आधुनिक जेट इंजनों के मूल में एक मूलभूत समस्या है:

टरबाइन ब्लेड उस सामग्री के पिघलने बिंदु से अधिक तापमान के संपर्क में आते हैं जिससे वे बने होते हैं।

निकल आधारित सुपरअलॉय आज उपलब्ध सर्वाधिक ऊष्मा प्रतिरोधी संरचनात्मक सामग्रियों में से एक हैं। फिर भी ये मिश्रधातुएँ लगभग 1,300 डिग्री या उससे थोड़ा अधिक तापमान पर पिघलती हैं।

हालाँकि, आधुनिक इंजन के दहन कक्ष से निकलने वाली गैस 1,500 डिग्री से अधिक हो सकती है।

तो टरबाइन ब्लेड पिघल क्यों नहीं जाता?

उत्तर आश्चर्यजनक रूप से सरल है:

यह खोखला है.

आधुनिक टरबाइन ब्लेड के अंदर आंतरिक शीतलन मार्गों का एक उच्च इंजीनियर नेटवर्क होता है। ठंडी हवा ब्लेड की जड़ से प्रवेश करती है, इन मार्गों से होकर गुजरती है, धातु से गर्मी को अवशोषित करती है, और अंततः ब्लेड की सतह में सैकड़ों छोटे छिद्रों से बाहर निकल जाती है।

बाहर निकलने वाली हवा ब्लेड और आसपास की गर्म गैस के बीच एक पतली सुरक्षात्मक परत बनाती है।

वास्तव में, ब्लेड पिघलने के लिए पर्याप्त गर्म वातावरण के अंदर काम करते समय लगातार खुद को ठंडा कर रहा है।

लेकिन इससे एक और समस्या पैदा हो जाती है.

आप एक धातु घटक का निर्माण कैसे करते हैं जिसमें शीतलन मार्ग होते हैं जो घुमावदार, शाखाओं वाले, बेहद पतले होते हैं, और पारंपरिक काटने वाले उपकरण तक पहुंचना लगभग असंभव होता है?

आप उन्हें मशीनी नहीं बनाते.

आप उन्हें चीनी मिट्टी के एक टुकड़े के चारों ओर डालें।

उस सिरेमिक घटक को कहा जाता हैसिरेमिक कोर.

यह कभी भी तैयार इंजन में दिखाई नहीं दे सकता है। ब्लेड के सेवा में आने से पहले इसे पूरी तरह से विघटित और हटाया जा सकता है।

फिर भी इसके बिना, सबसे उन्नत खोखले टरबाइन ब्लेडों में से कई का निर्माण करना बेहद मुश्किल - और कुछ मामलों में असंभव - होगा।

टरबाइन ब्लेड को ठंडा क्यों करना पड़ता है?

टरबाइन के सामने का तापमान गैस टरबाइन इंजन के प्रदर्शन और थर्मल दक्षता को नियंत्रित करने वाले प्रमुख कारकों में से एक है।

सामान्य तौर पर, टरबाइन इनलेट तापमान बढ़ने से इंजन को दहन प्रक्रिया से अधिक उपयोगी ऊर्जा निकालने की अनुमति मिलती है।

लेकिन कठोर सामग्री की एक सीमा है।

केवल उच्चतर गलनांक वाली मिश्रधातु विकसित करना ही पर्याप्त नहीं है। आधुनिक टरबाइन सामग्री पहले से ही उस सीमा के करीब काम करती है जिसे उनकी सूक्ष्म संरचनाएं सहन कर सकती हैं।

समाधान यह नहीं है कि धातु पूर्ण गैस तापमान पर जीवित रहे।

समाधान हैधातु को आसपास की गैस की तुलना में काफी ठंडा रखें।

यहीं पर टरबाइन कूलिंग आती है।

ठंडी हवा को कंप्रेसर से निकाला जाता है और टरबाइन ब्लेड के अंदर के मार्गों से गुजारा जाता है।

जैसे ही यह आंतरिक चैनलों से बहता है, यह ब्लेड से गर्मी हटा देता है।

फिर हवा को ब्लेड की सतह पर सटीक रूप से स्थित छिद्रों के माध्यम से छोड़ा जाता है।

इसे इस नाम से जाना जाता हैफिल्म ठंडा करना.

