Решения по переработке суперсплавов в аэрокосмической отрасли

Реактивные двигатели раскаляются докрасна, турбины в полете достигают температуры до 4100°F (около 2800°C) , но все эти компоненты остаются прочными на протяжении всего полета. В чем секрет такой прочности? Суперсплавы! Эти необычайные металлические сплавы разработаны для того, чтобы выдерживать экстремальные температуры и нагрузки. 

Теперь представьте, что вы можете дать этим высокоэффективным металлам вторую жизнь вместо того, чтобы выбрасывать их. Переработка суперсплавов из аэрокосмических деталей вполне осуществима. На самом деле, это становится приоритетной задачей для отрасли, позволяющей экономить средства, сохранять дефицитные материалы и сокращать количество отходов.

Использование суперсплавов в аэрокосмической отрасли

Суперсплавы — это класс металлов, разработанных для обеспечения исключительной прочности и стабильности в экстремальных условиях. 

Как поясняет одна аэрокосмическая компания , термин «суперсплав » «впервые был использован сразу после окончания Второй мировой войны, когда турбинные двигатели самолетов находились на стадии разработки первого поколения, и была отобрана группа высокоэффективных сплавов, пригодных для использования при чрезвычайно высоких температурах, создаваемых этими двигателями».  

С тех пор они стали незаменимыми в современной авиации. 

Большинство аэрокосмических суперсплавов изготавливаются на основе никеля (где никель является основным элементом) и обогащаются такими элементами, как хром, кобальт, алюминий и титан, для улучшения эксплуатационных характеристик. 

Благодаря таким комбинациям детали реактивных двигателей (от лопаток турбины до дисков) выдерживают чрезвычайно высокие температуры и давление, не теряя своей целостности. 

В состав некоторых передовых сплавов для двигателей даже входят редкие металлы, такие как рений или гафний, что позволяет еще больше повысить их производительность.

Сверхсплавы используются в самых высокотемпературных и сложных узлах авиационных двигателей (а также в других компонентах аэрокосмической отрасли, требующих высокой термостойкости). 

Например, лопатки турбины в горячей части реактивного двигателя работают в условиях экстремально высоких температур и изготовлены из никелевых суперсплавов, благодаря чему они не размягчаются и не подвергаются коррозии. 

Это делает суперсплавы невероятно ценными как с точки зрения их роли в двигателях, так и из-за дорогостоящего сырья, которое они содержат. 

Добыча и переработка таких металлов, как никель, кобальт и тантал, обходятся дорого. Эта высокая стоимость в сочетании с ограниченными мировыми запасами некоторых легирующих элементов создает веские основания для повторного использования и переработки суперсплавов, когда это возможно.

Почему переработка суперсплавов важна

Производители аэрокосмической продукции сталкиваются с серьезной проблемой: запасы высококачественных металлов ограничены, в то время как спрос на новые детали самолетов и двигателей продолжает расти. Сегодня переработка суперсплавов является стратегической необходимостью как по экономическим, так и по экологическим причинам.

С экономической точки зрения, переработка этих сплавов может значительно снизить затраты. 

Производство некоторых металлов для аэрокосмической отрасли с нуля — очень дорогостоящий и энергоемкий процесс. Например, производство нового титана (металла, часто используемого наряду с суперсплавами) по методу Кролла требует огромных затрат энергии и ресурсов. 

Однако переработка отходов титана и суперсплавов позволяет сэкономить до 95% потребляемой энергии . 

Снижение энергопотребления напрямую приводит к снижению производственных затрат. В свою очередь, производители сохраняют рентабельность и защищаются от колебаний цен на сырье. 

Переработанные материалы также становятся источником дохода: то, что когда-то было ломом, можно переработать, продать или использовать повторно, вместо того чтобы платить за это как за отходы.

Не менее важны и экологические преимущества. 

Каждый переработанный фунт суперсплава — это на один фунт меньше, который необходимо добывать и перерабатывать из сырой руды. Добыча никеля, кобальта и других элементов связана с интенсивными операциями, которые могут привести к разрушению среды обитания, загрязнению окружающей среды и высоким выбросам углекислого газа. 

Переработка позволяет избежать этих негативных последствий и значительно сокращает выбросы парниковых газов, поскольку потребляет гораздо меньше энергии, чем производство первичного металла. 

Это также означает, что на свалки попадает меньше материалов, поскольку отработанные детали из суперсплавов перерабатываются, а не выбрасываются. 

Аэрокосмическая отрасль может добиться существенных экологических преимуществ, уделяя приоритетное внимание переработке отходов. Это позволит сократить воздействие на окружающую среду и будет соответствовать ужесточающимся экологическим нормам и целям устойчивого развития.

Инновационные методы переработки суперсплавов в аэрокосмической отрасли

Переработка суперсплавов — это не просто переплавка обычного металлолома. Для извлечения этих высокотехнологичных материалов с сохранением их качества требуются специальные процессы. 

Сегодня для переработки большинства суперсплавов используются пирометаллургические методы — это сложный способ сказать, что лом тщательно переплавляется. 

