Bài 1.8Tạo hình ban đầuChương 1 · Đúc

Đúc đơn tinh thể (cánh tuabin)

Đông đặc chậm từ một đầu làm chi tiết lớn lên thành một tinh thể duy nhất

Đúc đơn tinh thể tạo ra chi tiết kim loại là một tinh thể liên tục duy nhất, hoàn toàn không có ranh giới hạt (các đường nối giữa các tinh thể). Nó được dùng cho những cánh tuabin nóng nhất trong động cơ phản lực và tuabin khí nhà máy điện. Những cánh này quay đỏ rực hàng nghìn giờ, và ranh giới hạt là nơi chúng sẽ bị rão (từ từ giãn ra) và nứt.

Ảnh: Lee Langston, CC BY-SA 4.0, qua Wikimedia Commons

Đúc đơn tinh thể · lò rút khuôn và các loại hạtHình bên trái cho thấy khuôn cánh được rút ra khỏi lò; khung bên phải so sánh các loại hạt. Các số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới.

Cách hoạt động

Làm khuôn gốm. Như trong đúc mẫu chảy (bài 1.2), một cánh bằng sáp được phủ gốm rồi nấu chảy sáp ra. Một lõi gốm bên trong tạo các kênh làm mát của cánh, và một đường xoắn ốc, bộ chọn hạt, được thêm vào dưới cánh.
Rót vào khuôn nóng. Khuôn đặt trên một tấm làm lạnh trong lò chân không, để siêu hợp kim niken không phản ứng với không khí. Khuôn được nung trên nhiệt độ nóng chảy của kim loại, khoảng 1500 °C, rồi kim loại được rót vào.
Bắt đầu đông đặc từ phía dưới. Tấm làm lạnh bằng nước làm kim loại ở đáy đông trước. Nhiều tinh thể nhỏ bắt đầu hình thành trong khối khởi đầu, tất cả đều lớn lên hướng lên trên.
Chỉ cho một tinh thể đi qua. Bộ chọn hạt xoắn ốc quá ngoằn ngoèo nên hầu hết tinh thể không theo kịp; thường chỉ một tinh thể thoát ra được ở đỉnh. Cũng có thể dùng một tinh thể mầm để định hướng cho nó.
Rút từ từ. Khuôn được hạ ra khỏi vùng nóng qua một tấm chắn, thường vài centimet mỗi giờ. Mặt đông đặc luôn phẳng tại tấm chắn và đơn tinh thể lớn lên xuyên suốt toàn bộ cánh.
Bỏ vỏ và kiểm tra. Lớp gốm được đập bỏ và lõi được hòa tan. Mỗi cánh được ăn mòn và kiểm tra, bằng tia X và đo hướng tinh thể, để xác nhận nó là một tinh thể duy nhất.

Thông số chính

Vật liệu: Siêu hợp kim nền niken (hợp kim chịu nhiệt của niken với crom, coban, nhôm, reni và các nguyên tố khác)
Chi tiết thường gặp: Cánh tuabin và cánh dẫn hướng áp suất cao trong động cơ phản lực và tuabin khí
Kích thước chi tiết: Cánh máy bay dài vài centimet đến khoảng 15 cm; cánh nhà máy điện có thể lớn hơn nhiều lần
Độ chính xác: Ở mức đúc mẫu chảy, khoảng ±0,1 mm, các lỗ làm mát nhỏ được khoan sau
Bề mặt hoàn thiện: Nhẵn: Ra (độ nhám trung bình) khoảng 1 đến 3 µm, rồi được phủ lớp bảo vệ
Số lượng phù hợp: Hàng nghìn đến hàng trăm nghìn cánh mỗi năm cho mỗi chương trình động cơ
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Lò rút khuôn chân không có giá hàng triệu USD; mỗi cánh có giá hàng trăm đến hàng nghìn USD
Tốc độ: Chậm: vài giờ cho mỗi lần rút, với nhiều khuôn trong mỗi mẻ lò

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Không có ranh giới hạt nên chống rão và chống nứt tuyệt vời khi nóng đỏ
Cho phép động cơ chạy nóng hơn, giúp tiết kiệm nhiên liệu
Có thể chọn hướng tinh thể để đạt độ cứng và tuổi thọ mỏi tốt nhất
Các kênh làm mát bên trong phức tạp được tạo ra từ lõi gốm

Hạn chế

Rất chậm và đắt
Nhiều cánh bị loại bỏ khi xuất hiện các hạt lạc
Cần lò chân không và hợp kim đắt tiền chứa nguyên tố hiếm như reni
Chỉ thực tế với chi tiết nhỏ, giá trị rất cao

Ứng dụng

Hàng không vũ trụCánh tuabin và cánh dẫn hướng áp suất cao của động cơ phản lực
Phát điệnCánh tầng đầu của tuabin khí cỡ lớn
Quốc phòngĐộng cơ phản lực quân sự và trực thăng
Nghiên cứuMẫu đơn tinh thể để nghiên cứu hợp kim

Cách nhận biết

Thường bạn không nhìn thấy nó trên một cánh đã hoàn thiện, có phủ lớp bảo vệ: trông như mọi vật đúc chính xác khác.
Sau khi ăn mòn (ngâm axit để lộ các hạt), cánh đơn tinh thể cho thấy một bề mặt đều, không có hoa văn hạt.
Cánh đúc thông thường cho thấy một mảng chắp vá các hạt; cánh đông đặc định hướng cho thấy các sọc dài từ chân đến đỉnh.
Những lỗ làm mát nhỏ xíu trên bề mặt và chân cánh hình cây thông, điển hình của cánh ở vùng nóng.

So sánh với

Đúc mẫu chảy1.2cùng phương pháp sáp và vỏ gốm; đúc đơn tinh thể thêm vào việc đông đặc chậm, có kiểm soát từ một đầu.Phương pháp Czochralski13.1cũng nuôi một đơn tinh thể, nhưng kéo silic từ chất nóng chảy để tạo thỏi tròn, không phải chi tiết có hình.Nung chảy lớp bột bằng laser8.4tạo chi tiết siêu hợp kim từng lớp một, nhưng với nhiều hạt nhỏ.

Xem video

Magic Marks · Một video giải thích ngắn về cách đông đặc chậm, một chiều tạo nên đơn tinh thể

Asianometry · Lịch sử từ cánh thông thường đến cánh hạt trụ rồi đến cánh đơn tinh thể

Jetline Marvel · Vì sao những cánh này rất khó chế tạo và vì sao nhiều cánh bị loại bỏ

The Business Times · Cảnh quay thực tế từ một nhà máy sản xuất cánh tuabin

Xem ảnh thật

Wikipedia: Turbine blade — vật liệu cánh, làm mát và nền tảng về đúc
Wikipedia: Directional solidification — phương pháp đông đặc chậm, một chiều
Tìm ảnh trên Wikimedia Commons

Ghi nhớ

Mục tiêu là chi tiết không có ranh giới hạt, vốn yếu khi nóng đỏ.
Đông đặc chậm từ dưới lên, cùng bộ chọn xoắn ốc, chỉ cho phép một tinh thể lớn lên.
Cực kỳ chậm và tốn kém, nên chỉ dành cho những cánh tuabin nóng nhất.