ठंडी हवा सतह पर फैलती है और धातु और गर्म दहन गैसों के बीच एक पतली परत बनाती है।

परिणाम एक उल्लेखनीय इंजीनियरिंग युक्ति है:

आसपास की गैस मिश्र धातु के पिघलने बिंदु से अधिक गर्म हो सकती है, जबकि वास्तविक धातु का तापमान इसकी महत्वपूर्ण तापमान सीमा से नीचे रहता है।

लेकिन ऐसी शीतलन प्रणाली को डिज़ाइन करना केवल आधी समस्या है।

बाकी आधा हिस्सा इसका निर्माण कर रहा है.

विनिर्माण समस्या: आप असंभव मशीन को कैसे बनाते हैं?

एक उन्नत टरबाइन ब्लेड के अंदर शीतलन मार्ग साधारण ड्रिल किए गए छेद नहीं हैं।

उनमें शामिल हो सकते हैं:

घुमावदार मार्ग,

एकाधिक शाखाएँ,

सर्पेन्टाइन चैनल,

पतली दीवारें,

आंतरिक पसलियाँ,

टकराव संरचनाएं,

और कूलिंग आउटलेट सटीक रूप से स्थित हैं।

कुछ मार्ग इतने छोटे और ज्यामितीय रूप से जटिल हैं कि पारंपरिक ड्रिलिंग या मिलिंग उन तक आसानी से नहीं पहुंच सकती है।

यहां तक ​​कि उन्नत मशीनिंग तकनीकों की भी मूलभूत सीमाएं होती हैं जब उपकरण भौतिक रूप से आवश्यक ज्यामिति तक नहीं पहुंच पाता है।

निवेश कास्टिंग एक समाधान प्रदान करता है।

आंतरिक मार्ग बनाने के लिए सामग्री को हटाने की कोशिश करने के बजाय, निर्माताशुरुआत से ही कास्टिंग में मार्ग बनाएं।

और ऐसा करने की कुंजी सिरेमिक कोर है।

सिरेमिक कोर को टरबाइन ब्लेड के अंदर के लिए एक अस्थायी त्रि-आयामी मोल्ड के रूप में सोचें।

धातु अंततः ब्लेड बन जाती है।

सिरेमिक अस्थायी रूप से उस स्थान पर कब्जा कर लेता है जो शीतलन मार्ग बन जाएगा।

एक बार जब धातु जम जाए तो सिरेमिक हटा दिया जाता है।

जो पीछे छूट गया है वह आंतरिक शीतलन नेटवर्क है।

सिरेमिक कोर का जीवन चक्र

सिरेमिक कोर अनिवार्य रूप से एक अत्यंत मांग वाला कार्य वाला एक डिस्पोजेबल घटक है।

1. कोर बनाना

विनिर्माण सावधानीपूर्वक नियंत्रित सिरेमिक फॉर्मूलेशन से शुरू होता है।

अनुप्रयोग और उत्पादन मार्ग के आधार पर, सिरेमिक पाउडर को इंजेक्शन मोल्डिंग, जेल कास्टिंग, या सिरेमिक एडिटिव विनिर्माण जैसी प्रक्रियाओं का उपयोग करके आकार दिया जा सकता है।

परिणामी हरा शरीर ब्लेड की आंतरिक शीतलन प्रणाली की जटिल ज्यामिति को पुन: उत्पन्न करता है।

फिर इसे सुखाया जाता है, जहां आवश्यक हो, वहां से निकाला जाता है और ऊंचे तापमान पर सिंटर किया जाता है।

