地特四等申論題
110年
[機械工程] 機械製造學概要
第 一 題
請繪圖並說明製作渦輪機單晶葉片(single-crystal blade)的原理與程序。(20分)
📝 此題為申論題
思路引導 VIP
看到「單晶葉片」，首先想到其工程目的是「消除晶界以抵抗高溫潛變(Creep)」。核心製程為「包模鑄造」搭配「定向凝固(Directional Solidification)」，解題時必須點出「螺旋選晶器(Pigtail selector)」與「冷卻盤(Chill plate)」的溫度梯度控制原理，並輔以層次分明的步驟與圖面結構說明。
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【破題】 單晶葉片（Single-crystal blade）在物理定義上是指整個金屬工件由單一個晶粒構成，內部完全無晶界（Grain boundary）存在。其工程意義在於消除了高溫環境下晶界容易發生滑移與潛變（Creep）破壞的弱點，能大幅提高航太發動機或燃氣渦輪機的工作溫度與熱效率。 【圖示繪製指引】
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渦輪機單晶葉片製程
💡 利用定向凝固與幾何選晶器消除晶界，提升材料高溫潛變抗力。
🔗 單晶葉片製造流程
- 1 包模製殼 — 製作蠟模、浸漿淋砂乾燥形成陶瓷殼模。
- 2 真空澆注 — 在真空感應爐中將熔融合金澆入預熱殼模。
- 3 螺旋選晶 — 起始塊產生多個晶粒，僅單一晶粒通過螺旋通道。
- 4 定向凝固 — 緩慢拉出加熱區，使單晶由下而上平穩生長。
- 5 後處理 — 脫模、切除選晶器並進行固溶化熱處理。
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🔄 延伸學習：延伸學習：了解 [001] 取向對單晶葉片抗熱疲勞性能的影響。
