Charla sobre la aplicación de aleación de titanio en motores de aviones

Charla sobre la aplicación de aleación de titanio en motores de aviones

En la década de 1960, cuando el Reino Unido estaba desarrollando el caza "Harrier" P1127 de despegue y aterrizaje vertical, de un solo disparo, de fama mundial, uno de sus prototipos, el XP972, estaba en un vuelo de prueba el 30 de octubre de 1962. Durante En el vuelo de prueba, el álabe del compresor de aleación de titanio del motor Pegasus colisionó con la carcasa de aleación de titanio, lo que provocó que el compresor se incendiara. (Este fenómeno de fuego se llama "fuego de titanio"), lo que provocó que el motor fallara y se detuviera, la aeronave se estrelló y el piloto fue lanzado en paracaídas y rescatado con éxito.

Unos años más tarde, a finales de la década de 1960, cuando Pratt & Whitney de los Estados Unidos desarrolló un motor F100 con una relación empuje-peso de 8,0 para el caza de tercera generación F-15 , durante el proceso de puesta en marcha, un motor chocó con la hoja de aleación de titanio de un compresor de alta presión y la carcasa de aleación de titanio durante una prueba de funcionamiento en el suelo, lo que provocó que el compresor se incendiara ("fuego de titanio"), las llamas se extendieron por todas partes , y finalmente todo el motor fue destruido en un incendio (Figura 2).

Figura 1. El prototipo de la aeronave "Harrier" se estrelló debido a un "incendio de titanio" en el motor durante el vuelo de prueba.

Estas dos fallas principales fueron las primeras fallas en el mundo que provocaron que el titanio se incendiara debido a la colisión de dos piezas de aleación de titanio, pero no se tomaron en serio en ese momento, por lo que luego aparecieron muchas veces en muchos motores. Según las estadísticas de 1979, en los 17 años desde 1962 hasta 1979, hubo un total de 144 incidentes de incendios de titanio en motores de aviación en países occidentales, de los cuales 59 quemaron la carcasa del compresor.

A fines de la década de 1950, aparecieron aleaciones de titanio que se pueden usar en motores de aviación. Debido a la ligereza de esta aleación, su peso específico es un 40 por ciento menor que el del acero aleado (el peso específico de los dos es 4,5 g/cm3 y 7,8 g/cm3, respectivamente) y un 50 por ciento menor que el del níquel (el peso específico la densidad del níquel es de 8 g/cm3), y tiene buena resistencia a la corrosión. Dado que los motores aeronáuticos tienen un indicador de ligereza muy importante, las aleaciones de titanio se han adoptado rápidamente en los motores aeronáuticos.

En ese momento, la aleación de titanio se usaba en el diseño del motor siempre que las condiciones de temperatura lo permitieran, incluidas las aspas de trabajo de ventiladores y compresores, ruedas de ruleta, aspas estáticas, chasis y dispositivos de sellado.

Sin embargo, en uso, se descubrió que debido a condiciones anormales accidentales durante el funcionamiento del motor, dos piezas de titanio (como las hojas de trabajo y las hojas estáticas, las hojas de trabajo y el chasis) chocaron y se molieron. En condiciones de presión y temperatura ambientales adecuadas, se generarán chispas y las piezas se quemarán. Este fenómeno se llama "fuego de titanio". Una vez que las piezas de titanio se incendian, el proceso de combustión se desarrolla muy rápidamente. Solo se necesitan unos segundos para quemar las cuchillas y la carcasa, y el grado de daño es muy grave. La figura 3 muestra los restos de la hoja de trabajo quemada por el fuego de titanio.

Figura 3. El álabe de trabajo del compresor quemado por fuego de titanio

El fuego de titanio no solo ocurrió entre el titanio y las partes de titanio, sino también después de que la hoja de titanio y la carcasa de acero se frotaron severamente, la hoja de titanio se quemó y la llama también quemó la carcasa fuera de una ranura anular, como se muestra en la Figura 4. En el motor, la presión del flujo de aire y la temperatura en los componentes del ventilador son bajas, por lo que no es fácil producir fuego de titanio. Por lo tanto, las fallas causadas por el fuego del titanio rara vez ocurren en el ventilador.

Figura 4. La carcasa de acero se quemó con fuego de titanio y faltaba un arco.

En las décadas de 1970 y 1980, algunos motores famosos, COMO el PW4000 de Pratt & Whitney, el CF6 y el F404 de GE, el RB211 de Rolls－Royce británico y el HK－8, HK－86, Ä{{8} de la antigua Unión Soviética } y АИ-25 TENÍAN fallas de fuego de titanio.

Según las estadísticas soviéticas, solo entre 1977 y 1988 hubo más de 30 incendios de titanio en motores soviéticos como HK-8, HK-86, Д-30 y АИ-25. Otro ejemplo es el motor F404 utilizado por los Estados Unidos para el caza GE basado en portaaviones F/A-18. Debido a las cuchillas de trabajo del compresor de alta presión de aleación de titanio, chocó con la carcasa de aleación de titanio, lo que provocó que el titanio se incendiara. La llama no solo atravesó la carcasa del compresor de alta presión, sino que también atravesó la carcasa de la cubierta exterior, lo que provocó que el motor se incendiara y quemara la aeronave, lo que provocó que la Marina de los EE. UU. perdiera 4 aeronaves F/A-18 en un año en 1987. También es el motor CF-6 de GE. Desde 1976, los incidentes de incendios de titanio han ocurrido continuamente y alcanzaron su punto máximo a mediados-1979. Hubo 14 incidentes de incendios de titanio en un año, con graves consecuencias.

