Sefydliad Deunyddiau Strwythurol (ISM)

Mae deunyddiau llafnau crisial sengl wedi cael eu defnyddio'n helaeth at ddibenion gwasanaethau tymheredd uchel megis aerffoiliau a llafnau sefydlog yn y tyrbin nwy oherwydd cyfuniad ffafriol o briodweddau mecanyddol, gan gynnwys ymddygiad trawiadol ar dymheredd uchel o ran lludded, ymgripiad a’r amgylchedd. Gan nad oes ffiniau rhwng gronynnau mewnol mewn crisialau sengl, mae tymheredd CMSX-4, y deunydd dewisol at lawer o ddibenion tyrbinau gwasgedd uchel, yn amrywio'n sylweddol mewn gwasanaeth. O ganlyniad, mae'n destun lludded thermofecanyddol (TMF) yn aml. Felly, mae prosiectau ymchwil mwy diweddar wedi ceisio ymchwilio i ymddygiad TMF yn yr aloi, gan ymchwilio'n benodol i fethodolegau modelu, effaith ongl cydwedd ac effaith tymheredd cylch brig fel rhan o brosiect MALIT (Gwella Deunyddiau a Modelu mewn Tyrbinau) a ariennir gan Innovate UK. Mae'n arddangos priodweddau mecanyddol anisotropig, yn y patrymau llwytho elastig a phlastig.

Mae rhaglenni hanesyddol yn Abertawe hefyd wedi canolbwyntio ar effeithiau oddi ar yr echelin ac ymddygiad lludded sawl echelin CMSX-4 ochr yn ochr ag asesu effaith mandylledd castin mewnol ar oes lludded ar dymereddau niferus.

Smith, R., Lancaster, R., Jones, J., a Mason-Flucke, J. (2019). Lifing the Effects of Crystallographic Orientation on the Thermo-Mechanical Fatigue Behaviour of a Single-Crystal Superalloy. Materials, 12(6), 998.

Lancaster, R. a Jeffs, S. (2015). Creep lifting methodologies applied to a single crystal superalloy by use of small scale test techniques. Materials Science and Engineering: A, 636, 529-535.

Lancaster, R. a Jeffs, S. (2015). Elevated Temperature Creep Deformation of a Single Crystal Superalloy through the Small Punch Creep Method. Materials Science & Engineering A, 626, 330-337.

Yn y peiriant tyrbin nwy, mae'r diriannau thermol byrhoedlog uchel sy'n cael eu datblygu o ganlyniad i amrywiadau o ran gofynion pŵer yn ystod cylch hedfan nodweddiadol yn arwain at ffenomenon lludded thermofecanyddol (TMF). Ymchwiliwyd yn helaeth i'r effeithiau hyn ar ddeunyddiau llafnau tyrbin, fel arfer aloiau nicel crisial sengl. Fodd bynnag, yn fwy diweddar, mae cyfuniad o ymylon disgiau llai trwchus a rhagor o gynnydd yn nhymheredd tyrbinau wedi arwain at sefyllfa lle na ellid anwybyddu TMF yn neunyddiau disgiau uwchaloiau amlgrisialog sy'n seiliedig ar nicel ac mae angen ystyried hyn hefyd. Erbyn hyn, ystyrir bod TMF yn un o'r heriau mwyaf sylweddol sy'n wynebu'r sector tyrbinau nwy wrth i ddylunwyr ymdrechu i gyrraedd targedau beichus 'Flightpath 2050' ACARE o ran allyriadau a llosgi tanwydd. Mae Canolfan Dechnoleg Prifysgol Abertawe wedi gwneud ymdrech sylweddol dros y degawd diwethaf i ddatblygu cyfleusterau a thechnegau profi ar gyfer nodweddu ymddygiad TMF mewn amgylchedd labordy. Gall y Ganolfan hawlio'n haeddiannol ei bod yn gyfleuster ymchwil o fri rhyngwladol ym maes TMF. Mae rhaglenni ymchwil wedi llunio arbrofion helaeth sy'n cefnogi methodolegau modelu mewn crisialau sengl ac amlgrisialau, gan arwain at arbedion sylweddol o ran costau i Rolls Royce.

