En las turbinas de gas, ¿cómo se usa la fundición de acero de aleación de alta temperatura para hacer palas de turbina o componentes de la cámara de combustión?

En turbinas de gas, fundición de acero de aleación de alta temperatura es una de las tecnologías centrales para fabricar cuchillas de turbina y componentes de la cámara de combustión. Estos componentes deben resistir condiciones de trabajo extremas, que incluyen alta temperatura, alta presión, gases corrosivos y estrés mecánico.

Aplicación de cuchillas de turbina
Requisitos de entorno laboral y rendimiento
Las cuchillas de la turbina son uno de los componentes más críticos en las turbinas de gas, directamente expuestas al flujo de gas de alta temperatura, y la temperatura puede ser tan alta como 1000 ° C o más.
Las fundiciones de acero de aleación de alta temperatura deben tener las siguientes propiedades:
Resistencia de alta temperatura: capacidad para mantener la resistencia y la estabilidad en el entorno de alta temperatura durante mucho tiempo.
Resistencia a la fluencia: evite la deformación plástica a alta temperatura y condiciones de alta tensión.
Resistencia a la oxidación: resistir la oxidación de alta temperatura y evite la formación de la capa de óxido quebradizo en la superficie.
Resistencia a la fatiga térmica: hacer frente a los frecuentes ciclos de inicio y fluctuaciones de temperatura.
Selección de material
Aleación de alta temperatura basada en níquel:
El material más utilizado con excelente resistencia a la alta temperatura, resistencia a la oxidación y resistencia a la fluencia.
Las calificaciones comunes incluyen Inconel 718, Inconel 625, CMSX-4, etc.
Superalloys basados ​​en cobalto:
Tiene una mayor resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión, y es adecuado para su uso en entornos extremadamente corrosivos.
Las calificaciones comunes incluyen Haynes 188, Mar-M 509, etc.
Superalloys a base de hierro:
Tiene un costo más bajo, pero su resistencia a la temperatura es ligeramente inferior a la de las aleaciones a base de níquel y a base de cobalto, y es adecuada para áreas de temperatura media.
Proceso de fundición
Casting de inversión
La fundición de inversión es el principal proceso para fabricar cuchillas de turbina, que pueden lograr formas complejas y alta precisión.
Utilizando moldes de cerámica, las cuchillas sin defectos se producen a través de la fundición de inversión.
Los canales de enfriamiento internos (como las cuchillas huecas) se pueden fabricar para mejorar la eficiencia de la disipación de calor.
Solidificación direccional (DS)
Al controlar la dirección de solidificación, los granos crecen en una dirección específica, reduciendo el número de límites de grano y, por lo tanto, mejorando la resistencia de fluencia.
Casting de cristal único (SC)
Las cuchillas de cristal individual no tienen límites de grano, tienen una mayor resistencia a la temperatura y resistencia a la fluencia, y son la primera opción para las cuchillas de turbina de alta gama.
Tratamiento superficial
Tecnología de recubrimiento:

Recubrimiento de barrera térmica (TBC): los materiales cerámicos (como el óxido de circonio) están recubiertos en la superficie de la cuchilla para reducir la temperatura del sustrato y extender la vida útil.
Recubrimiento contra la oxidación: como el recubrimiento de aluminuro o el recubrimiento de mcRaly (aluminio de cromo metálico) para mejorar la capacidad de antioxidación.
Diseño de enfriamiento:
La temperatura de la superficie de la cuchilla se reduce a través de canales de enfriamiento internos y tecnología de enfriamiento de película de aire externa.
Aplicación de componentes de la cámara de combustión
Requisitos de entorno laboral y rendimiento
Los componentes de la cámara de combustión están directamente en contacto con gases de combustión de alta temperatura y están sujetos a medios de alta presión y corrosivos (como sulfuros y óxidos de nitrógeno).
Los principales requisitos de rendimiento incluyen:
Resistencia de alta temperatura: capaz de soportar temperaturas de combustión superiores a 1500 ° C.
Resistencia a la corrosión: resistir la erosión por productos de combustión.
Estabilidad estructural: mantiene la forma geométrica sin cambios a alta temperatura y alta presión.
Selección de material
Aleación de alta temperatura basada en níquel: ampliamente utilizado en componentes de la cámara de combustión, con excelentes propiedades de alta temperatura y propiedades antioxidaciones.
Las calificaciones comunes incluyen Inconel 617, Hastelloy X, etc.
Aleaciones de alta temperatura basadas en cobalto:
Utilizado en áreas de alta temperatura en cámaras de combustión, con mejor resistencia a la corrosión.
Proceso de fundición
Casting de precisión:
Se utiliza para fabricar revestimientos complejos de cámara de combustión, tubos de llama y otros componentes.
Al optimizar el proceso de fundición, el grosor de la pared de los componentes se asegura de ser uniforme y la concentración de tensión térmica se reduce.
Soldadura y ensamblaje:
Para los componentes de la cámara de combustión grandes, generalmente se adoptan fundición y soldadura segmentada.
Tratamiento superficial
Recubrimiento de barrera térmica (TBC):
El recubrimiento de cerámica se aplica a la pared interna de la cámara de combustión para reducir la temperatura del sustrato y mejorar la resistencia al calor.
Recubrimiento antioxidante:
Mejore la resistencia a la oxidación de los componentes de la cámara de combustión y extienda la vida útil.
Diseño de enfriamiento:
Los componentes de la cámara de combustión generalmente se diseñan con estructuras de enfriamiento poroso para reducir la temperatura a través del enfriamiento de la película y el enfriamiento de convección.
Ventajas del fundición de acero de aleación de alta temperatura
Capacidad de la fabricación de formas complejas
La fundición de acero de aleación de alta temperatura puede producir geometrías complejas, como estructuras huecas y canales de enfriamiento de cuchillas de turbina.
Esta capacidad es crítica para optimizar el rendimiento de los componentes (como mejorar la eficiencia de enfriamiento).
Aplicabilidad de materiales de alto rendimiento
El acero de aleación de alta temperatura tiene una excelente resistencia a la alta temperatura, resistencia a la oxidación y resistencia a la fluencia, lo que puede satisfacer las necesidades de condiciones de trabajo extremas de las turbinas de gas.
Larga vida y fiabilidad
A través de procesos de fundición avanzados y tecnologías de tratamiento de superficie, las fundiciones de acero de aleación de alta temperatura pueden funcionar de manera estable y durante mucho tiempo en ambientes de alta temperatura, alta presión y corrosiva.

La aplicación de fundición de acero de aleación de alta temperatura en turbinas de gas se refleja principalmente en la fabricación de cuchillas de turbina y componentes de la cámara de combustión. Estas tecnologías no solo satisfacen las necesidades de condiciones de trabajo extremas de las turbinas de gas, sino que también promueven el progreso tecnológico en los campos de aeroespaciales y energía.