Snacka om tillämpningen av titanlegering i flygplansmotorer

Feb 07, 2022

På 1960-talet, när Storbritannien utvecklade det världsberömda, enskotts, vertikala start- och landningsflygplanet "Harrier" P1127, var en av dess prototyper, XP972, på en testflygning den 30 oktober 1962. Under testflygningen kolliderade kompressorbladet av titanlegering i Pegasus-motorn med höljet av titanlegering, vilket fick kompressorn att fatta eld. (Detta brandfenomen kallas "titanbrand"), vilket gjorde att motorn misslyckades och stannade, flygplanet kraschade och piloten lyckades hoppa fallskärm och räddas.

Några år senare, i slutet av 1960-talet, när Pratt & Whitney från USA utvecklade en F100-motor med ett dragkraft-till-vikt-förhållande på 8,0 för tredje generationens fighter F-15 , under idrifttagningsprocessen kolliderade en motor med titanlegeringsbladet på en högtryckskompressor och titanlegeringshöljet under en testkörning på marken, vilket fick kompressorn att fatta eld ("Titaniumbrand"), lågorna spred sig överallt , och så småningom förstördes hela motorn i en brand (Figur 2).

Figur 1. Prototypen av "Harrier"-flygplanet kraschade på grund av en "titanbrand" i motorn under testflygningen.

Dessa två stora misslyckanden var de tidigaste felen i världen som fick titan att fatta eld på grund av kollisionen mellan två titanlegeringsdelar, men de togs inte på allvar vid den tiden, så att de senare dök upp många gånger i många motorer. Enligt statistik 1979 inträffade under de 17 åren från 1962 till 1979 totalt 144 titanbränder i flygmotorer i västländer, varav 59 brann genom kompressorhöljet.

I slutet av 1950-talet dök titanlegeringar upp som kan användas i flygmotorer. På grund av lättheten hos denna legering är dess specifika vikt 40 procent lägre än för legerat stål (den specifika vikten för de två är 4,5 g/cm3 respektive 7,8 g/cm3) och 50 procent lägre än nickel (den specifika vikten för de två är 4,5 g/cm3 respektive 7,8 g/cm3) tyngdkraften hos nickel är 8g/cm3), och den har god korrosionsbeständighet. Eftersom flygmotorer har en mycket viktig indikator-lätthet, har titanlegeringar snabbt blivit allmänt antagna i flygmotorer.

På den tiden användes titanlegering i motordesign så länge temperaturförhållandena tillät, inklusive arbetsbladen på fläktar och kompressorer, roulettehjul, statiska blad, chassi och tätningsanordningar.

Vid användning visade det sig dock att två titandelar (såsom arbetsblad och statiska blad, arbetsblad och chassi) kolliderade och grundades på grund av onormala förhållanden under motordrift. Under förhållanden med lämpligt omgivande tryck och temperatur kommer gnistor att genereras och delarna kommer att brinna. Detta fenomen kallas "titanbrand". När titandelarna väl tar eld utvecklas förbränningsprocessen mycket snabbt. Det tar bara några sekunder att bränna knivarna och höljet, och graden av skada är mycket allvarlig. Figur 3 visar vraket av arbetsbladet som bränts av titanbranden.

Figur 3. Kompressorns arbetsblad brändes av titanbrand

Titanbranden inträffade inte bara mellan titan- och titandelarna, utan även efter att titanbladet och stålhöljet gnuggats kraftigt, titanbladet brann och lågan brände även höljet ur ett ringformigt spår, som visas i figuren 4. I motorn är luftflödestrycket och temperaturen i fläktkomponenterna låga, vilket inte är lätt att producera titanbrand. Därför uppstår sällan fel orsakade av titanbrand i fläkten.

Figur 4. Stålhöljet brändes av titanbrand och en båge saknades.

På 1970- och 1980-talen, några kända motorer, SOM Pratt & Whitneys PW4000, GE:s CF6 och F404, brittiska Rolls－Royce's RB211, och fd Sovjetunionens HK－8, HK－Д{7}8, } } och АИ-25 hade alla titanbränder.

Enligt sovjetisk statistik var det bara mellan 1977 och 1988 mer än 30 titanbrandincidenter på sovjetiska motorer som HK－8, HK－86, Д－30 och АИ-25. Ett annat exempel är F404-motorn som används av USA för det F/A-18 bärfartygsbaserade jaktplanet GE. På grund av arbetsbladen på högtryckskompressorn i titanlegering kolliderade den med höljet av titanlegering, vilket fick titanet att fatta eld. Lågan brann inte bara genom högtryckskompressorns hölje, utan brann också genom det yttre höljet, vilket fick motorn att fatta eld och brände ut flygplanet, vilket gjorde att den amerikanska flottan förlorade 4 F/A-18 flygplan på ett år 1987. Det är också GE:s CF-6-motor. Från 1976 har titanbränderna inträffat kontinuerligt och nådde en topp i mitten av-1979. Det inträffade 14 titanbränder under ett år, med allvarliga konsekvenser.

