Im Zentrum moderner Strahltriebwerke steht ein grundlegendes Problem:

Die Turbinenschaufeln sind Temperaturen ausgesetzt, die über dem Schmelzpunkt des Materials, aus dem sie bestehen, liegen.

Superlegierungen auf Nickelbasis-gehören zu den hitzebeständigsten Strukturmaterialien, die heute verfügbar sind. Doch selbst diese Legierungen schmelzen bei etwa 1.300 Grad oder etwas darüber.

Das Gas, das den Brennraum eines modernen Motors verlässt, kann jedoch eine Temperatur von über 1.500 Grad haben.

Warum schmilzt die Turbinenschaufel nicht einfach?

Die Antwort ist überraschend einfach:

Es ist hohl.

Im Inneren einer modernen Turbinenschaufel befindet sich ein hochentwickeltes Netzwerk interner Kühlkanäle. Kühlluft tritt durch die Schaufelwurzel ein, strömt durch diese Kanäle, absorbiert Wärme vom Metall und tritt schließlich durch Hunderte winziger Löcher in der Schaufeloberfläche aus.

Die austretende Luft bildet eine dünne Schutzschicht zwischen der Schaufel und dem umgebenden heißen Gas.

Tatsächlich kühlt sich die Klinge ständig ab, während sie in einer Umgebung betrieben wird, die heiß genug ist, um sie zu schmelzen.

Aber das schafft ein weiteres Problem.

Wie stellt man ein Metallbauteil her, das Kühlkanäle enthält, die gekrümmt, verzweigt und extrem dünn sind und für ein herkömmliches Schneidwerkzeug fast unmöglich zu erreichen sind?

Sie bearbeiten sie nicht.

Sie werden um ein Stück Keramik gegossen.

Diese Keramikkomponente wird als a bezeichnetKeramikkern.

Im fertigen Motor erscheint es möglicherweise nie. Es kann vollständig aufgelöst und entfernt werden, bevor die Klinge jemals in Betrieb genommen wird.

Doch ohne sie wären viele der fortschrittlichsten hohlen Turbinenschaufeln äußerst schwierig - und in einigen Fällen sogar unmöglich - herzustellen.

Warum Turbinenschaufeln gekühlt werden müssen

Die Temperatur an der Vorderseite der Turbine ist einer der Schlüsselfaktoren für die Leistung und den thermischen Wirkungsgrad eines Gasturbinentriebwerks.

Im Allgemeinen ermöglicht eine Erhöhung der Turbineneinlasstemperatur einem Motor, dem Verbrennungsprozess mehr nutzbare Energie zu entziehen.

Es gibt jedoch eine Grenze für harte Materialien.

Es reicht nicht aus, einfach eine Legierung mit einem noch höheren Schmelzpunkt zu entwickeln. Moderne Turbinenwerkstoffe arbeiten bereits nahe an der Grenze dessen, was ihre Mikrostrukturen vertragen.

Die Lösung besteht nicht darin, das Metall die volle Gastemperatur überstehen zu lassen.

Die Lösung istHalten Sie das Metall selbst deutlich kühler als das umgebende Gas.

Hier kommt die Turbinenkühlung ins Spiel.

Kühlluft wird vom Kompressor abgezapft und durch Kanäle innerhalb der Turbinenschaufel geleitet.

Während es durch die internen Kanäle fließt, entzieht es der Klinge Wärme.

Die Luft wird dann durch präzise positionierte Löcher auf der Klingenoberfläche abgeführt.

Dies ist bekannt alsFilmkühlung.

Die Kühlluft breitet sich über die Oberfläche aus und bildet eine dünne Schicht zwischen dem Metall und den heißen Verbrennungsgasen.

Das Ergebnis ist ein bemerkenswerter technischer Trick:

Das umgebende Gas kann heißer sein als der Schmelzpunkt der Legierung, während die tatsächliche Metalltemperatur unter ihrer kritischen Temperaturgrenze bleibt.

Doch die Gestaltung eines solchen Kühlsystems ist nur die halbe Miete.

Die andere Hälfte stellt es her.

Das Fertigungsproblem: Wie macht man das Unmögliche,-zu-bearbeiten?

Die Kühlkanäle im Inneren einer modernen Turbinenschaufel sind keine einfachen Bohrlöcher.

Sie können enthalten:

geschwungene Passagen,

mehrere Filialen,

Serpentinenkanäle,

dünne Wände,

innere Rippen,

Impingementstrukturen,

und präzise positionierte Kühlauslässe.

