Parliamo dell'applicazione della lega di titanio nei motori degli aerei

Feb 07, 2022

Negli anni '60, quando il Regno Unito stava sviluppando il caccia P1127 "Harrier", famoso in tutto il mondo, a colpo singolo, con decollo e atterraggio verticale, uno dei suoi prototipi, l'XP972, era su un volo di prova il 30 ottobre 1962. Durante Durante il volo di prova, la pala del compressore in lega di titanio nel motore Pegasus utilizzato è entrata in collisione con l'involucro in lega di titanio, provocando l'incendio del compressore. (Questo fenomeno di incendio è chiamato "fuoco di titanio"), causando l'accensione irregolare e l'arresto del motore, l'aereo si è schiantato e il pilota è stato paracadutato e salvato con successo.

Pochi anni dopo, alla fine degli anni 1960, quando Pratt & Whitney degli Stati Uniti sviluppò un motore F100 con un rapporto spinta/peso di 8,0 per il caccia di terza generazione F-15 , durante il processo di messa in servizio, un motore è entrato in collisione con la pala in lega di titanio di un compressore ad alta pressione e l'involucro in lega di titanio durante una corsa di prova a terra, provocando l'incendio del compressore ("Titanium fire"), le fiamme si sono propagate ovunque , e alla fine l'intero motore è andato distrutto in un incendio (Figura 2).

Figura 1. Il prototipo dell'aereo "Harrier" si è schiantato a causa di un "incendio di titanio" nel motore durante il volo di prova.

Questi due grandi guasti furono i primi guasti al mondo che causarono l'incendio del titanio a causa della collisione di due parti in lega di titanio, ma all'epoca non furono presi sul serio, tanto che in seguito apparvero molte volte in molti motori. Secondo le statistiche nel 1979, nei 17 anni dal 1962 al 1979, ci sono stati un totale di 144 incendi di titanio nei motori dell'aviazione nei paesi occidentali, di cui 59 bruciati attraverso l'involucro del compressore.

Alla fine degli anni '50 apparvero le leghe di titanio che possono essere utilizzate nei motori aeronautici. A causa della leggerezza di questa lega, il suo peso specifico è inferiore del 40% a quello dell'acciaio legato (il peso specifico dei due è rispettivamente di 4,5 g/cm3 e 7,8 g/cm3) e del 50% inferiore a quello del nichel (il peso specifico la gravità del nichel è 8g/cm3) e ha una buona resistenza alla corrosione. Poiché i motori aeronautici hanno un indicatore di leggerezza molto importante, le leghe di titanio sono state rapidamente ampiamente adottate nei motori aeronautici.

A quel tempo, la lega di titanio veniva utilizzata nella progettazione del motore fintanto che le condizioni di temperatura lo consentivano, comprese le pale funzionanti di ventilatori e compressori, ruote della roulette, pale statiche, telaio e dispositivi di tenuta.

Tuttavia, durante l'uso, si è riscontrato che a causa di condizioni anormali accidentali durante il funzionamento del motore, due parti in titanio (come lame funzionanti e lame statiche, lame funzionanti e telaio) si sono scontrate e si sono macinate. Nelle condizioni di pressione e temperatura ambientali adeguate, si genereranno scintille e le parti bruceranno. Questo fenomeno è chiamato "fuoco di titanio". Una volta che le parti in titanio prendono fuoco, il processo di combustione si sviluppa molto rapidamente. Bastano pochi secondi per bruciare le lame e l'involucro e il grado di danno è molto grave. La figura 3 mostra il relitto della lama funzionante bruciata dal fuoco del titanio.

Figura 3. La pala funzionante del compressore bruciata dal fuoco del titanio

L'incendio del titanio non si è verificato solo tra il titanio e le parti in titanio, ma anche dopo che la lama in titanio e l'involucro in acciaio sono stati fortemente strofinati, la lama in titanio è bruciata e la fiamma ha anche bruciato l'involucro da una scanalatura anulare, come mostrato nella Figura 4. Nel motore, la pressione e la temperatura del flusso d'aria nei componenti della ventola sono basse, il che non è facile da produrre fuoco al titanio. Pertanto, i guasti causati dal fuoco del titanio si verificano raramente nella ventola.

Figura 4. L'involucro in acciaio è stato bruciato dal fuoco del titanio e mancava un arco.

Negli anni '70 e '80, alcuni motori famosi, COME PW4000 di Pratt & Whitney, CF6 e F404 di GE, RB211 di British Rolls－Royce e HK－8, HK－86, Д{{8} dell'ex Unione Sovietica } e АИ-25 tutti HAD fallimenti di incendio al titanio.

Secondo le statistiche sovietiche, solo tra il 1977 e il 1988, ci sono stati più di 30 incendi di titanio su motori sovietici come HK－8, HK－86, Д－30 e АИ-25. Un altro esempio è il motore F404 utilizzato dagli Stati Uniti per il caccia basato su portaerei F/A-18 GE. A causa delle lame funzionanti del compressore ad alta pressione in lega di titanio, è entrato in collisione con l'involucro in lega di titanio, provocando l'incendio del titanio. La fiamma non solo ha bruciato l'involucro del compressore ad alta pressione, ma ha anche bruciato l'involucro del coperchio esterno, facendo prendere fuoco al motore e bruciando l'aereo, causando la perdita di 4 aerei F/A-18 della Marina degli Stati Uniti in un anno nel 1987. È anche il motore CF-6 di GE. Dal 1976, gli incendi di titanio si sono verificati ininterrottamente e hanno raggiunto un picco a metà-1979. Ci sono stati 14 incendi di titanio in un anno, con gravi conseguenze.