अंतिम सिरेमिक कोर में आगे आने वाली हर चीज से बचने के लिए पर्याप्त ताकत और आयामी स्थिरता होनी चाहिए।

और आयामी सटीकता बहुत मायने रखती है।

कोर में एक छोटी सी त्रुटि शीतलन मार्ग में एक छोटी सी त्रुटि बन जाती है।

अत्यधिक अनुकूलित टरबाइन ब्लेड में, जो शीतलन प्रदर्शन, स्थानीय धातु तापमान और अंततः ब्लेड जीवन को प्रभावित कर सकता है।

2. मोम पैटर्न का निर्माण

तैयार सिरेमिक कोर को एक डाई के अंदर रखा गया है।

फिर मोम को कोर के चारों ओर इंजेक्ट किया जाता है।

एक बार जब मोम जम जाता है, तो परिणाम एक मोम पैटर्न होता है जो टरबाइन ब्लेड की बाहरी ज्यामिति का प्रतिनिधित्व करता है, जिसके अंदर सिरेमिक कोर लगा होता है।

इस बिंदु पर, भविष्य के शीतलन मार्ग पहले से ही मौजूद हैं - लेकिन उन पर अभी भी सिरेमिक का कब्जा है।

3. निवेश का निर्माण-कास्टिंग शेल

मोम के पैटर्न को बार-बार सिरेमिक घोल में डुबोया जाता है और आग रोक सामग्री के साथ लेपित किया जाता है।

परत दर परत, मोम के पैटर्न के चारों ओर एक मजबूत सिरेमिक खोल बनाया जाता है।

एक बार जब खोल आवश्यक मोटाई और ताकत तक पहुंच जाता है, तो मोम को हटा दिया जाता है, आमतौर पर भाप या नियंत्रित हीटिंग का उपयोग करके।

मोम बह जाता है.

सिरेमिक कोर अंदर रहता है।

परिणाम एक निवेशित {{0}कास्टिंग मोल्ड है जिसमें दो महत्वपूर्ण सिरेमिक संरचनाएं शामिल हैं:

एक बाहरी आवरण जो ब्लेड के बाहरी आकार को परिभाषित करता है, और एक आंतरिक सिरेमिक कोर जो इसके शीतलन मार्ग को परिभाषित करता है।

4. सुपरअलॉय की ढलाई

मोल्ड को पहले से गरम किया जाता है और नियंत्रित कास्टिंग वातावरण में स्थानांतरित किया जाता है।

निकल आधारित सुपरअलॉय को पिघलाया जाता है और कसकर नियंत्रित परिस्थितियों में, अक्सर वैक्यूम या निष्क्रिय वातावरण में, सांचे में डाला जाता है।

पिघली हुई धातु सिरेमिक कोर के आसपास की जगह को भर देती है।

जैसे ही मिश्र धातु जम जाती है, यह आंतरिक कोर की ज्यामिति को संरक्षित करते हुए ब्लेड का आकार ले लेती है।

उन्नत टरबाइन ब्लेडों के लिए, जमने की प्रक्रिया स्वयं अत्यधिक परिष्कृत हो सकती है, जिसमें दिशात्मक जमना और, कुछ अनुप्रयोगों के लिए, एकल{0}}क्रिस्टल वृद्धि शामिल है।

प्रक्रिया के अंत में, धातु ब्लेड मौजूद होता है।

लेकिन सिरेमिक कोर अभी भी इसके अंदर फंसा हुआ है।

5. कोर को हटाना

अब वह हिस्सा आता है जो सिरेमिक कोर तकनीक को इतना असामान्य बनाता है।

कोर को कास्टिंग प्रक्रिया - तक जीवित रहना चाहिए और फिर प्रभावी रूप से गायब हो जाना चाहिए।