Därefter, förutom att vidta åtgärder för att förhindra titanbrand i de nyutvecklade motorerna, har konstruktionen av vissa motorer som har använts i många år också modifierats. Till exempel ändrade F404-motorn högtrycks-flerkompressorhöljet av titanlegering till ett hölje av legerat stål, och samtidigt byttes det yttre höljet av titanlegering till en lättare PMR15-komposit material. Efter förbättringen ökade motorns vikt med 0,5 kg.

CFM56, som är systermodellen till F404 (kärnmaskinerna i båda motorerna är utvecklade från kärnmaskinerna i GE:s F101), har också förbättrats i enlighet med detta. Chassiet på högtryckskompressorn CFM56 var ursprungligen tillverkat av titanlegering. För att förhindra att arbetsbladet i titanlegering kolliderar med chassit och orsakar titanbrand, har en uppsättning mycket komplexa slitstarka och titanlegerade flerskiktsfack lagts till ringbältet på motsvarande arbetsblad i chassit.

Efter att F404 bytte titanlegering till legerat stål, 1978, ändrade CFM56 även höljet på högtryckskompressorn från titanlegering till legerat stål. Samtidigt ändrades även ytterhöljet på titanlegeringen till PMR15 kompositmaterial. Denna förbättring minskade antalet motordelar med 140 stycken, men vikten ökade med 5,64 kg.

I det inledande skedet av GE:s motorer i CF6-serien tillverkades högtryckskompressorhöljet av titanlegering, men sedan 1979 har legerat stål istället använts.

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 grader), rosterring och tätningsring har alla ersatts med legerat stål.

Shizuko-bladen av 4-6 kvalitet på A4–25-motorns högtryckskompressor var ursprungligen gjorda av titanlegering, men efter 1980-talet har de ändrats från titanlegering till legerat stål. I den ursprungliga designen av högtryckskompressorn för A30-motorn, förutom legerat stål för 10:e stegets statiska blad, användes titanlegeringen för resten av de statiska bladen på alla nivåer. På 1980-talet har den 5:e till 9:e gruppen av statiska blad och trumringen mellan hjulen efter Steg 4 ersatts med legerat stål. Stål.

Titanlegeringsdelar kommer också att ha speciella krav vid bearbetning och tillverkning. När vårt land bearbetade den första satsen av fläktblad av titanlegering, stötte det på oöverträffade bearbetningsfel.

Den sista processen för fläktbladet är att polera bladkroppen. Den så kallade poleringen är när bladen gnider mot varandra på ett höghastighetsroterande polerhjul, och ytan på bladen poleras för att inte bara uppfylla kraven på designstorleken, utan också för att göra ytan ljus. När bladet är polerat gnuggar bladets yta och slipskivan mot varandra, vilket kommer att producera en stor mängd lysande mars, som kommer att sprayas på marken som fyrverkerier på natthimlen. När stålbladet är polerat, sprutas dessa marmor nedåt, kyls av luften, övergår gradvis från rött till grått och förvandlas slutligen till svarta spån med lägre temperatur, vilket inte kommer att ha några dåliga effekter på de bearbetade delarna. I bladpoleringsverkstaden placeras därför lådan med flera fack som innehåller bladen i allmänhet under polerhjulet. Bladen som ska poleras och bladen som har polerats sätts in i utrymmet där bladen är installerade, och toppen av bladen är inte täckt med ett lock.

När vi bearbetade den första satsen av fläktblad av titanlegering följde vi den gamla praxisen. Som ett resultat, när fläktbladen skickades till komponentmonteringssektionen, fann vi att det fanns flera ablationspunkter på ytan av många blad, vilket var förbryllande. Efter noggrann analys och inspektion upptäcktes mysteriet.

Det visar sig att när titanlegeringsbladen poleras, absorberar mars som produceras av spånen, under processen att falla, kontinuerligt syre från luften, vilket gör marsen större och större, och temperaturen är högre. När dessa högtemperaturmar stänker på ytan av bladen som är insatta i reservdelslådan, orsakas vissa ablationspunkter. Efter att orsaken hittats sattes ett lock på reservdelslådan där bladen installerades, vilket löste detta stora problem.