Μιλήστε για την εφαρμογή του κράματος τιτανίου σε κινητήρες αεροσκαφών

Μιλήστε για την εφαρμογή του κράματος τιτανίου σε κινητήρες αεροσκαφών

Στη δεκαετία του 1960, όταν το Ηνωμένο Βασίλειο κατασκεύαζε το παγκοσμίως διάσημο μαχητικό «Harrier» κάθετης απογείωσης και προσγείωσης «Harrier» P1127, ένα από τα πρωτότυπά του, το XP972, βρισκόταν σε δοκιμαστική πτήση στις 30 Οκτωβρίου 1962. κατά τη δοκιμαστική πτήση, η λεπίδα του συμπιεστή από κράμα τιτανίου στον κινητήρα Pegasus που χρησιμοποιήθηκε συγκρούστηκε με το περίβλημα από κράμα τιτανίου, με αποτέλεσμα ο συμπιεστής να πάρει φωτιά. (Αυτό το φαινόμενο της πυρκαγιάς ονομάζεται «πυρκαγιά τιτανίου»), με αποτέλεσμα ο κινητήρας να σβήσει και να σταματήσει, το αεροσκάφος συνετρίβη και ο πιλότος πέταξε με αλεξίπτωτο και διασώθηκε.

Λίγα χρόνια αργότερα, στα τέλη του 1960, όταν η Pratt & Whitney των Ηνωμένων Πολιτειών ανέπτυξε έναν κινητήρα F100 με αναλογία ώσης προς βάρος 8,0 για το μαχητικό τρίτης γενιάς F-15 , κατά τη διάρκεια της διαδικασίας θέσης σε λειτουργία, ένας κινητήρας συγκρούστηκε με τη λεπίδα από κράμα τιτανίου ενός συμπιεστή υψηλής πίεσης και το περίβλημα από κράμα τιτανίου κατά τη διάρκεια μιας δοκιμαστικής λειτουργίας στο έδαφος, με αποτέλεσμα ο συμπιεστής να πιάσει φωτιά ("φωτιά τιτανίου"), οι φλόγες εξαπλώθηκαν παντού , και τελικά ολόκληρος ο κινητήρας καταστράφηκε σε πυρκαγιά (Εικόνα 2).

Εικόνα 1. Το πρωτότυπο του αεροσκάφους «Harrier» συνετρίβη λόγω «φωτιάς τιτανίου» στον κινητήρα κατά τη διάρκεια της δοκιμαστικής πτήσης.

Αυτές οι δύο μεγάλες αστοχίες ήταν οι πρώτες αστοχίες στον κόσμο που προκάλεσαν φωτιά στο τιτάνιο λόγω της σύγκρουσης δύο εξαρτημάτων από κράμα τιτανίου, αλλά δεν ελήφθησαν σοβαρά υπόψη εκείνη τη στιγμή, έτσι ώστε αργότερα εμφανίστηκαν πολλές φορές σε πολλούς κινητήρες. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία το 1979, στα 17 χρόνια από το 1962 έως το 1979, υπήρξαν συνολικά 144 περιστατικά πυρκαγιάς τιτανίου σε κινητήρες αεροπορίας στις δυτικές χώρες, εκ των οποίων τα 59 κάηκαν μέσα από το περίβλημα του συμπιεστή.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1950, εμφανίστηκαν κράματα τιτανίου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κινητήρες αεροπορίας. Λόγω της ελαφρότητας αυτού του κράματος, το ειδικό του βάρος είναι 40 τοις εκατό χαμηλότερο από αυτό του κράματος χάλυβα (το ειδικό βάρος των δύο είναι 4,5 g/cm3 και 7,8 g/cm3, αντίστοιχα) και 50 τοις εκατό χαμηλότερο από το νικέλιο (το ειδικό Η βαρύτητα του νικελίου είναι 8 g/cm3), και έχει καλή αντοχή στη διάβρωση. Δεδομένου ότι οι αεροκινητήρες έχουν πολύ σημαντικό δείκτη-ελαφρότητα, τα κράματα τιτανίου υιοθετήθηκαν γρήγορα ευρέως στους αεροκινητήρες.