कोर सिस्टम और मिश्र धातु अनुप्रयोग के आधार पर, सिरेमिक को हटाने के लिए रासायनिक लीचिंग का उपयोग किया जाता है।

क्षारीय घोल सिरेमिक पर हमला करते हैं और धीरे-धीरे इसे तोड़ देते हैं।

शेष कण उन्हीं संकीर्ण मार्गों से बाहर निकल जाते हैं जो कोर ने बनाए थे।

उद्देश्य सरल है:

धातु को अक्षुण्ण छोड़ दें. शीतलन मार्ग को खुला छोड़ दें। अनिवार्य रूप से कोई चीनी मिट्टी पीछे न छोड़ें।

कोर ने अपना काम पूरा कर लिया है.

और यह चला गया है.

एक विरोधाभास के इर्द-गिर्द तैयार की गई सामग्री

यही वह चीज़ है जो सिरेमिक - कोर विकास को इतना कठिन बना देती है।

सामग्री को दो आवश्यकताओं को पूरा करना होगा जो एक दूसरे के विरुद्ध काम करती प्रतीत होती हैं।

कास्टिंग के दौरान: यह बेहद स्थिर होना चाहिए।

कोर लगभग 1,500 डिग्री तापमान पर पिघले हुए सुपरअलॉय के संपर्क में आता है।

इसका विरोध करना चाहिए:

टूटना,

विकृति,

कटाव,

रेंगना,

और आयामी परिवर्तन.

यदि कोर थोड़ी सी भी गति करता है, तो शीतलन मार्ग की ज्यामिति बदल सकती है।

एक उन्नत टरबाइन ब्लेड के लिए, यह अन्यथा महंगी कास्टिंग को स्क्रैप में बदलने के लिए पर्याप्त हो सकता है।

कास्टिंग के बाद: इसे निकालना आसान होना चाहिए।

साथ ही, सिरेमिक सामान्य रूप से अत्यधिक स्थिर संरचनात्मक सिरेमिक की तरह व्यवहार नहीं कर सकता है।

यदि ढलाई के बाद यह रासायनिक रूप से बरकरार रहता है, तो यह ब्लेड के अंदर स्थायी रूप से फंस सकता है।

शीतलन मार्ग अवरुद्ध हो जायेंगे।

ब्लेड अनुपयोगी हो जाएगा.

इसलिए आदर्श सिरेमिक कोर को दो अलग-अलग क्षणों में लगभग दो अलग-अलग सामग्रियों की तरह व्यवहार करना होगा:

कास्टिंग के दौरान, इसे उच्च तापमान वाले संरचनात्मक घटक की तरह व्यवहार करना चाहिए।

ढलाई के बाद इसे एक बलि सामग्री की तरह व्यवहार करना चाहिए जिसे सफाई से हटाया जा सके।

यह विरोधाभास सिरेमिक कोर सामग्री इंजीनियरिंग के मूल में है।

सिलिका बनाम एल्युमिना

दो महत्वपूर्ण सिरेमिक कोर सामग्री परिवार सिलिका आधारित और एल्युमिना आधारित प्रणालियाँ हैं।

सिलिका-आधारित कोर

फ्यूज्ड सिलिका में कई आकर्षक विशेषताएं हैं।

यह अपेक्षाकृत अच्छी लीचबिलिटी, अपेक्षाकृत कम प्रसंस्करण तापमान और अनुकूल विनिर्माण अर्थशास्त्र प्रदान कर सकता है।

लेकिन उच्च तापमान आयामी स्थिरता और रेंगने का व्यवहार सीमाएं बन सकता है, विशेष रूप से कास्टिंग तापमान और प्रसंस्करण आवश्यकताओं में वृद्धि के रूप में।

एलुमिना-आधारित कोर

एल्यूमिना उत्कृष्ट उच्च तापमान स्थिरता और रेंगना प्रतिरोध प्रदान करता है।

यह एल्युमिना आधारित कोर को उन्नत एकल क्रिस्टल टरबाइन ब्लेड सहित मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक बनाता है।

समस्या यह है कि कास्टिंग के बाद अत्यधिक स्थिर एल्युमिना को निकालना भी अधिक कठिन हो सकता है।

इसलिए इंजीनियरिंग चुनौती संतुलन बनाने की बन जाती हैताकत, आयामी स्थिरता, सरंध्रता, चरण संरचना, और लीचबिलिटी.

