Sprechen Sie über die Anwendung von Titanlegierungen in Flugzeugtriebwerken

Feb 07, 2022

In den 1960er Jahren, als das Vereinigte Königreich den weltberühmten, einschüssigen, vertikal startenden und landenden „Harrier“-Jäger P1127 entwickelte, befand sich einer seiner Prototypen, XP972, am 30. Oktober 1962 auf einem Testflug Während des Testflugs kollidierte die Kompressorschaufel aus Titanlegierung im verwendeten Pegasus-Triebwerk mit dem Gehäuse aus Titanlegierung, wodurch der Kompressor Feuer fing. (Dieses Feuerphänomen wird "Titanfeuer" genannt), wodurch das Triebwerk aussetzte und stoppte, das Flugzeug abstürzte und der Pilot erfolgreich mit dem Fallschirm abgesetzt und gerettet wurde.

Ein paar Jahre später, in den späten 196er Jahren, als Pratt & Whitney aus den Vereinigten Staaten ein F100-Triebwerk mit einem Schub-Gewichts-Verhältnis von 8,0 für das Jagdflugzeug F-15 der dritten Generation entwickelte. Während der Inbetriebnahme kollidierte ein Triebwerk bei einem Testlauf am Boden mit der Titanlegierungsschaufel eines Hochdruckkompressors und dem Titanlegierungsgehäuse, wodurch der Kompressor Feuer fing ("Titanfeuer"), die Flammen breiteten sich überall aus , und schließlich wurde der gesamte Motor bei einem Brand zerstört (Abbildung 2).

Bild 1. Der Prototyp des Flugzeugs „Harrier“ stürzte während des Testflugs aufgrund eines „Titanbrands“ im Triebwerk ab.

Diese beiden Hauptausfälle waren die weltweit frühesten Ausfälle, die dazu führten, dass Titan durch die Kollision zweier Titanlegierungsteile Feuer fing, aber sie wurden damals nicht ernst genommen, so dass sie später viele Male in vielen Motoren auftauchten. Laut Statistik von 1979 kam es in den 17 Jahren von 1962 bis 1979 in westlichen Ländern zu insgesamt 144 Titanbränden in Flugtriebwerken, von denen 59 das Kompressorgehäuse durchbrannten.

In den späten 1950er Jahren erschienen Titanlegierungen, die in Flugmotoren verwendet werden können. Aufgrund der Leichtigkeit dieser Legierung ist ihr spezifisches Gewicht 40 Prozent niedriger als das von legiertem Stahl (das spezifische Gewicht der beiden beträgt 4,5 g/cm3 bzw. 7,8 g/cm3) und 50 Prozent niedriger als das von Nickel (das spezifische Gewicht Die Schwerkraft von Nickel beträgt 8 g/cm3) und hat eine gute Korrosionsbeständigkeit. Da Flugzeugtriebwerke eine sehr wichtige Anzeigeleichtigkeit aufweisen, wurden Titanlegierungen in Flugtriebwerken schnell weit verbreitet.

Zu dieser Zeit wurde Titanlegierung in der Motorkonstruktion verwendet, solange die Temperaturbedingungen dies zuließen, einschließlich der Arbeitsschaufeln von Lüftern und Kompressoren, Rouletterädern, statischen Schaufeln, Chassis und Dichtungsvorrichtungen.

Bei der Verwendung wurde jedoch festgestellt, dass aufgrund zufälliger anormaler Bedingungen während des Triebwerksbetriebs zwei Titanteile (wie etwa Arbeitsschaufeln und statische Schaufeln, Arbeitsschaufeln und Chassis) kollidierten und auf Grund gingen. Unter geeigneten Umgebungsdruck- und Temperaturbedingungen werden Funken erzeugt und die Teile brennen. Dieses Phänomen wird "Titanfeuer" genannt. Sobald die Titanteile Feuer fangen, entwickelt sich der Verbrennungsprozess sehr schnell. Es dauert nur wenige Sekunden, um die Klingen und das Gehäuse zu verbrennen, und das Ausmaß des Schadens ist sehr ernst. Abbildung 3 zeigt das durch das Titanfeuer verbrannte Wrack der Arbeitsklinge.