Posteriormente, además de tomar medidas para evitar el fuego del titanio en los motores de nuevo desarrollo, también se han modificado los diseños de algunos motores que llevan muchos años en uso. Por ejemplo, el motor F404 cambió la carcasa del compresor múltiple de alta presión de aleación de titanio por una carcasa de aleación de acero y, al mismo tiempo, la carcasa exterior de aleación de titanio se cambió por un compuesto PMR15 más ligero. material. Después de la mejora, el peso del motor aumentó en 0,5 kg.

El CFM56, que es el modelo hermano del F404 (las máquinas centrales de ambos motores se desarrollaron a partir de las máquinas centrales del F101 de GE), también se ha mejorado en consecuencia. El chasis del compresor de alta presión CFM56 estaba originalmente hecho de aleación de titanio. Para evitar que la hoja de trabajo de aleación de titanio choque con el chasis y provoque un incendio de titanio, se ha agregado un conjunto de compartimentos multicapa muy complejos resistentes al desgaste y al fuego de titanio al cinturón anular de la hoja de trabajo correspondiente en el chasis

Después de que F404 cambiara la carcasa de titanio por acero aleado, en 1978, CFM56 también cambió la carcasa del compresor de alta presión de aleación de titanio a acero aleado. Al mismo tiempo, la carcasa exterior de la aleación de titanio también se cambió a material compuesto PMR15. Esta mejora redujo el número de piezas del motor en 140 piezas, pero el peso aumentó en 5,64 kg.

En la etapa inicial de los motores de la serie CF6 de GE, la carcasa del compresor de alta presión estaba hecha de aleación de titanio, pero desde 1979 se ha utilizado acero aleado en su lugar.

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 grados), el anillo de rejilla y el anillo de sellado se han reemplazado con acero aleado.

Las palas shizuko de grado 4-6 del compresor de alta presión del motor A4－25 estaban hechas originalmente de aleación de titanio, pero después de la década de 1980, se cambiaron de aleación de titanio a aleación de acero. En el diseño original del compresor de alta presión para el motor A30, a excepción del acero aleado para los álabes estáticos de 10ª etapa, se utilizó aleación de titanio para el resto de álabes estáticos en todos los niveles. En la década de 1980, los grupos 5 a 9 de álabes estáticos y el anillo del tambor entre las ruedas después de la etapa 4 se reemplazaron por aleación de acero. Acero.

Las piezas de aleación de titanio también tendrán requisitos especiales en el procesamiento y la fabricación. Cuando nuestro país procesó el primer lote de aspas de ventilador de aleación de titanio, se encontró con fallas de procesamiento sin precedentes.

El último proceso del aspa del ventilador es pulir el cuerpo del aspa. El llamado pulido es cuando las cuchillas se frotan entre sí en una rueda pulidora giratoria de alta velocidad, y la superficie de las cuchillas se pule no solo para cumplir con los requisitos del tamaño del diseño, sino también para hacer que la superficie brille. Cuando se pule la hoja, la superficie de la hoja y la muela se frotan entre sí, lo que producirá una gran cantidad de marte luminoso, que se rociará en el suelo como fuegos artificiales en el cielo nocturno. Cuando se pule la hoja de acero, estos mars se rocían hacia abajo, se enfrían con el aire, cambian gradualmente de rojo a gris y finalmente se convierten en virutas negras con una temperatura más baja, lo que no tendrá ningún efecto negativo en las piezas procesadas. Por lo tanto, en el taller de pulido de cuchillas, la caja de piezas de múltiples compartimentos que contiene las cuchillas generalmente se coloca debajo de la rueda pulidora. Las palas que están a punto de pulirse y las palas que han sido pulidas se insertan en el espacio donde se instalan las palas, y la parte superior de las palas no está cubierta con una tapa.

Cuando procesamos el primer lote de aspas de ventilador de aleación de titanio, seguimos la práctica anterior. Como resultado, cuando las aspas del ventilador se enviaron a la sección de ensamblaje de componentes, encontramos que había múltiples puntos de ablación en la superficie de muchas aspas, lo cual era desconcertante. Después de un cuidadoso análisis e inspección, se descubrió el misterio.

Resulta que cuando se pulen las cuchillas de aleación de titanio, la maraña producida por las virutas, durante el proceso de caída, absorbe continuamente oxígeno del aire, haciendo que la maraña sea cada vez más grande y la temperatura sea más alta. Cuando estos mars de alta temperatura salpican la superficie de las cuchillas insertadas en la caja de piezas, se producen algunos puntos de ablación. Después de encontrar la causa, se instaló una tapa en la caja de piezas donde se instalaron las cuchillas, lo que solucionó este gran problema.