सबसे अच्छा कोर जरूरी नहीं कि सबसे मजबूत सिरेमिक हो।

यह पूरे विनिर्माण चक्र के लिए गुणों के सही संयोजन वाला सिरेमिक है।

वास्तविक विनिर्माण बाधा कहां है?

जब लोग उन्नत विमान इंजनों के पीछे की तकनीक के बारे में सोचते हैं, तो वे स्पष्ट चुनौतियों पर ध्यान केंद्रित करते हैं:

इंजन वास्तुकला, टरबाइन ब्लेड मिश्र धातु, एकल {{0}क्रिस्टल प्रौद्योगिकी, शीतलन डिजाइन, या उच्च {{1}तापमान कोटिंग्स।

लेकिन उन्नत सिरेमिक कोर विनिर्माण श्रृंखला में एक और महत्वपूर्ण कड़ी हैं।

और चुनौती केवल सिरेमिक हिस्सा बनाना नहीं है।

यह अपने चारों ओर एक संपूर्ण प्रणाली का निर्माण कर रहा है।

पाउडर की गुणवत्ता

उच्च प्रदर्शन वाले कोर को सावधानीपूर्वक नियंत्रित सिरेमिक पाउडर की आवश्यकता होती है।

शुद्धता, कण आकार वितरण, कण आकारिकी, सतह रसायन विज्ञान और अन्य विशेषताएं सभी अंतिम कोर को प्रभावित कर सकती हैं।

प्रारंभिक पाउडर में छोटे परिवर्तन गठन, सुखाने, सिंटरिंग, सरंध्रता, ताकत और आयामी स्थिरता को प्रभावित कर सकते हैं।

प्रक्रिया नियंत्रण

विनिर्माण विंडो उल्लेखनीय रूप से संकीर्ण हो सकती है।

निर्माण की स्थिति, बाइंडर सामग्री, डिबाइंडिंग, सिंटरिंग तापमान या धारण समय में परिवर्तन से कोर की सूक्ष्म संरचना और गुणों में परिवर्तन हो सकता है।

यही एक कारण है कि सिरेमिक कोर विनिर्माण संचित प्रक्रिया ज्ञान पर बहुत अधिक निर्भर करता है।

कागज पर एक नुस्खा जरूरी नहीं कि एक स्थिर उत्पादन प्रक्रिया के समान हो।

योग्यता

एयरोस्पेस घटक अत्यधिक मांग वाली विश्वसनीयता आवश्यकताओं के तहत काम करते हैं।

एक नई सामग्री या विनिर्माण प्रक्रिया केवल इसलिए शुरू नहीं की जा सकती क्योंकि प्रयोगशाला परीक्षण आशाजनक दिखते हैं।

इसे व्यापक परीक्षण, प्रक्रिया सत्यापन, दोहराव अध्ययन और योग्यता से गुजरना पड़ता है।

इससे एयरोस्पेस आपूर्ति श्रृंखलाओं में प्रवेश करना कठिन हो जाता है और प्रतिस्थापित करना कठिन हो जाता है।

सिरेमिक कोर के लिए, विनिर्माण क्षमता का मतलब सही उपकरण होने से कहीं अधिक है।

इसका मतलब है होनासामग्री, प्रक्रिया नियंत्रण, गुणवत्ता प्रणाली, इंजीनियरिंग विशेषज्ञता और योग्यता इतिहासएक ही परिणाम बार-बार उत्पन्न करना।