Manche Durchgänge sind so klein und geometrisch komplex, dass sie mit herkömmlichem Bohren oder Fräsen einfach nicht zu erreichen sind.

Selbst fortschrittliche Bearbeitungstechniken weisen grundlegende Einschränkungen auf, wenn das Werkzeug physisch nicht auf die erforderliche Geometrie zugreifen kann.

Feinguss bietet eine Lösung.

Anstatt zu versuchen, Material zu entfernen, um die inneren Durchgänge zu schaffen, haben die HerstellerBauen Sie die Gänge von Anfang an in den Guss ein.

Und der Schlüssel dazu ist der Keramikkern.

Stellen Sie sich den Keramikkern als temporäre dreidimensionale Form für die Innenseite der Turbinenschaufel vor.

Das Metall wird schließlich zur Klinge.

Die Keramik nimmt vorübergehend den Raum ein, der zu den Kühlkanälen wird.

Sobald das Metall erstarrt ist, wird die Keramik entfernt.

Übrig bleibt das interne Kühlnetz.

Der Lebenszyklus eines Keramikkerns

Der Keramikkern ist im Wesentlichen eine Einwegkomponente mit einer äußerst anspruchsvollen Aufgabe.

1. Den Kern herstellen

Die Herstellung beginnt mit einer sorgfältig kontrollierten Keramikrezeptur.

Je nach Anwendung und Produktionsweg können Keramikpulver durch Verfahren wie Spritzguss, Gelguss oder keramische additive Fertigung geformt werden.

Der resultierende Grünkörper reproduziert die komplexe Geometrie des internen Kühlsystems der Schaufel.

Anschließend wird es getrocknet, bei Bedarf entbindert und bei erhöhter Temperatur gesintert.

Der endgültige Keramikkern muss über genügend Festigkeit und Formstabilität verfügen, um alles, was als nächstes kommt, zu überstehen.

Und Maßgenauigkeit ist enorm wichtig.

Ein kleiner Fehler im Kern wird zu einem kleinen Fehler im Kühlkanal.

Bei einer hochoptimierten Turbinenschaufel kann sich dies auf die Kühlleistung, die lokale Metalltemperatur und letztendlich auf die Lebensdauer der Schaufel auswirken.

2. Erstellen des Wachsmusters

Der fertige Keramikkern wird in einer Matrize positioniert.

Anschließend wird Wachs um den Kern herum injiziert.

Sobald das Wachs erstarrt ist, entsteht ein Wachsmuster, das die äußere Geometrie der Turbinenschaufel mit dem darin eingebetteten Keramikkern darstellt.

Zu diesem Zeitpunkt sind die zukünftigen Kühlkanäle bereits vorhanden -, sie sind jedoch noch mit Keramik belegt.

3. Aufbau der Investition-Casting Shell

Das Wachsmodell wird wiederholt in Keramikbrei getaucht und mit feuerfestem Material beschichtet.

Schicht für Schicht wird eine starke Keramikhülle um das Wachsmodell herum aufgebaut.

Sobald die Schale die erforderliche Dicke und Festigkeit erreicht hat, wird das Wachs entfernt, typischerweise durch Dampf oder kontrollierte Erwärmung.

Das Wachs fließt heraus.

Der Keramikkern bleibt im Inneren.

Das Ergebnis ist eine Feingussform, die zwei kritische Keramikstrukturen enthält:

Eine Außenschale definiert die äußere Form der Schaufel und ein innerer Keramikkern definiert die Kühlkanäle.

4. Gießen der Superlegierung

Die Form wird vorgewärmt und in eine kontrollierte Gießumgebung überführt.

Superlegierungen auf Nickel--Basis werden geschmolzen und unter streng kontrollierten Bedingungen, häufig unter Vakuum oder einer inerten Atmosphäre, in die Form gegossen.

Das geschmolzene Metall füllt den Raum um den Keramikkern herum.

Beim Erstarren der Legierung nimmt sie die Form der Klinge an und behält dabei die Geometrie des inneren Kerns bei.

Bei fortschrittlichen Turbinenschaufeln kann der Erstarrungsprozess selbst sehr anspruchsvoll sein, einschließlich gerichteter Erstarrung und, für einige Anwendungen, Einkristallwachstum.

Am Ende des Prozesses steht die Metallklinge.

Aber der Keramikkern ist immer noch darin eingeschlossen.

5. Entfernen des Kerns

Jetzt kommt der Teil, der die Keramik-Kerntechnologie so ungewöhnlich macht.

Der Kern muss den Gussprozess - überleben und dann effektiv verschwinden.

Je nach Kernsystem und Legierungsanwendung wird zur Entfernung der Keramik eine chemische Auslaugung eingesetzt.