Abbildung 3. Die durch Titanfeuer verbrannte Arbeitsschaufel des Kompressors

Das Titanfeuer trat nicht nur zwischen dem Titan und den Titanteilen auf, sondern nachdem die Titanklinge und das Stahlgehäuse stark gerieben wurden, brannte die Titanklinge und die Flamme brannte auch das Gehäuse aus einer ringförmigen Nut, wie in Abbildung gezeigt 4. Im Motor sind der Luftstromdruck und die Temperatur in den Lüfterkomponenten niedrig, was es nicht einfach macht, Titanfeuer zu erzeugen. Daher treten im Lüfter selten Ausfälle durch Titanfeuer auf.

Abbildung 4. Das Stahlgehäuse wurde durch Titanfeuer verbrannt und ein Lichtbogen fehlte.

In den 1970er und 1980er Jahren wurden einige berühmte Motoren, WIE PW4000 von Pratt & Whitney, CF6 und F404 von GE, RB211 von British Rolls－Royce und HK－8, HK－86, Д{{8} der ehemaligen Sowjetunion } und АИ-25 alle HAD-Titan-Feuerausfälle.

Laut sowjetischer Statistik gab es allein zwischen 1977 und 1988 mehr als 30 Titanbrände an sowjetischen Motoren wie HK－8, HK－86, Д－30 und АИ-25. Ein weiteres Beispiel ist das F404-Triebwerk, das von den Vereinigten Staaten für das F/A-18-Trägerflugzeug GE verwendet wird. Aufgrund der Arbeitsschaufeln des Hochdruckkompressors aus Titanlegierung kollidierte dieser mit dem Gehäuse aus Titanlegierung, wodurch das Titan Feuer fing. Die Flamme brannte nicht nur durch das Gehäuse des Hochdruckkompressors, sondern brannte auch durch das äußere Abdeckungsgehäuse, wodurch der Motor Feuer fing und das Flugzeug ausbrannte, was dazu führte, dass die US Navy 4 F/A-18-Flugzeuge verlor in einem Jahr im Jahr 1987. Es ist auch der CF-6-Motor von GE. Seit 1976 kam es kontinuierlich zu Titanbränden, die Mitte -1979 ihren Höhepunkt erreichten. In einem Jahr gab es 14 Titanbrände mit schwerwiegenden Folgen.

In der Folge wurden neben Maßnahmen zur Vermeidung von Titanbränden in den neu entwickelten Triebwerken auch die Konstruktionen einiger seit vielen Jahren im Einsatz befindlicher Triebwerke modifiziert. Beispielsweise wurde beim F404-Motor das Hochdruck-Mehrkompressorgehäuse aus einer Titanlegierung durch ein Gehäuse aus legiertem Stahl ersetzt, und gleichzeitig wurde das Außengehäuse aus einer Titanlegierung durch einen leichteren PMR15-Verbundwerkstoff ersetzt Material. Nach der Verbesserung erhöhte sich das Gewicht des Motors um 0,5 kg.

Auch das CFM56, das Schwestermodell des F404 (die Kernmaschinen beider Triebwerke sind aus den Kernmaschinen des F101 von GE entwickelt worden), wurde entsprechend verbessert. Das Chassis des Hochdruckkompressors CFM56 bestand ursprünglich aus einer Titanlegierung. Um zu verhindern, dass die Arbeitsklinge aus Titanlegierung mit dem Chassis kollidiert und Titanbrand verursacht, wurde dem Ringgürtel der entsprechenden Arbeitsklinge ein Satz sehr komplexer, verschleißfester und titanfeuerfester Mehrschichtkammern hinzugefügt das Fahrgestell.