Εκείνη την εποχή, το κράμα τιτανίου χρησιμοποιήθηκε στο σχεδιασμό του κινητήρα για όσο διάστημα το επέτρεπαν οι συνθήκες θερμοκρασίας, συμπεριλαμβανομένων των λεπίδων εργασίας των ανεμιστήρων και των συμπιεστών, των τροχών ρουλέτας, των στατικών λεπίδων, του πλαισίου και των συσκευών στεγανοποίησης.

Ωστόσο, κατά τη χρήση, διαπιστώθηκε ότι λόγω τυχαίων μη φυσιολογικών συνθηκών κατά τη λειτουργία του κινητήρα, δύο εξαρτήματα τιτανίου (όπως λεπίδες εργασίας και στατικές λεπίδες, λεπίδες εργασίας και πλαίσιο) συγκρούστηκαν και γείωση. Υπό τις συνθήκες κατάλληλης περιβαλλοντικής πίεσης και θερμοκρασίας, θα δημιουργηθούν σπινθήρες και τα εξαρτήματα θα καούν. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται «φωτιά τιτανίου». Μόλις τα εξαρτήματα τιτανίου πιάσουν φωτιά, η διαδικασία καύσης αναπτύσσεται πολύ γρήγορα. Χρειάζονται μόνο λίγα δευτερόλεπτα για να καούν οι λεπίδες και το περίβλημα και ο βαθμός βλάβης είναι πολύ σοβαρός. Το σχήμα 3 δείχνει τα συντρίμμια της λεπίδας εργασίας που κάηκε από τη φωτιά τιτανίου.

Εικόνα 3. Η λεπίδα εργασίας του συμπιεστή κάηκε από φωτιά τιτανίου

Η φωτιά από τιτάνιο δεν εκδηλώθηκε μόνο μεταξύ του τιτανίου και των τμημάτων τιτανίου, αλλά και αφού η λεπίδα από τιτάνιο και το χαλύβδινο περίβλημα τρίψτηκαν σοβαρά, η λεπίδα τιτανίου κάηκε και η φλόγα έκαψε επίσης το περίβλημα από μια δακτυλιοειδή αυλάκωση, όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Στον κινητήρα, η πίεση ροής αέρα και η θερμοκρασία στα εξαρτήματα του ανεμιστήρα είναι χαμηλές, κάτι που δεν είναι εύκολο να παραχθεί φωτιά τιτανίου. Επομένως, αστοχίες που προκαλούνται από φωτιά τιτανίου σπάνια συμβαίνουν στον ανεμιστήρα.

Εικόνα 4. Το χαλύβδινο περίβλημα κάηκε από φωτιά τιτανίου και έλειπε ένα τόξο.

Τις δεκαετίες του 1970 και του 1980, μερικοί διάσημοι κινητήρες, ΟΠΩΣ οι PW4000 της Pratt & Whitney, οι CF6 και F404 της GE, οι RB211 της Βρετανικής Rolls-Royce και οι HK-8, HK- της πρώην Σοβιετικής Ένωσης, Д-{{8}, } και АИ-25 όλα είχαν αστοχίες πυρκαγιάς τιτανίου.

Σύμφωνα με τις σοβιετικές στατιστικές, μόνο μεταξύ 1977 και 1988, υπήρξαν περισσότερα από 30 περιστατικά πυρκαγιάς τιτανίου σε σοβιετικούς κινητήρες όπως HK－8, HK－86, D－30 και АИ-25. Ένα άλλο παράδειγμα είναι ο κινητήρας F404 που χρησιμοποιείται από τις Ηνωμένες Πολιτείες για το F/A-18 μαχητικό αεροσκάφος GE. Λόγω των λεπίδων εργασίας του συμπιεστή υψηλής πίεσης από κράμα τιτανίου, συγκρούστηκε με το περίβλημα από κράμα τιτανίου, με αποτέλεσμα το τιτάνιο να πάρει φωτιά. Η φλόγα όχι μόνο κάηκε μέσα από το περίβλημα του συμπιεστή υψηλής πίεσης, αλλά κάηκε και μέσα από το εξωτερικό περίβλημα του καλύμματος, με αποτέλεσμα ο κινητήρας να πάρει φωτιά και να κάψει το αεροσκάφος, με αποτέλεσμα το Ναυτικό των ΗΠΑ να χάσει 4 αεροσκάφη F/A-18 σε ένα χρόνο το 1987. Είναι επίσης ο κινητήρας CF{15}} της GE. Από το 1976, τα περιστατικά πυρκαγιάς τιτανίου συμβαίνουν συνεχώς και κορυφώνονται στα μέσα-1979. Σε ένα χρόνο σημειώθηκαν 14 περιστατικά πυρκαγιάς τιτανίου, με σοβαρές συνέπειες.