Alkalische Lösungen greifen die Keramik an und zersetzen sie nach und nach.

Die restlichen Partikel werden durch die gleichen engen Kanäle ausgespült, die der Kern geschaffen hat.

Das Ziel ist einfach:

Lassen Sie das Metall intakt. Lassen Sie die Kühlkanäle offen. Es bleibt praktisch keine Keramik zurück.

Der Kern hat seine Arbeit erledigt.

Und es ist weg.

Ein Material, das um einen Widerspruch herum entwickelt wurde

Das macht die Entwicklung von Keramik-Kernen so schwierig.

Das Material muss zwei scheinbar gegensätzliche Anforderungen erfüllen.

Beim Gießen gilt: Es muss äußerst stabil sein.

Der Kern wird geschmolzener Superlegierung bei Temperaturen um 1.500 Grad ausgesetzt.

Es muss widerstehen:

knacken,

Verformung,

Erosion,

kriechen,

und Dimensionsänderung.

Schon bei geringfügigen Bewegungen des Kerns kann sich die Geometrie der Kühlkanäle verändern.

Bei einer modernen Turbinenschaufel kann das ausreichen, um einen ansonsten teuren Guss in Schrott zu verwandeln.

Nach dem Guss: Es muss sich leicht entfernen lassen.

Gleichzeitig kann sich die Keramik nicht einfach wie eine gewöhnliche hochstabile Strukturkeramik verhalten.

Wenn es nach dem Gießen chemisch intakt bliebe, könnte es dauerhaft in der Klinge eingeschlossen werden.

Die Kühlkanäle würden verstopft sein.

Die Klinge wäre unbrauchbar.

Der ideale Keramikkern muss sich also zu zwei verschiedenen Zeitpunkten fast wie zwei verschiedene Materialien verhalten:

Beim Gießen muss es sich wie ein Hochtemperaturbauteil verhalten.

Nach dem Gießen muss es sich wie ein Opfermaterial verhalten, das sauber entfernt werden kann.

Dieser Widerspruch ist das Herzstück der Werkstofftechnik für keramische -Kerne.

Siliziumoxid vs. Aluminiumoxid

Zwei wichtige Familien von Keramikkernmaterialien sind Systeme auf Siliciumdioxidbasis und Aluminiumoxidbasis.

Kerne auf Siliziumbasis-

Quarzglas hat mehrere attraktive Eigenschaften.

Es bietet eine relativ gute Auslaugbarkeit, relativ niedrige Verarbeitungstemperaturen und günstige Herstellungsökonomie.

Aber die Dimensionsstabilität und das Kriechverhalten bei hohen Temperaturen können zu Einschränkungen führen, insbesondere wenn die Gusstemperaturen und die Verarbeitungsanforderungen steigen.

Kerne auf Aluminiumoxid--Basis

Aluminiumoxid bietet eine ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität und Kriechfestigkeit.

Dies macht Kerne auf Aluminiumoxidbasis für anspruchsvolle Anwendungen attraktiv, einschließlich fortschrittlicher Einkristall-Turbinenschaufeln.

Der Nachteil besteht darin, dass hochstabiles Aluminiumoxid nach dem Gießen auch schwieriger zu entfernen ist.

Die technische Herausforderung wird daher zu einer des AuswuchtensFestigkeit, Dimensionsstabilität, Porosität, Phasenzusammensetzung und Auslaugbarkeit.

Der beste Kern ist nicht unbedingt die stärkste Keramik.

Es ist die Keramik mit der richtigen Eigenschaftskombination für den gesamten Herstellungszyklus.

Wo der eigentliche Produktionsengpass liegt

Wenn Menschen über die Technologie hinter fortschrittlichen Flugzeugtriebwerken nachdenken, konzentrieren sie sich in der Regel auf die offensichtlichen Herausforderungen:

die Triebwerksarchitektur, die Turbinenschaufellegierung, die Einkristalltechnologie, das Kühldesign oder Hochtemperaturbeschichtungen.

Aber fortschrittliche Keramikkerne sind ein weiteres wichtiges Glied in der Herstellungskette.

Und die Herausforderung besteht nicht nur darin, ein Keramikteil herzustellen.

Es baut ein ganzes System um sich herum auf.

Pulverqualität

Hochleistungskerne erfordern sorgfältig kontrollierte Keramikpulver.

Reinheit, Partikelgrößenverteilung, Partikelmorphologie, Oberflächenchemie und andere Eigenschaften können alle den endgültigen Kern beeinflussen.

