Warum bestehen Flugzeugturbinenschaufeln aus Nickellegierungen?

Nicht alle Turbinenschaufeln bestehen aus einer Nickellegierung, einige Schaufeln bestehen aus einer solchen Familie von Legierungen, aber eindeutig nicht alle. Einige Klingen bestehen tatsächlich aus keramischen Materialien .

Die Turbine befindet sich immer hinter der Brennkammer und die Temperatur, der die erste Stufe der Turbinenschaufeln standhalten kann, ist ein Beweis für den hochtechnologischen Motor. Diese Klingen sind über 2000ºC ausgesetzt; Der Schmelzpunkt von Stahl liegt bei etwa 1100 ºC, und Nickel kann viel weiter bis auf 1700 ºC steigen . Keramik kann noch weiter gehen. Beachten Sie, dass es auch einen signifikanten Unterschied zwischen der externen Vorlauftemperatur und der Oberflächentemperatur gibt.

Die Verwendung eines Materials mit hohem Schmelzpunkt ist eine Möglichkeit, das Problem zu lösen. Es gibt auch Möglichkeiten, die effektive Temperatur über der Oberfläche des Metalls zu reduzieren, wie z. B. die Verwendung von Filmkühlung .

In der Abbildung, die ich oben eingeführt habe, sehen Sie Löcher in der Klinge, wo "Kühlluft" (vielleicht mit 400 ° C) aus der Klinge strömt und effektiv einen Film erzeugt, der um die Klinge geht und sie vor Außentemperatur schützt (kühlt).

Ein Metall, das einer hohen Temperatur (unter dem Schmelzpunkt) ausgesetzt wird, verhält sich jedoch nicht so wie bei normaler Temperatur. Es gibt einige Phänomene, die die Materialien beeinflussen, wie z . B. Kriechen . Wenn ein Material über längere Zeit hohen Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt und gleichzeitig hohen Belastungen (das ist wichtig) ausgesetzt ist, beginnt es Verformungen zu erleiden, die zum Versagen des Metalls führen.

So haben Nickellegierungen, abgesehen davon, dass sie einen höheren Schmelzpunkt haben, auch eines der besten Verhaltensweisen in Kriechumgebungen.

Die letzten Stufen der Turbinenrotoren und die leichteren Statoren (mit geringerer Beanspruchung) sind weniger Kriechbedingungen ausgesetzt und müssen nicht aus einer Legierung auf Nickelbasis hergestellt werden.

Nur um noch hinzuzufügen, um das Kriechen zu reduzieren, besteht ein anderer verfolgter Ansatz (kombiniert mit dem vorherigen) darin, das Metall zu verfestigen, um sicherzustellen, dass es ein einkristallines Metall hat (anstatt ein polykristallines Metall zu sein). Das ist höchste Materialkunst (aus meiner Sicht).

Ihr Hauptvorteil ist eine höhere Festigkeit bei erhöhten Temperaturen. Mit erhöht meine ich Temperaturen bis 1200°C, wie man sie in modernen, filmgekühlten Hochleistungsturbinen findet, wo die Gastemperatur sogar einige hundert Grad höher liegt. Stahl würde schmelzen und andere Materialien wie Titan würden schnell oxidieren, und nur Nickellegierungen oder Keramiken sind der Aufgabe gewachsen. Für den täglichen Gebrauch immer noch zu spröde, hat Keramik das Labor nicht verlassen können, so dass uns vorerst nur Nickellegierungen zur Verfügung stehen.

Ausfälle werden überwunden, indem der Motor abgeschaltet und zur Reparatur eingeplant wird. Wenn eine Turbinenschaufel ausfällt, entwickelt das Triebwerk eine Unwucht, die Folgeschäden aufgrund von Vibrationen verursachen kann. Der Ausfall einer einzelnen Klinge kann vor allem bei reduzierter Leistungseinstellung eine Zeit lang toleriert werden, sollte aber so schnell wie möglich repariert werden.