Κράματα τιτανίου σε κινητήρες αεροσκαφών: Εφαρμογές ανεμιστήρα και συμπιεστή και επιλογή βαθμού

Γιατί το τιτάνιο έχει σημασία στους κινητήρες αεροσκαφών

Ένας κινητήρας είναι αυτό που δίνει σε ένα αεροσκάφος την ώθησή του και τα υλικά που επιλέγονται για αυτόν τον κινητήρα καθορίζουν πόση ώση μπορεί να παραχθεί για ένα δεδομένο βάρος. Ο χάλυβας παραμένει απαραίτητος, αλλά ένας σύγχρονος κινητήρας βασίζεται επίσης σε κράματα αλουμινίου, κράματα τιτανίου, σύνθετα υλικά και κράματα υψηλής{1} θερμοκρασίας. Καθώς το τιτάνιο βελτιώθηκε στην απόδοση και μειώθηκε στο κόστος, το μερίδιό του στη μάζα του κινητήρα αυξάνεται χρόνο με το χρόνο και η ποσότητα που χρησιμοποιείται ποικίλλει σημαντικά μεταξύ χωρών, κατασκευαστών, μοντέλων κινητήρων και μεμονωμένων σχεδίων.

Οι κινητήρες τζετ είναι η κύρια εφαρμογή του τιτανίου. Για έναν κατασκευαστή κινητήρων των Ηνωμένων Πολιτειών, τα εξαρτήματα από κράμα τιτανίου αποτελούν το 7% έως 18% της καθαρής μάζας ενός κινητήρα, ενώ ένας πρώιμος turbojet των ΗΠΑ της δεκαετίας του 1950 χρησιμοποιούσε περίπου 6% τιτάνιο.

Περιεχόμενο τιτανίου σε κινητήρες αεριωθουμένων

Σε έναν ευρέως χρησιμοποιούμενο turbojet των ΗΠΑ, ο ρότορας 17 σταδίων ήταν αρχικά κατασκευασμένος από ανοξείδωτο χάλυβα και αργότερα άλλαξε σε δίσκο 11 σταδίων από κράμα τιτανίου. Μια μεταγενέστερη έκδοση αυτού του κινητήρα χρησιμοποιούσε κράμα τιτανίου κατά 20% κατά μάζα, έναντι μόνο 4% στην προηγούμενη έκδοση – μια πενταπλάσια αύξηση που επιτεύχθηκε κυρίως με την αντικατάσταση εξαρτημάτων από χάλυβα στον συμπιεστή.

Η κατεύθυνση του ταξιδιού είναι η ίδια σε ολόκληρο τον κλάδο: καθώς οι θερμοκρασίες εξόδου του συμπιεστή αυξάνονται και καθώς οι σχεδιαστές πιέζουν για χαμηλότερο βάρος κινητήρα, μεγαλύτερο μέρος του περιστρεφόμενου και στατικού υλικού μετατρέπεται από χάλυβα σε κράμα τιτανίου.

Κράματα ανεμιστήρων και συμπιεστών σε μεγάλους στροβιλοανεμιστήρες

Σε έναν πρώιμο κινητήρα turbofan των ΗΠΑ, τα πτερύγια του ανεμιστήρα του συμπιεστή χαμηλής-πίεσης, μαζί με τους αποστάτες και τη βαλβίδα ανεμιστήρα, είναι κατασκευασμένα από Ti-6Al-4V. Αυτά τα πτερύγια ανεμιστήρα έχουν μήκος 406 mm, περίπου διπλάσιο από το μήκος των πτερυγίων του συμπιεστή. Σε ένα μεταγενέστερο στροβιλοανεμιστήρα υψηλής παράκαμψης από τον ίδιο κατασκευαστή, τα πτερύγια του ανεμιστήρα έχουν μήκος 711 mm, σχεδόν δέκα φορές το μήκος των πτερυγίων του συμπιεστή. Το κράμα τιτανίου αντιπροσωπεύει το 28% της μάζας αυτού του κινητήρα, περίπου 1.035 τόνους, εκ των οποίων τα 46 πτερύγια ανεμιστήρα είναι κατασκευασμένα από Ti-6Al-4V.

Ο ρότορας του συμπιεστή χαμηλής-πίεσης και η ένατη βαθμίδα ενός συμπιεστή υψηλής πίεσης 11- σταδίων είναι κατασκευασμένοι από Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1Mo-1V και Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Το τελευταίο από αυτά αντέχει το σέρβις στις 480 μοίρες και 450 κιλά χρησιμοποιούνται στον κινητήρα. Τα πτερύγια στάτορα είναι κατασκευασμένα από κράμα Ti-5Al-2.5Sn.