Pynciau ymchwil TMF:

• Effaith ongl cydwedd TMF ar oes cydrannau
• Dulliau modelu TMF ar gyfer deunyddiau crisial sengl ac amlgrisial
• Twf craciau o ganlyniad i TMF TMF mewn deunyddiau cyfansawdd matrics metel titaniwm
• Technegau proffilio thermol anfewnwthiol

Mae dau brif bwnc ymchwil i ditaniwm wedi datblygu bri rhyngwladol yng Nghanolfan Dechnoleg Prifysgol Abertawe: dealltwriaeth sylfaenol o “sensitifrwydd cyflwr oer (cold dwell)” mewn aloiau titaniwm agos at alffa a chydberthyniadau modelu uwch sy'n cefnogi dyluniad a gweithrediad cydrannau.

Cydnabuwyd ymddygiad cyflwr oer am y tro cyntaf ar ôl methiant disgiau ffan RB211 a gafodd eu rhoi ar waith yn y 1970au. Dangosodd gwaith yng Nghanolfan Dechnoleg Prifysgol Abertawe fod y cyfuniad o blastigrwydd crisialaidd anisotropig ac ailddosbarthu diriant yn anhepgor ar gyfer “ffurfio ffasedau â lled-holltiadau” a methiannau o ganlyniad i gyflwr. Arweiniodd cyfres o bapurau academaidd arloesol a phrif gyflwyniadau mewn cynadleddau rhyngwladol at ddisgrifio model “Evans-Bache”. Arloeswyd 

y defnydd o ddiffreithiad drwy adlewyrchu electronau yn ôl er mwyn mesur goleddf ffasedau ar doriadau yng Nghanolfan Dechnoleg Prifysgol Abertawe, ac mae codau diweddar wedi cymeradwyo gwyddor goleddf toriadau feintiol awtomataidd (automated quantitative tilt fractography). Yn y pen draw, dyfarnwyd Gwobr Titaniwm Harvey Flower yr IoM3 i'r Athro WJ Evans yn 2007 a'r Athro MR Bache yn 2013 am gyfrannu at wella'r ddealltwriaeth o ddatblygiad meteleg titaniwm neu ei aloiau.

Mae'r cyfleusterau profi heb eu hail i nodweddu ymddygiad cyfansoddol wedi tanategu datblygiad algorithmau modelu uwch ar gyfer cydrannau titaniwm “Dosbarth A” sy'n hanfodol i ddiogelwch. Mae ymchwil a gynhaliwyd dan grantiau'r Cyngor Ymchwil Peirianneg a'r Gwyddorau Ffisegol ynghyd â chyllid mentrau preifat wedi cyfuno gwybodaeth sylfaenol am ddeunyddiau â'r gweithdrefnau modelu aflinol sy'n seiliedig ar afluniad a ddefnyddir ar gyfer deunyddiau disgiau ffan Ti6/4 a geir ar draws cerbydlu peiriannau Rolls-Royce Trent. Cwblhawyd astudiaethau tebyg ar aloi disgiau cywasgu Ti 6246. Defnyddiodd y fath dechnegau wybodaeth fanwl am ryngweithiadau rhwng ymgripiad, lludded a'r amgylchedd a gafwyd drwy arbrofion manwl gywir, empirig yn labordai Abertawe. Rhagwelwyd y byddai lludded yn achosi craciau ac yn eu lledaenu ar sail nodweddion anffurfio yn yr aloi'n unig.

Mae'r gofynion ar gyfer peiriannau jetiau tyrbin nwy uwch yn parhau i newid er mwyn gwella effeithlonrwydd gweithredol drwy leihau pwysau a chynyddu tymereddau gweithredu. Mae hyn wedi 

arwain at ddatblygu deunyddiau tymheredd uchel newydd at y dibenion hyn. Fodd bynnag, mae'n rhaid meithrin dealltwriaeth sylfaenol o briodweddau ymgripiad cysylltiedig unrhyw ddeunydd sydd i'w ystyried. Gall fod yn ddrud asesu ymgripiad unrhyw ddeunydd newydd mewn modd traddodiadol o ganlyniad i swm cymharol fawr y deunydd sy'n ofynnol fel arfer, yn ogystal ag argaeledd cyfyngedig deunydd, sy'n rhwystr nodweddiadol wrth ddatblygu aloiau. Felly, mae hyn wedi arwain at ddefnyddio sawl techneg nodweddu ar raddfa fach i asesu ymgripiad, a phrawf ymgripiad pwnsh bach (SP) yn benodol.