На специализированных предприятиях лом суперсплавов сортируют по типу сплава, а затем плавят его в печи (часто электродуговой печи) в контролируемых условиях. Для достижения чистоты, соответствующей аэрокосмическим стандартам, расплавленный металл часто подвергают вакуумной рафинировке или повторной плавке в вакуумной печи. 

В результате этого процесса получаются слитки, практически не содержащие окисления или примесей. Более того, исследования показывают, что вакуумная переплавка позволяет извлечь значительную часть металла в пригодном для использования виде. 

Однако традиционный способ плавки не идеален: некоторые легирующие элементы могут сгорать или попадать в шлак в процессе высокотемпературной обработки. 

Именно поэтому предприятия по переработке постоянно совершенствуют свои технологии, регулируя условия в печах и используя флюсы или другие методы для извлечения как можно большего количества ценных элементов.

Исследователи также изучают методы химической экстракции (гидрометаллургию) для извлечения таких металлов, как никель и рений, из лома суперсплавов с меньшим энергопотреблением, а также гибридные процессы, сочетающие плавление и выщелачивание для максимизации извлечения.

Еще одна область инноваций — аддитивное производство (3D-печать). Некоторые компании смогли перерабатывать отходы суперсплавов в высококачественный металлический порошок для 3D-печати новых аэрокосмических компонентов. 

Они используют плазменную печь для переплавки лома, а затем распыляют его в мелкий порошок, получая материал, который по чистоте соответствует или превосходит традиционный первичный порошок. Такой подход продлевает срок службы материалов из суперсплавов, одновременно значительно снижая углеродный след при производстве порошков аэрокосмического класса. 

Подобные достижения демонстрируют захватывающий потенциал современных технологий. 

Переработка суперсплавов больше не ограничивается старыми методами. Сегодня она включает в себя передовые процессы, позволяющие создавать практически новые материалы из металлолома.

Передовые методы и проблемы переработки суперсплавов

Несмотря на прогресс в технологиях, переработка суперсплавов по-прежнему сопряжена с трудностями и требует применения передовых методов на каждом этапе. 

Одной из главных проблем является поддержание чистоты. 

Аэрокосмические сплавы имеют чрезвычайно жесткие допуски по составу; даже следовые загрязнения могут сделать партию переработанного металла непригодной для использования в авиации. 

Например, загрязнение переработанных титановых или никелевых сплавов кислородом или железом может ослабить конечный продукт. Это означает, что с ломом необходимо обращаться с предельной осторожностью, чтобы он не покрывался примесями.

Для достижения чистоты, соответствующей аэрокосмическим стандартам, часто требуются передовые процессы переплавки, такие как вакуумная дуговая или электронно-лучевая плавка. 

Эти технологии могут быть дорогостоящими и энергоемкими. Тем не менее, по мере роста цен на сырье и усиления давления со стороны требований устойчивого развития, такие инвестиции окупаются в долгосрочной перспективе.

Еще один передовой метод включает в себя точную сортировку и разделение отходов. 

В авиационном двигателе или космическом аппарате используется множество различных сплавов, смешанных вместе. Если высококачественный суперсплав смешивается с металлоломом более низкого качества, его ценность и возможность повторного использования резко снижаются. 

По этой причине специалисты по переработке отходов используют сложные инструменты идентификации (такие как рентгенофлуоресцентные анализаторы и спектрометры) для идентификации каждого фрагмента лома и разделения сплавов по типам.

Фактически, при выводе реактивных двигателей из эксплуатации специалисты тщательно разбирают их, маркируют каждый компонент из сверхпрочного сплава (лопатки, диски и т. д.) и очищают от любых покрытий или остатков перед утилизацией. 

Тщательная подготовка гарантирует, что «чистый» высококачественный лом суперсплавов поступает в поток переработки, что, в свою очередь, позволяет получать высококачественный переработанный материал. 

Правильная сортировка также предотвращает переработку ценных металлов в некачественные материалы ; например, сильно загрязненный лом суперсплавов может быть пригоден только для производства низкосортных продуктов, таких как добавки к стали, а не для новых аэрокосмических сплавов.

Безопасность и соблюдение нормативных требований также должны быть в приоритете.

Аэрокосмический лом часто приходится уничтожать или перерабатывать в соответствии со строгими правилами, чтобы предотвратить ненадлежащее повторное использование чувствительных деталей. 

Предприятия по переработке следуют таким рекомендациям, как правила Федерального управления гражданской авиации (FAA) по утилизации деталей самолетов ( FAA AC 21-43A Приложение D ), чтобы документировать и подтверждать, что детали были надлежащим образом повреждены и не были повторно использованы в самолетах. 

Сертифицированный процесс переработки дает аэрокосмическим компаниям уверенность в том, что их списанные компоненты не будут представлять никакой опасности для безопасности или юридических рисков.

Как всегда, экологически ответственное обращение с товаром также является обязательным условием. 

Старые детали двигателей могут содержать опасные материалы (например, определенные покрытия или сплавы, содержащие токсичные элементы), поэтому предприятия по переработке должны безопасно удалять или нейтрализовать их в процессе обработки, чтобы защитить работников и окружающую среду.

Современные установки способны извлекать впечатляющий процент металла из лома суперсплавов. 

Источник: https://www.scrapgators.com/recycling-solutions-for-superalloys-in-aerospace/