Розповідь про застосування титанового сплаву в авіаційних двигунах

Feb 07, 2022

У 1960-х роках, коли Велика Британія розробляла всесвітньо відомий однозарядний винищувач P1127 з вертикальним зльотом і посадкою «Харріер», один із його прототипів, XP972, був у випробувальному польоті 30 жовтня 1962 року. Під час випробувального польоту лопатка компресора з титанового сплаву двигуна Pegasus зіткнулася з корпусом із титанового сплаву, в результаті чого компресор загорівся. (Це явище вогню називається «титановий вогонь»), в результаті чого двигун дав осічку і зупинився, літак розбився, а пілот був успішно десантований на парашуті та врятований.

Кілька років потому, наприкінці 1960, коли компанія Pratt & Whitney зі Сполучених Штатів розробила двигун F100 із співвідношенням тяги до ваги 8,0 для винищувача третього покоління F-15 , під час процесу введення в експлуатацію двигун зіткнувся з лопаттю з титанового сплаву компресора високого тиску та корпусом із титанового сплаву під час випробувального запуску на землі, в результаті чого компресор загорівся («Пожежа титану»), полум’я поширилося всюди , і зрештою весь двигун був знищений у вогні (рис. 2).

Малюнок 1. Прототип літака "Харрієр" розбився через "загорання титану" в двигуні під час випробувального польоту.

Ці дві серйозні несправності були найпершими у світі несправностями, які спричинили загоряння титану через зіткнення двох частин із титанового сплаву, але в той час їх не сприймали серйозно, тому вони згодом багато разів з’являлися в багатьох двигунах. Згідно зі статистичними даними 1979 року, за 17 років з 1962 по 1979 рік у західних країнах було загалом 144 випадки загоряння титану в авіаційних двигунах, з яких 59 прогоріли через корпус компресора.

Наприкінці 1950-х років з'явилися титанові сплави, які можна використовувати в авіаційних двигунах. Через легкість цього сплаву його питома вага на 40 відсотків нижча, ніж у легованої сталі (питома вага обох становить 4,5 г/см3 і 7,8 г/см3 відповідно), і на 50 відсотків нижча, ніж у нікелю (питома щільність нікелю становить 8 г/см3), і він має хорошу стійкість до корозії. Оскільки авіаційні двигуни мають дуже важливий показник - легкість, титанові сплави швидко широко застосовуються в авіаційних двигунах.

У той час титановий сплав використовувався в конструкції двигуна, доки дозволяли температурні умови, включаючи робочі лопаті вентиляторів і компресорів, колеса рулетки, статичні лопаті, шасі та ущільнювальні пристрої.

Однак під час використання було виявлено, що через випадкові ненормальні умови під час роботи двигуна дві титанові частини (такі як робочі лопаті та статичні лопаті, робочі лопаті та шасі) зіткнулися та зачепили. За умов відповідного тиску та температури навколишнього середовища утворюватимуться іскри, а деталі горітимуть. Це явище називається «титановий вогонь». Коли титанові частини загоряються, процес горіння розвивається дуже швидко. Щоб спалити леза та корпус, потрібно лише кілька секунд, а ступінь шкоди дуже серйозний. На малюнку 3 показані уламки робочої лопаті, обпалені вогнем титану.

Малюнок 3. Робоча лопатка компресора, обпалена вогнем титану

Пожежа титану виникла не лише між титаном і титановими деталями, але й після того, як титанове лезо та сталевий кожух були сильно потерті, титанове лезо згоріло, а полум’я також спалило кожух із кільцевої канавки, як показано на малюнку 4. У двигуні тиск повітряного потоку та температура в компонентах вентилятора низькі, що нелегко виробляти титановий вогонь. Тому поломки, викликані займанням титану, у вентиляторі виникають рідко.

Малюнок 4. Сталевий корпус обпалений вогнем титану, дуга відсутня.

У 1970-х і 1980-х роках деякі відомі двигуни, ТАКИЕ як PW4000 від Pratt & Whitney, CF6 і F404 від GE, RB211 від британського Rolls－Royce і HK－8, HK－86, Д{{8} від колишнього Радянського Союзу. } та АІ-25 всі МАЛИ пожежні невдачі титану.

Згідно з радянською статистикою, лише з 1977 по 1988 рік було понад 30 випадків загоряння титану на радянських двигунах, таких як HK－8, HK－86, Д－30 і АИ-25. Іншим прикладом є двигун F404, який використовується Сполученими Штатами для палубного винищувача F/A-18 GE. Через робочі лопаті компресора високого тиску з титанового сплаву він зіткнувся з корпусом із титанового сплаву, в результаті чого титан загорівся. Полум’я прогоріло не лише кожух компресора високого тиску, але й зовнішній кожух кришки, спричинивши загоряння двигуна та згоряння літака, внаслідок чого ВМС США втратили 4 літаки F/A-18 за один рік у 1987 році. Це також двигун GE CF-6. З 1976 року пожежі титану відбувалися безперервно та досягли піку в середині-1979. За рік сталося 14 пожеж титану з серйозними наслідками.