Kleine Veränderungen im Ausgangspulver können sich auf Formung, Trocknung, Sintern, Porosität, Festigkeit und Dimensionsstabilität auswirken.

Prozesskontrolle

Das Herstellungsfenster kann bemerkenswert eng sein.

Änderungen der Umformbedingungen, des Bindemittelgehalts, der Entbinderung, der Sintertemperatur oder der Haltezeit können die Mikrostruktur und die Eigenschaften des Kerns verändern.

Dies ist einer der Gründe, warum die Herstellung von Keramikkernen stark auf gesammeltes Prozesswissen angewiesen ist.

Ein Rezept auf Papier ist nicht unbedingt dasselbe wie ein stabiler Produktionsprozess.

Qualifikation

Luft- und Raumfahrtkomponenten unterliegen extrem hohen Zuverlässigkeitsanforderungen.

Ein neues Material oder Herstellungsverfahren kann nicht einfach eingeführt werden, weil Labortests vielversprechend aussehen.

Es muss umfangreiche Tests, Prozessvalidierungen, Wiederholbarkeitsstudien und Qualifizierungen durchlaufen.

Das macht es schwierig, in die Lieferketten der Luft- und Raumfahrt einzusteigen und sie zu ersetzen.

Für Keramikkerne bedeutet Fertigungsfähigkeit daher weit mehr als nur die richtige Ausrüstung.

Es bedeutet, das zu habenMaterialien, Prozesskontrolle, Qualitätssysteme, technisches Fachwissen und Qualifikationshistorieum immer wieder das gleiche Ergebnis zu erzielen.

Die nächste Grenze: Keramik-3D-Druck

Die herkömmliche Herstellung von Keramikkernen ist in hohem Maße auf Werkzeuge angewiesen.

Dies wird zum Problem, wenn Designer mit immer komplexeren Kühlarchitekturen experimentieren möchten.

Einen anderen Ansatz bietet die additive Fertigung von Keramik.

Mit dem auf Photopolymerisation-basierten 3D-Keramikdruck können komplexe Kerngeometrien direkt aus digitalen Modellen hergestellt werden, wodurch möglicherweise einige der mit dem herkömmlichen Formen verbundenen Werkzeugbeschränkungen entfallen.

Das könnte die Entwicklung erleichtern:

komplexere Kühlkanäle,

dünnere Strukturen,

unkonventionelle Innengeometrien,

und schnell iterierte Kühldesigns.

Doch die additive Fertigung ist keine Zauberlösung.

Die Technologie steht immer noch vor Herausforderungen in Bezug auf die Gleichmäßigkeit des Grünkörpers, die Maßhaltigkeit, die Sinterschrumpfung, die Fehlerkontrolle, den Durchsatz und die Kosten.

Eine Labordemonstration ist eine Sache.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, Tausende von Kernen in Luft- und Raumfahrtqualität-mit einheitlichen Eigenschaften herzustellen.

Dieser Übergang von„Es kann gedruckt werden“Zu„es lässt sich zuverlässig im industriellen Maßstab herstellen“Hier bleibt ein Großteil der Ingenieursarbeit bestehen.

Die Komponente, die verschwindet

Das Interessanteste an einem Keramikkern ist möglicherweise, was am Ende mit ihm passiert.

Es wird nicht Teil des fertigen Motors.

Es erscheint nicht in den Spezifikationen, die Passagiere jemals sehen werden.

Es trägt nicht direkt zum Schub des Motors bei.

Nach dem Gießvorgang wird es entfernt und entsorgt.

Und doch wird es ohne sie möglicherweise nie die komplexe interne Kühlarchitektur einer fortschrittlichen Turbinenschaufel geben.

Wenn wir ein modernes Flugzeugtriebwerk betrachten, konzentrieren wir uns in der Regel auf die spektakulären Dinge - enormer Schub, fortschrittliche Legierungen,-einkristalline Rotorblätter, ausgeklügelte Kühlsysteme und extreme Betriebstemperaturen.

Aber fortschrittliche Fertigung basiert oft auf viel kleineren Dingen.

Materialien, die verschwinden.

Temporäre Bauten.

Spezialpulver.

Winzige Komponenten, die im Endprodukt möglicherweise nie sichtbar sind.

Der Keramikkern ist einer davon.

Es ist so konzipiert, dass es den Moment überlebt, in dem es benötigt wird -, und verschwindet, sobald seine Aufgabe erledigt ist.

Das ist vielleicht die treffendste Beschreibung einer unsichtbaren Fertigungstechnologie:

eine Komponente, die niemals fliegt, aber den Flug ermöglicht.