ไม่ เป็นการเปลี่ยนแปลงสิ่งที่ต้องผ่านการรับรอง ชิ้นส่วนที่สร้างขึ้นมีประวัติความร้อนและโครงสร้างที่ขึ้นอยู่กับทิศทาง ดังนั้นแบบร่างจึงต้องระบุทิศทางที่คุณสมบัติมีความสำคัญ และหน้าต่างกระบวนการจะต้องได้รับการแก้ไข ประหยัดวัสดุได้จริงและมีภาระด้านคุณสมบัติมากกว่าการตีโลหะผสมชนิดเดียวกัน

เนื่องจากฝ่ายหนึ่งกำลังเสนอราคากระบวนการที่ผ่านการรับรอง และอีกฝ่ายกำลังเสนอราคาวัสดุ ราคาโลหะผสมเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของความแตกต่าง ส่วนที่เหลือคือเส้นทาง การตรวจสอบ บันทึกกระบวนการ และผลผลิต และเส้นทางที่ไม่ผ่านการรับรองจะมีต้นทุนที่ปรากฏหลังจากใบสั่ง

นวัตกรรมในซูเปอร์อัลลอยด์ด้านการบินและอวกาศและพลังงานได้ย้ายจากองค์ประกอบไปสู่เส้นทางการขึ้นรูป การแข็งตัวในทิศทางและการหล่อด้วยคริสตัลเดี่ยวจะขจัดขอบเขตของเกรนที่จำกัดการคืบ โลหะวิทยาแบบผงสร้างโครงสร้างแผ่นจานที่การหล่อไม่สามารถเข้าถึงได้ โดยมีข้อบกพร่อง 3 ประการที่มาจากผง การผลิตแบบเติมเนื้อจะเปลี่ยนรูปทรงที่เป็นไปได้และสัดส่วนของโลหะที่ซื้อมาซึ่งไปถึงชิ้นส่วน

แต่ละเส้นทางนำมาซึ่งข้อบกพร่องและภาระคุณสมบัติ และข้อกำหนดการซื้อจะต้องระบุชื่อทั้งสองอย่าง ผู้ซื้อที่ระบุโลหะผสมและแบบฟอร์มได้ระบุอินพุต ผู้ซื้อเป็นผู้ระบุเส้นทาง การรับของชำรุด และหลักฐานระบุส่วนนั้นด้วย

1. บทวิจารณ์ที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับซูเปอร์อัลลอยด์แผ่นฐานนิกเกิลของโลหะผสมผง ระบุการตกตะกอนของขอบเขตอนุภาคก่อนหน้า ความพรุนที่เกิดจากความร้อน และการรวมตัวที่ไม่ใช่โลหะ ถือเป็นข้อบกพร่องสามลักษณะเฉพาะของเส้นทาง
2. การศึกษาที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับการก่อตัวของขอบเขตก่อนหน้าของผงในซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีฐานนิกเกิล ซึ่งอธิบายโครงข่ายการตกตะกอนที่ติดตามพื้นผิวอนุภาคดั้งเดิมหลังจากการรวมตัว
3. ผลงานตีพิมพ์เกี่ยวกับการแข็งตัวตามทิศทางของใบพัดกังหันผลึกเดี่ยว ซึ่งรวมถึงโลหะผสมรุ่นที่สองของ CMSX-4 ที่ใช้ในใบพัดกังหันก๊าซตั้งแต่ปี 1990 โลหะผสมรุ่นที่สาม Rene N5 และข้อบกพร่องกระที่เกิดขึ้นเมื่อด้านหน้าการแข็งตัวถูกรบกวน
4. การประเมินที่เผยแพร่ของการหล่อแบบผลึกเดี่ยวสำหรับใบพัดกังหัน ซึ่งอธิบายถึงการขจัดขอบเขตของเกรนออกจากเส้นทางการรับน้ำหนัก และผลประโยชน์ของการคืบที่เกิดขึ้น
5. การตีพิมพ์บทวิจารณ์เกี่ยวกับการผลิตสารเติมแต่งโลหะในการบินและอวกาศ โดยรายงานอัตราส่วนการซื้อต่อการบินประมาณ 1:1 ถึง 3:1 สำหรับเส้นทางสารเติมแต่ง
6. การประเมินทางอุตสาหกรรมที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับการตีขึ้นรูปและการตัดเฉือน รายงานอัตราส่วนการซื้อต่อการบินประมาณ 3:1 ถึง 10:1 และของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่ประมาณ 1.5:1 เป็นการเปรียบเทียบ
7. ข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์ AMS และ ASTM สำหรับแท่งซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีฐานนิกเกิล บิลเล็ต แผ่น แผ่น และลวด เป็นเอกสารที่ใช้ควบคุมแบบฟอร์มอินพุตที่มีชื่ออยู่ในตาราง
8. เอกสารการตรวจสอบ EN 10204 สำหรับคำจำกัดความของใบรับรอง 3.1 ว่าเป็นเอกสารที่มีผลการทดสอบจริงและรับรองโดยตัวแทนตรวจสอบอิสระของผู้ผลิต

เส้นทางและกลไกข้อบกพร่องข้างต้นอธิบายลักษณะการทำงานทั่วไปของกระบวนการที่ระบุชื่อ และไม่ใช่คำยืนยันว่าซัพพลายเออร์รายใดมีคุณสมบัติสำหรับชิ้นส่วนใดส่วนหนึ่งโดยเฉพาะ อัตราส่วนการซื้อต่อการบินจะแตกต่างกันไปตามรูปทรงของส่วนประกอบและจำนวนเผื่อการตัดเฉือน ดังนั้นช่วงที่เสนอจึงเป็นค่าทั่วไป ไม่ใช่เป้าหมายการออกแบบ คุณสมบัติของชิ้นส่วนที่สร้างขึ้นหรือแบบหล่อขึ้นอยู่กับประวัติความร้อนในพื้นที่และทิศทางของชิ้นงานทดสอบ ดังนั้นค่าจากแท่งทดสอบจึงไม่ได้อธิบายทุกตำแหน่งในชิ้นส่วน ข้อกำหนดคุณสมบัติสำหรับฮาร์ดแวร์การบินถูกกำหนดโดยผู้ผลิตโครงเครื่องบินหรือเครื่องยนต์ และโดยหน่วยงานความสมควรเดินอากาศที่เกี่ยวข้อง และไม่มีส่วนใดในหน้านี้ที่ถือเป็นคุณสมบัติ ข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์ได้รับการแก้ไข และฉบับที่มีชื่ออยู่ในใบสั่งซื้อจะมีผลบังคับใช้ ไม่มีสิ่งใดในหน้านี้ที่จะทดแทนการเผยแพร่ทางวิศวกรรมหรือการทดสอบคุณสมบัติที่ตกลงกันระหว่างผู้ซื้อและซัพพลายเออร์