अगला फ्रंटियर: सिरेमिक 3डी प्रिंटिंग

पारंपरिक सिरेमिक कोर विनिर्माण टूलींग पर बहुत अधिक निर्भर करता है।

यह एक समस्या बन जाती है जब डिज़ाइनर तेजी से जटिल कूलिंग आर्किटेक्चर के साथ प्रयोग करना चाहते हैं।

सिरेमिक एडिटिव विनिर्माण एक अलग दृष्टिकोण प्रदान करता है।

फोटोपॉलीमराइजेशन आधारित सिरेमिक 3डी प्रिंटिंग के साथ, जटिल कोर ज्यामिति को सीधे डिजिटल मॉडल से उत्पादित किया जा सकता है, जो संभावित रूप से पारंपरिक मोल्डिंग से जुड़ी कुछ टूलींग बाधाओं को दूर करता है।

इससे इसे विकसित करना आसान हो सकता है:

अधिक जटिल शीतलन मार्ग,

पतली संरचनाएँ,

अपरंपरागत आंतरिक ज्यामिति,

और तेजी से पुनरावृत्त शीतलन डिज़ाइन।

लेकिन एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग कोई जादुई समाधान नहीं है।

प्रौद्योगिकी को अभी भी हरे रंग की एकरूपता, आयामी सटीकता, सिंटरिंग सिकुड़न, दोष नियंत्रण, थ्रूपुट और लागत से जुड़ी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है।

प्रयोगशाला प्रदर्शन एक बात है.

सुसंगत गुणों के साथ हजारों एयरोस्पेस - ग्रेड कोर का उत्पादन करना दूसरी बात है।

से वह संक्रमण"इसे मुद्रित किया जा सकता है"को"इसे औद्योगिक पैमाने पर विश्वसनीय रूप से निर्मित किया जा सकता है"वह स्थान है जहां अधिकांश इंजीनियरिंग कार्य बाकी है।

वह घटक जो गायब हो जाता है

सिरेमिक कोर के बारे में सबसे दिलचस्प बात यह हो सकती है कि अंत में इसका क्या होता है।

यह तैयार इंजन का हिस्सा नहीं बनता है.

यह उन विशिष्टताओं में प्रकट नहीं होता है जिन्हें यात्री कभी देखेंगे।

यह इंजन के जोर में सीधे योगदान नहीं देता है।

कास्टिंग प्रक्रिया के बाद, इसे हटा दिया जाता है और त्याग दिया जाता है।

और फिर भी, इसके बिना, एक उन्नत टरबाइन ब्लेड की जटिल आंतरिक शीतलन वास्तुकला कभी मौजूद नहीं हो सकती है।

जब हम एक आधुनिक विमान इंजन को देखते हैं, तो हमारा ध्यान शानदार चीजों - प्रचंड जोर, उन्नत मिश्र धातु, एकल {{1}क्रिस्टल ब्लेड, परिष्कृत शीतलन प्रणाली और अत्यधिक ऑपरेटिंग तापमान पर केंद्रित होता है।

लेकिन उन्नत विनिर्माण अक्सर बहुत छोटी चीज़ों पर आधारित होता है।

सामग्री जो गायब हो जाती है.

अस्थायी संरचनाएँ.

विशिष्ट चूर्ण.

छोटे घटक जो अंतिम उत्पाद में कभी दिखाई नहीं दे सकते।

सिरेमिक कोर उनमें से एक है.

इसे उस क्षण जीवित रहने के लिए डिज़ाइन किया गया है जब इसकी आवश्यकता होती है - और जब इसका काम पूरा हो जाता है तो यह गायब हो जाता है।

यह एक अदृश्य विनिर्माण तकनीक का सबसे उपयुक्त वर्णन हो सकता है:

एक घटक जो कभी नहीं उड़ता, लेकिन उड़ान को संभव बनाने में मदद करता है।