Nachdem F404 das Titangehäuse auf legierten Stahl umgestellt hatte, änderte CFM56 1978 auch das Gehäuse des Hochdruckkompressors von Titanlegierung auf legierten Stahl. Gleichzeitig wurde auch das Außengehäuse aus der Titanlegierung auf PMR15-Verbundwerkstoff umgestellt. Diese Verbesserung reduzierte die Anzahl der Motorteile um 140 Stück, aber das Gewicht stieg um 5,64 kg.

In der Anfangsphase der Motoren der CF6-Serie von GE bestand das Hochdruckkompressorgehäuse aus einer Titanlegierung, aber seit 1979 wird stattdessen legierter Stahl verwendet.

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 Grad), Rostring und Dichtungsring wurden alle durch legierten Stahl ersetzt.

Die Shizuko-Schaufeln der 4-6-Klasse des Hochdruckkompressors des A4-25-Triebwerks bestanden ursprünglich aus einer Titanlegierung, wurden jedoch nach den 1980er Jahren von einer Titanlegierung auf legierten Stahl umgestellt. Bei der ursprünglichen Konstruktion des Hochdruckkompressors für das A30-Triebwerk wurde mit Ausnahme des legierten Stahls für die statischen Schaufeln der 10. Stufe die Titanlegierung für den Rest der statischen Schaufeln auf allen Ebenen verwendet. In den 1980er Jahren wurden die 5. bis 9. Gruppe statischer Schaufeln und der Trommelring zwischen den Rädern nach Stufe 4 alle durch legierten Stahl ersetzt. Stahl.

Auch Teile aus Titanlegierungen stellen besondere Anforderungen an die Verarbeitung und Fertigung. Als unser Land die erste Charge von Lüfterflügeln aus Titanlegierung verarbeitete, stieß es auf beispiellose Verarbeitungsfehler.

Der letzte Prozess der Lüfterschaufel besteht darin, den Schaufelkörper zu polieren. Beim sogenannten Polieren reiben die Klingen auf einem mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Polierrad aneinander und die Oberfläche der Klingen wird poliert, um nicht nur die Anforderungen der Designgröße zu erfüllen, sondern auch, um die Oberfläche hell zu machen. Wenn die Klinge poliert wird, reiben die Oberfläche der Klinge und der Schleifscheibe aneinander, wodurch eine große Menge leuchtender Mars entsteht, die wie ein Feuerwerk am Nachthimmel auf den Boden gesprüht wird. Wenn die Stahlklinge poliert wird, werden diese Flecken nach unten gesprüht, durch die Luft abgekühlt, wechseln allmählich von Rot zu Grau und verwandeln sich schließlich in schwarze Späne mit niedrigerer Temperatur, die keine negativen Auswirkungen auf die bearbeiteten Teile haben. Daher wird in der Klingenpolierwerkstatt der Teilekasten mit mehreren Fächern, der die Klingen enthält, im Allgemeinen unter der Polierscheibe angeordnet. Die zu polierenden Klingen und die polierten Klingen werden in den Raum eingesetzt, in dem die Klingen installiert sind, und die Oberseite der Klingen ist nicht mit einem Deckel abgedeckt.

Als wir die erste Charge von Lüfterflügeln aus Titanlegierung verarbeiteten, folgten wir der alten Praxis. Als die Lüfterblätter zur Komponentenmontage geschickt wurden, stellten wir daher fest, dass es mehrere Ablationspunkte auf der Oberfläche vieler Blätter gab, was rätselhaft war. Nach sorgfältiger Analyse und Inspektion wurde das Geheimnis entdeckt.

Es stellt sich heraus, dass beim Polieren der Klingen aus Titanlegierung der durch die Späne erzeugte Abrieb während des Fallens kontinuierlich Sauerstoff aus der Luft absorbiert, wodurch der Abrieb immer größer und die Temperatur höher wird. Wenn diese Hochtemperaturflecken auf die Oberfläche der in den Teilekasten eingesetzten Schaufeln spritzen, werden einige Ablationspunkte verursacht. Nachdem die Ursache gefunden war, wurde ein Deckel auf der Teilebox angebracht, in der die Klingen installiert waren, wodurch dieses Hauptproblem gelöst wurde.