Mae'r prawf SP yn ddull profi mecanyddol ar raddfa fach y gellir ei ddefnyddio i gasglu data am ymgripiad a thoriadau drwy fesurau cymharol fach o ddeunydd arbrofol. Ers dyfodiad y Côd Ymarfer ar gyfer Profion Pwnsh Bach yn 2006, rhoddwyd rhagor o sylw i ddangos bod modd cymharu data a gesglir drwy brofion pwnsh bach mewn labordai â'r hyn sy'n deillio o asesiadau ymgripiad unechelog confensiynol. Mae'r ymchwil bresennol yn canolbwyntio ar botensial profion pwnsh bach i fod yn ddull effeithiol ar gyfer graddio priodweddau ymgripiad a monotonig amrywolion aloi newydd a gynhyrchir drwy ddulliau gweithgynhyrchu uwch megis toddi pelydr electronau (EBM), dyddodi powdrau chwythedig a mowldio drwy chwistrellu metelau (MIM) lle gellir disgwyl ymatebion mecanyddol anisotropig o ganlyniad i ryngweithiadau rhwng prosesu a datblygu microadeileddau.

Ystyriwyd ers amser maith fod systemau seramig yn ddewisiadau amgen posib yn lle metelau at ddibenion tyrbinau nwy penodol oherwydd eu gallu gwell o ran tymereddau uchel a gostyngiadau sylweddol o ran dwysedd. Fodd bynnag, nid yw natur fregus sylfaenol deunydd seramig yn cefnogi dyluniadau sy'n goddef difrod na modelu 

cydrannau, sy'n ystyriaeth fawr ar gyfer rhannau sy'n hanfodol i ddiogelwch. Y dull dewisol a fabwysiadwyd i wella ymwrthedd i ddifrod, twf craciau a gwydnwch deunyddiau seramig fu eu prosesu ar ffurf cyfansoddion matrics seramig, h.y. gwreiddio ail gam atgyfnerthu seramig mewn matrics seramig. Mae ymchwil flaenorol yng Nghanolfan Dechnoleg Prifysgol Abertawe wedi asesu perfformiad mecanyddol silicon carbid wedi'i atgyfnerthu â ffeibr di-dor, a deunyddiau sy'n seiliedig ar alwmina ar dymereddau prawf hyd at 1400oC.

Mae'r ymchwil barhaus bellach yn canolbwyntio ar ddatblygu profion newydd i fonitro'r difrod a gronnir mewn cyfansoddion matrics seramig sy'n cael eu llwytho mewn modd sefydlog a chylchol, gan ddefnyddio delweddu digidol a thechnegau gostwng awtomataidd posib, a hynny'n rhan o strategaeth fyd-eang sylweddol i ddatblygu cydrannau cyfansoddion matrics seramig.

Mae'r profion pwnsh bach (SP) a'r profion pwnsh croeswasgu (ShP) yn ddulliau profi mecanyddol sydd wedi'u sefydlu. Fe'u defnyddiwyd mewn sawl sector diwydiannol i raddio deunyddiau ac amcangyfrif priodweddau mecanyddol, yn enwedig lle ceir rhwystrau i ddulliau mwy confensiynol. Mae dulliau o'r fath yn cael sylw cynyddol gan beirianwyr sy'n cydnabod y buddion sylweddol o ran costau a gynigir gan y methodolegau profi hyn, sy'n gwastraffu llawer llai o ddeunydd wrth weithgynhyrchu sbesimenau. Yn ogystal, gellir tynnu sbesimenau ar gyfer arbrofion SP ac ShP o gydrannau mwy i bennu dosbarthiad lleol o briodweddau, neu asesu oes weddilliol rhannau gwasanaeth. Gall y buddion hyn fod yn gyfyngedig wrth ddefnyddio darnau prawf ar raddfa fwy. 

Roedd y tîm yn y Sefydliad Deunyddiau Strwythurol ymysg y cyfranwyr allweddol at safoni'r prawf SP, a wnaed gan ISO ac ASTM yn 2020. Gellir defnyddio'r dull profi i gofnodi amserau rhwygo o ganlyniad i ymgripiad a data toriadau tynnol am amrywiaeth eang o systemau deunyddiau gwahanol. Yn fwy diweddar, mae amserau ymgripiad wedi cael eu hamcangyfrif drwy'r prawf, gan alluogi casgliad newydd o ymchwilwyr i fabwysiadu'r methodolegau profi hynny. Yn wir, mae nifer y cyhoeddiadau sy'n ymwneud ag ymchwil drwy gynnal profion ar raddfa fach yn cynyddu bob blwyddyn, ac mae labordai byd-eang niferus bellach yn defnyddio'r prawf SP i nodweddu deunyddiau at bob math o ddiben.