Nikkelipohjaisten superseosten mekaaninen käyttäytyminen ja hapettumis- ja kuumakorroosiokäyttäytyminen suihkumoottoreiden turbiinisiivissä

Abstract

Nikkelipohjaisista superseoksista puhuttaessa tarkoitetaan pääasiassa nikkelistä koostuvaa metalliseosta, joka pystyy ylläpitämään rakenteensa sekä ominaisuutensa korkean rasituksen sekä korkean lämpötilan käyttöympäristössä. Työn tavoitteena oli selvittää, kuinka nikkelipohjaiset superseokset ovat kehittyneet ja miten niiden kehitys on vaikuttanut turbiinisiipien kehitykseen ja suorituskykyyn. Turbiinisiiven toimintaympäristö on voimakkaasti kuormittava siivelle sekä mekaanisesti että kemiallisesti. Toimintaympäristössä rasitusta aiheuttaa palokaasut, ilman epäpuhtaudet, korkea lämpötila ja paine, jotka johtavat osiltaan mekaaniseen rasitukseen, hapettumiseen sekä kuumakorroosioon.

Nikkelipohjaisten superseosten hyvien mekaanisten ominaisuuksien keskeisiksi tekijöiksi niiden kehityksen aikana havaittiin mikrorakenteen ominaisuudet yhdessä lujitusmenetelmien kehittymisen kanssa. Näitä mikrorakenteen ominaisuuksia ovat esimerkiksi stabiilius, nikkelimatriisiin liuenneet seosaineet, kyky ylläpitää L12-kiderakennetta sekä kyky vastustaa virumista. Merkittävimpänä ilmiönä virumisen vastustamiseksi seoksissa on myötölujuuspoikkeama. Lujitusmenetelmien on havaittu kehityksellään voimakkaasti parantavan nikkelipohjaisista superseoksista valmistettujen tuotteiden operointilämpötilaa.

Kehitys suihkumoottoreilla on johtanut käyttöympäristön lämpötilan kasvuun mikä edelleen vaatii lisää seoksilta. Seosten ja niiden operointilämpötilan kehittyessä tarve myös siiven kehittymiselle on noussut. Turbiinisiivelle kehitystä on tehty vuosien 1940–2000 aikana sekä valumenetelmän että jäähdytyksen puolella. Valumenetelmien kehittämisessä pääpaino oli raerajojen poistamisessa, jotta viruminen rakenteessa saatiin minimoitua valmistamalla erilliskiteinen siipi. Jäähdytyksen puolesta kehitys keskittyi erilaisten jäähdytysratkaisujen toteuttamiseen, kun seosten kehityksellä ei voitu käyttölämpötilaa enää nostaa.

Hapettumis- ja kuumakorroosiokäyttäytyminen nikkelipohjaisissa superseoksissa voitiin havaita olevan pitkälti lämpötilasta sekä seoksen koostumuksesta riippuvaa. Molempia näistä ilmiöistä turbiinisiiven tapauksessa pyritään suurissa määrin välttämään, mutta hapettumisella on havaittu olevan myös hyviä puolia suojaavan oksidikerroksen muodossa. Hapettumis- ja kuumakorroosiokäyttäytymisen kehitys on pitkälti eri seosaineiden ansiota. Erilaisilla lisätyillä seosaineilla on voitu suoraan vaikuttaa suojaavien oksidikerrosten muodostumiseen lisäämällä oksidin tarvitsemaa ainetta. Oksidikerrosten muodostumiseen voidaan vaikuttaa myös epäsuorasti lisäämällä oksidikerroksen kasvamista kiihdyttävää seosainetta.

Nikkelipohjaisten superseosten ominaisuudet ovat olleet niiden kehityksen ajan käyttökohteessa vahvasti toisiinsa kytkeytyneitä. Eri osa-alueiden kehittyessä ne asettavat vaatimuksen toiselle osaalueelle kehittyä mukana. Esimerkiksi seosten käyttölämpötilan kasvaessa altistuminen hapettumiselle ja kuumakorroosiolle on lisääntynyt, mikä osaltaan on johtanut tarpeeseen kehittää näiden sietokykyä.