Згодом, на додаток до вжиття заходів щодо запобігання займанню титану в нещодавно розроблених двигунах, конструкції деяких двигунів, які використовувалися протягом багатьох років, також були змінені. Наприклад, двигун F404 замінив корпус мультикомпресора високого тиску з титанового сплаву на корпус із легованої сталі, і в той же час зовнішній корпус із титанового сплаву було замінено на легший композит PMR15 матеріал. Після доопрацювання маса двигуна збільшилася на 0,5 кг.

CFM56, яка є спорідненою моделлю F404 (базові машини обох двигунів розроблені на основі базових машин F101 GE), також були відповідно вдосконалені. Корпус компресора високого тиску CFM56 спочатку виготовлявся з титанового сплаву. Щоб запобігти зіткненню робочої лопаті з титанового сплаву з шасі та спричиненню займання титану, набір дуже складних зносостійких і титанових вогнестійких багатошарових відсіків додано до кільцевого ременя відповідної робочої лопаті в шасі.

Після того, як F404 змінив титановий корпус на леговану сталь, у 1978 році CFM56 також змінив корпус компресора високого тиску з титанового сплаву на леговану сталь. У той же час зовнішній корпус з титанового сплаву також був замінений на композитний матеріал PMR15. Це вдосконалення дозволило зменшити кількість деталей двигуна на 140 штук, але вага збільшилася на 5,64 кг.

На початковому етапі двигунів GE серії CF6 корпус компресора високого тиску виготовлявся з титанового сплаву, але з 1979 року замість нього використовується легована сталь.

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 градусів), решітка та ущільнювальне кільце були замінені на леговану сталь.

Лопаті марки 4-6 shizuko компресора високого тиску двигуна A4－25 спочатку виготовлялися з титанового сплаву, але після 1980-х років вони були замінені з титанового сплаву на леговану сталь. У оригінальній конструкції компресора високого тиску для двигуна A30, за винятком легованої сталі для статичних лопатей 10-го ступеня, для решти статичних лопатей на всіх рівнях використовувався титановий сплав. У 1980-х роках 5-9 групи статичних лопатей і барабанне кільце між колесами після етапу 4 були замінені на леговану сталь. сталь.

Деталі з титанового сплаву також будуть мати особливі вимоги в обробці та виробництві. Коли наша країна обробила першу партію лопатей вентилятора з титанового сплаву, вона зіткнулася з безпрецедентними помилками обробки.

Останнім процесом лопаті вентилятора є полірування корпусу лопаті. Так зване полірування - це коли леза труться одне об одне на високошвидкісному обертовому полірувальному колесі, а поверхня лез полірується, щоб не тільки відповідати вимогам проектного розміру, але й зробити поверхню яскравою. Коли лезо відполіровано, поверхня леза та шліфувального круга терться одна об одну, що призведе до появи великої кількості сяючого Марсу, який розпорошиться на землю, як феєрверк у нічному небі. Коли сталеве лезо полірується, ці марси розбризкуються вниз, охолоджуються повітрям, поступово змінюються з червоного на сірий і, нарешті, перетворюються на чорну стружку з нижчою температурою, яка не матиме жодного поганого впливу на оброблені частини. Тому в цеху полірування лез багатокамерний ящик для деталей, що містить леза, зазвичай розміщують під полірувальним кругом. Леза, які збираються полірувати, і леза, які були відполіровані, вставляються в простір, де встановлені леза, а верхня частина лез не накривається кришкою.

Коли ми обробили першу партію лопатей вентилятора з титанового сплаву, ми дотримувалися старої практики. У результаті, коли лопаті вентилятора відправили в секцію складання компонентів, ми виявили, що на поверхні багатьох лопатей є кілька точок абляції, що викликало здивування. Після ретельного аналізу та огляду таємницю було відкрито.

Виявляється, коли леза з титанового сплаву відполіровані, Марс, утворений стружкою, під час процесу падіння постійно поглинає кисень з повітря, роблячи Марс все більшим і більшим, а температура – вищою. Коли ці високотемпературні бризки Марса потрапляють на поверхню лопатей, вставлених у коробку для деталей, виникають деякі точки абляції. Після того, як було знайдено причину, на коробку з деталями, де були встановлені леза, було встановлено кришку, що вирішило цю серйозну проблему.