Στη συνέχεια, εκτός από τη λήψη μέτρων για την αποφυγή πυρκαγιάς τιτανίου στους κινητήρες που αναπτύχθηκαν πρόσφατα, τροποποιήθηκαν και τα σχέδια ορισμένων κινητήρων που χρησιμοποιούνται εδώ και πολλά χρόνια. Για παράδειγμα, ο κινητήρας F404 άλλαξε το περίβλημα υψηλής πίεσης πολλαπλών συμπιεστών του κράματος τιτανίου σε ένα περίβλημα από κράμα χάλυβα και ταυτόχρονα, το εξωτερικό περίβλημα του κράματος τιτανίου άλλαξε σε ένα ελαφρύτερου βάρους σύνθετο υλικό PMR15 υλικό. Μετά τη βελτίωση, το βάρος του κινητήρα αυξήθηκε κατά 0,5 κιλά.

Το CFM56, το οποίο είναι το αδελφό μοντέλο του F404 (οι μηχανές πυρήνα και των δύο κινητήρων έχουν αναπτυχθεί από τις μηχανές πυρήνα του F101 της GE), έχει επίσης βελτιωθεί ανάλογα. Το πλαίσιο του συμπιεστή υψηλής πίεσης CFM56 ήταν αρχικά κατασκευασμένο από κράμα τιτανίου. Προκειμένου να αποφευχθεί η σύγκρουση της λεπίδας εργασίας από κράμα τιτανίου με το σασί και η πρόκληση πυρκαγιάς από τιτάνιο, ένα σύνολο πολύπλοκων διαμερισμάτων πολλαπλών στρώσεων ανθεκτικών στη φθορά και πυράντοχων τιτανίου έχουν προστεθεί στον ιμάντα δακτυλίου της αντίστοιχης λεπίδας εργασίας. το σασί.

Αφού το F404 άλλαξε το περίβλημα τιτανίου σε κράμα χάλυβα, το 1978, το CFM56 άλλαξε επίσης το περίβλημα του συμπιεστή υψηλής πίεσης από κράμα τιτανίου σε κράμα χάλυβα. Ταυτόχρονα, το εξωτερικό περίβλημα του κράματος τιτανίου άλλαξε επίσης σε σύνθετο υλικό PMR15. Αυτή η βελτίωση μείωσε τον αριθμό των εξαρτημάτων του κινητήρα κατά 140 κομμάτια, αλλά το βάρος αυξήθηκε κατά 5,64 κιλά.

Στο αρχικό στάδιο των κινητήρων της σειράς CF6 της GE, το περίβλημα του συμπιεστή υψηλής πίεσης ήταν κατασκευασμένο από κράμα τιτανίου, αλλά από το 1979, αντ' αυτού χρησιμοποιήθηκε κράμα χάλυβα.

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 μοίρες), ο δακτύλιος σχάρας και ο δακτύλιος στεγανοποίησης έχουν αντικατασταθεί με κράμα χάλυβα.

Τα πτερύγια shizuko κατηγορίας 4-6 του συμπιεστή υψηλής πίεσης κινητήρα A4-25 κατασκευάζονταν αρχικά από κράμα τιτανίου, αλλά μετά τη δεκαετία του 1980, άλλαξαν από κράμα τιτανίου σε κράμα χάλυβα. Στην αρχική σχεδίαση του συμπιεστή υψηλής πίεσης για τον κινητήρα A30, εκτός από τον κράμα χάλυβα για τις στατικές λεπίδες 10ου σταδίου, το κράμα τιτανίου χρησιμοποιήθηκε για τις υπόλοιπες στατικές λεπίδες σε όλα τα επίπεδα. Στη δεκαετία του 1980, η 5η έως την 9η ομάδα στατικών λεπίδων και ο δακτύλιος του τυμπάνου μεταξύ των τροχών μετά το Στάδιο 4 έχουν αντικατασταθεί με κράμα χάλυβα. Ατσάλι.