Successivamente, oltre ad adottare misure per prevenire l'incendio del titanio nei motori di nuova concezione, sono stati modificati anche i progetti di alcuni motori in uso da molti anni. Ad esempio, il motore F404 ha sostituito l'involucro multi-compressore ad alta pressione in lega di titanio con un involucro in acciaio legato e, allo stesso tempo, l'involucro esterno in lega di titanio è stato sostituito con un composito PMR15 più leggero Materiale. Dopo il miglioramento, il peso del motore è aumentato di 0,5 kg.

Anche il CFM56, che è il modello gemello dell'F404 (le macchine principali di entrambi i motori sono sviluppate dalle macchine principali dell'F101 di GE), è stato migliorato di conseguenza. Il telaio del compressore ad alta pressione CFM56 era originariamente realizzato in lega di titanio. Per evitare che la lama di lavoro in lega di titanio entri in collisione con il telaio e provochi l'incendio del titanio, è stata aggiunta una serie di compartimenti multistrato resistenti all'usura e al fuoco di titanio molto complessi alla cintura ad anello della corrispondente lama di lavoro in il telaio.

Dopo che F404 ha cambiato l'involucro in titanio in acciaio legato, nel 1978, CFM56 ha anche cambiato l'involucro del compressore ad alta pressione dalla lega di titanio all'acciaio legato. Allo stesso tempo, anche l'involucro esterno della lega di titanio è stato cambiato in materiale composito PMR15. Questo miglioramento ha ridotto il numero di parti del motore di 140 pezzi, ma il peso è aumentato di 5,64 kg.

Nella fase iniziale dei motori della serie CF6 di GE, l'involucro del compressore ad alta pressione era realizzato in lega di titanio, ma dal 1979 è stato utilizzato l'acciaio legato.

Many engines in the Soviet Union also changed their titanium alloy parts materials to alloy steel a few years after they were put into use. For example, the grade 6 working blades and static blades of the high－pressure compressor of the HK-8 engine were originally all made of titanium alloy, but since 1987, the Grade 4 to 6 static blades (operating temperature exceeds 300℃) have been replaced with alloy steel. In the original design of the HK－86 engine, the 6-stage working blades and static blades, grate ring and static sealing ring of the high-pressure compressor were all made of titanium alloy, but since 1981, 4 to 6 sets of static blades (operating temperature>300 gradi), l'anello della griglia e l'anello di tenuta sono stati tutti sostituiti con acciaio legato.

Le lame shizuko di grado 4-6 del compressore ad alta pressione del motore A4－25 erano originariamente realizzate in lega di titanio, ma dopo gli anni '80 sono state modificate dalla lega di titanio all'acciaio legato. Nel progetto originale del compressore ad alta pressione per il motore A30, ad eccezione dell'acciaio legato per le pale statiche del 10° stadio, la lega di titanio è stata utilizzata per il resto delle pale statiche a tutti i livelli. Negli anni '80, i gruppi dal 5° al 9° di lame statiche e l'anello del tamburo tra le ruote dopo la Fase 4 sono stati tutti sostituiti con acciaio legato. Acciaio.

Anche le parti in lega di titanio avranno requisiti speciali nella lavorazione e nella produzione. Quando il nostro paese ha elaborato il primo lotto di pale del ventilatore in lega di titanio, ha riscontrato errori di elaborazione senza precedenti.

L'ultimo processo della pala del ventilatore è la lucidatura del corpo della pala. La cosiddetta lucidatura è quando le lame si sfregano l'una contro l'altra su una mola rotante ad alta velocità e la superficie delle lame viene lucidata non solo per soddisfare i requisiti delle dimensioni del progetto, ma anche per rendere la superficie lucida. Quando la lama è lucidata, la superficie della lama e la mola sfregano l'una contro l'altra, il che produrrà una grande quantità di marte luminose, che verranno spruzzate sul terreno come fuochi d'artificio nel cielo notturno. Quando la lama d'acciaio è lucidata, questi mars vengono spruzzati verso il basso, raffreddati dall'aria, passano gradualmente dal rosso al grigio e infine si trasformano in trucioli neri a temperatura più bassa, che non avranno effetti negativi sulle parti lavorate. Pertanto, nell'officina di lucidatura delle lame, la scatola multiscomparto contenente le lame è generalmente posizionata sotto la mola lucidante. Le lame che stanno per essere lucidate e le lame che sono state lucidate sono inserite nello spazio in cui sono installate le lame e la parte superiore delle lame non è coperta da un coperchio.

Quando abbiamo elaborato il primo lotto di pale del ventilatore in lega di titanio, abbiamo seguito la vecchia pratica. Di conseguenza, quando le pale della ventola sono state inviate alla sezione di assemblaggio dei componenti, abbiamo scoperto che c'erano più punti di ablazione sulla superficie di molte pale, il che era sconcertante. Dopo un'attenta analisi e ispezione, il mistero è stato scoperto.

Si scopre che quando le lame in lega di titanio vengono lucidate, il mars prodotto dai trucioli, durante il processo di caduta, assorbe continuamente ossigeno dall'aria, rendendo il mars sempre più grande e la temperatura è più alta. Quando queste marte ad alta temperatura schizzano sulla superficie delle lame inserite nella scatola delle parti, si provocano dei punti di ablazione. Dopo che la causa è stata trovata, è stato installato un coperchio sulla scatola delle parti in cui erano installate le lame, che ha risolto questo grave problema.