Σε έναν κινητήρα που αναπτύχθηκε από κοινού από πολλές χώρες, βάρους 2,2 τόνων, το τιτάνιο αντιπροσωπεύει το 31% της μάζας. Σε έναν συμπιεστή υψηλής

Ταίριασμα κράματος με σταθμό κινητήρα

Η θερμοκρασία αυξάνεται σταδιακά μέσω ενός συμπιεστή, επομένως η επιλογή κράματος ακολουθεί τον χάρτη θερμοκρασίας και όχι το όνομα του εξαρτήματος. Τα κράματα τιτανίου όπως το Ti-6Al-4V χρησιμοποιούνται όπου οι θερμοκρασίες παραμένουν μέτριες, κοντά σε βαθμούς άλφα, όπως Ti{10}}6Al-2Sn-4Zr-2Mo στα πιο θερμά πίσω στάδια του συμπιεστή υψηλής πίεσης, και οι βαθμοί ερπυσμού για τον συμπιεστή υψηλής πίεσης. υψηλή θερμοκρασία με παρατεταμένο φορτίο. Όπου η θερμοκρασία υπερβαίνει το ωφέλιμο εύρος του τιτανίου, τα κράματα ή τα σύνθετα υλικά υψηλής θερμοκρασίας κυριαρχούν και αυτή η θερμοκρασία μετάβασης είναι μία από τις βασικές σχεδιαστικές αποφάσεις του κινητήρα.

Οι πρακτικές συνέπειες για έναν προμηθευτή τιτανίου είναι οι ίδιες σε κάθε περίπτωση: η ποιότητα κράματος, η κατάσταση θερμικής{{0}επεξεργασίας, η μικροδομή και το επίπεδο ποιότητας υπερήχων πρέπει όλα να ταιριάζουν με τις προδιαγραφές του συγκεκριμένου σταθμού, επειδή ένα πτερύγιο ανεμιστήρα, ένας δίσκος και ένα πτερύγιο στάτορα είναι σφυρηλατημένα και επιθεωρούνται με διαφορετικές απαιτήσεις, ακόμη και όταν είναι κατασκευασμένα της ίδιας ποιότητας.

Συχνές Ερωτήσεις

Ε: Τι μερίδιο ενός κινητήρα αεριωθουμένων είναι το τιτάνιο;
Για έναν κατασκευαστή κινητήρων στις ΗΠΑ, τα ανταλλακτικά από κράμα τιτανίου αντιπροσωπεύουν το 7% έως 18% της καθαρής μάζας ενός κινητήρα, οι πρώιμοι στροβιλοκινητήρες που χρησιμοποιούνται περίπου το 6%, ένας μεγάλος στροβιλοκινητήρας υψηλής-παράκαμψης χρησιμοποιεί περίπου το 28% και ένας από κοινού αναπτυγμένος κινητήρας 2,2 τόνων φτάνει το 31%.

Ε: Ποιο κράμα τιτανίου χρησιμοποιείται περισσότερο σε κινητήρες αεροσκαφών;
Το Ti-6Al-4V είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος βαθμός, που εφαρμόζεται σε πτερύγια ανεμιστήρα, αποστάτες και ρότορες συμπιεστών χαμηλής και υψηλής πίεσης.

Ε: Γιατί τα πτερύγια του ανεμιστήρα είναι τόσο μακρύτερα από τα πτερύγια του συμπιεστή;
Επειδή ο ανεμιστήρας σαρώνει έναν πολύ μεγαλύτερο δακτύλιο. Στους κινητήρες που περιγράφονται εδώ, τα πτερύγια του ανεμιστήρα έχουν μήκος 406 mm και 711 mm, περίπου δύο και σχεδόν δέκα φορές το μήκος του πτερυγίου του συμπιεστή αντίστοιχα.

Ε: Ποιο είναι το όριο θερμοκρασίας λειτουργίας του τιτανίου σε έναν συμπιεστή;
Ένας σχεδόν-άλφα βαθμός όπως το Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo μπορεί να αντέξει περίπου 480 μοίρες , γι' αυτό και χρησιμοποιείται για τα θερμότερα στάδια συμπιεστή υψηλής πίεσης.

Ε: Γιατί χρησιμοποιείται ένα κράμα τιτανίου-που φέρει πυρίτιο σε ορισμένους συμπιεστές;
Οι βαθμοί του τύπου Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si προσφέρουν υψηλή αντίσταση ερπυσμού, επομένως επιλέγονται για τα στάδια 3 έως 6 του συμπιεστή υψηλής πίεσης όπου η θερμοκρασία και το φορτίο είναι και τα δύο υψηλά.

Ε: Ποιο κράμα τιτανίου χρησιμοποιείται για πτερύγια στάτορα;
Το Ti-5Al-2.5Sn χρησιμοποιείται για στατικό υλικό, όπως πτερύγια στάτορα, όπου η διαστατική και η μεταλλουργική σταθερότητα έχουν μεγαλύτερη σημασία από την αντοχή αιχμής.