Τα εξαρτήματα από κράμα τιτανίου θα έχουν ειδικές απαιτήσεις και στην επεξεργασία και την κατασκευή. Όταν η χώρα μας επεξεργάστηκε την πρώτη παρτίδα λεπίδων ανεμιστήρων από κράμα τιτανίου, αντιμετώπισε πρωτοφανείς αστοχίες επεξεργασίας.

Η τελευταία διαδικασία της λεπίδας του ανεμιστήρα είναι το γυάλισμα του σώματος της λεπίδας. Το λεγόμενο γυάλισμα είναι όταν οι λεπίδες τρίβονται μεταξύ τους σε έναν περιστρεφόμενο γυαλιστικό τροχό υψηλής ταχύτητας και η επιφάνεια των λεπίδων γυαλίζεται για να ικανοποιήσει όχι μόνο τις απαιτήσεις του σχεδιαστικού μεγέθους, αλλά και για να κάνει την επιφάνεια φωτεινή. Όταν η λεπίδα γυαλιστεί, η επιφάνεια της λεπίδας και ο τροχός λείανσης τρίβονται μεταξύ τους, γεγονός που θα παράγει μια μεγάλη ποσότητα φωτεινών ελατηρίων, τα οποία θα ψεκαστούν στο έδαφος σαν πυροτεχνήματα στον νυχτερινό ουρανό. Όταν γυαλιστεί η ατσάλινη λεπίδα, αυτά τα μαρσπιέ ψεκάζονται προς τα κάτω, ψύχονται από τον αέρα, αλλάζουν σταδιακά από κόκκινο σε γκρι και τελικά μετατρέπονται σε μαύρα τσιπς με χαμηλότερη θερμοκρασία, τα οποία δεν θα έχουν κακές επιπτώσεις στα επεξεργασμένα μέρη. Επομένως, στο εργαστήριο στίλβωσης λεπίδων, το κουτί εξαρτημάτων πολλαπλών διαμερισμάτων που περιέχει τις λεπίδες τοποθετείται γενικά κάτω από τον τροχό στίλβωσης. Οι λεπίδες που πρόκειται να γυαλιστούν και οι λεπίδες που έχουν γυαλιστεί εισάγονται στο χώρο όπου τοποθετούνται οι λεπίδες και το πάνω μέρος των λεπίδων δεν καλύπτεται με καπάκι.

Όταν επεξεργαστήκαμε την πρώτη παρτίδα λεπίδων ανεμιστήρων από κράμα τιτανίου, ακολουθήσαμε την παλιά πρακτική. Ως αποτέλεσμα, όταν τα πτερύγια του ανεμιστήρα στάλθηκαν στο τμήμα συναρμολόγησης εξαρτημάτων, διαπιστώσαμε ότι υπήρχαν πολλαπλά σημεία αφαίρεσης στην επιφάνεια πολλών λεπίδων, κάτι που ήταν αινιγματικό. Μετά από προσεκτική ανάλυση και έλεγχο, το μυστήριο ανακαλύφθηκε.

Αποδεικνύεται ότι όταν γυαλίζονται οι λεπίδες από κράμα τιτανίου, ο έρης που παράγεται από τα ρινίσματα, κατά τη διαδικασία της πτώσης, απορροφά συνεχώς οξυγόνο από τον αέρα, κάνοντας τον Άρη όλο και μεγαλύτερο και η θερμοκρασία είναι υψηλότερη. Όταν αυτά τα έλη υψηλής θερμοκρασίας πιτσιλίζουν στην επιφάνεια των λεπίδων που εισάγονται στο κιβώτιο εξαρτημάτων, προκαλούνται ορισμένα σημεία αφαίρεσης. Αφού διαπιστώθηκε η αιτία, τοποθετήθηκε ένα καπάκι στο κιβώτιο εξαρτημάτων όπου τοποθετήθηκαν οι λεπίδες, το οποίο έλυσε αυτό το σημαντικό πρόβλημα.