Титанові сплави в авіаційних двигунах: застосування вентиляторів і компресорів і вибір класу

Чому титан важливий для авіаційних двигунів

Двигун – це те, що забезпечує літаку його тягу, а матеріали, вибрані для цього двигуна, визначають, яку тягу можна створити для даної ваги. Сталь залишається важливою, але сучасний двигун також покладається на алюмінієві сплави, титанові сплави, композити та високотемпературні-сплави. У міру покращення продуктивності та зниження вартості титану, його частка в масі двигуна з кожним роком зростає, а кількість, що використовується, значно відрізняється залежно від країни, виробника, моделі двигуна та індивідуального дизайну.

Основним застосуванням титану є реактивні двигуни. Для одного виробника двигунів у Сполучених Штатах деталі з титанового сплаву становлять від 7% до 18% чистої маси двигуна, тоді як у ранньому турбореактивному двигуні США 1950-х років використовувалося близько 6% титану.

Вміст титану в реактивних двигунах

В одному широко використовуваному турбореактивному двигуні США 17-ступінчастий ротор спочатку був виготовлений з нержавіючої сталі, а пізніше був замінений на 11-ступінчастий диск із титанового сплаву. Пізніша версія цього двигуна використовувала 20% титанового сплаву за масою проти лише 4% у попередній версії – п’ятикратне збільшення досягнуто в основному завдяки заміні сталевих компонентів у компресорі.

Напрямок руху однаковий у всій галузі: у міру того, як температура на виході компресора зростає, а дизайнери намагаються зменшити вагу двигуна, більша частина обертового та статичного обладнання перетворюється зі сталі на титановий сплав.

Сплави вентиляторів і компресорів у великих турбовентиляторах

В одному з перших американських турбовентиляторних двигунів лопаті вентилятора компресора низького-тиску разом із прокладками та клапаном вентилятора виготовлені з Ti-6Al-4V; ці лопаті вентилятора мають довжину 406 мм, що приблизно вдвічі перевищує довжину лопатей компресора. У більш пізньому турбовентиляторі з високим байпасом від того ж виробника лопаті вентилятора мають довжину 711 мм, що майже в десять разів перевищує довжину лопатей компресора. Титановий сплав становить 28% маси цього двигуна, близько 1,035 т, з яких 46 лопатей вентилятора виготовлені з Ti-6Al-4V.

Ротор компресора низького{0}}тиску та дев’ятий ступінь 11-ступеневого компресора високого тиску виготовлені з Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1Mo-1V та Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Останній з них витримує роботу при 480 градусах, і 450 кг використовується в двигуні. Лопатки статора виготовлені зі сплаву Ti-5Al-2,5Sn.

У спільно розробленому кількома країнами двигуні вагою 2,2 т титан становить 31% маси. У компресорі високого-тиску, розробленому Великобританією, на ступенях 3–6 використовується сплав із високим опором-повзучості типу Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si, тоді як у двигунах японського виробництва використовується Ti-6Al-4V для компонентів вентилятора та компресора низького тиску.

Підбір сплаву до двигуна

Температура підвищується поетапно через компресор, тому вибір сплаву слідує за температурною картою, а не за назвою компонента. Титанові сплави, такі як Ti-6Al-4V, використовуються там, де температури залишаються помірними, марки, близькі до-альфа, такі як Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, беруть участь у більш гарячих задніх ступенях компресора високого тиску, а стійкі до повзучості марки кремнію зарезервовані для ступенів, які поєднують високу температуру з постійним навантаженням. Там, де температура перевищує корисний діапазон титану, перевагу беруть жароміцні сплави або композити, і ця температура переходу є одним із ключових конструктивних рішень у двигуні.

Практичні наслідки для постачальника титану однакові в усіх випадках: марка сплаву, умови термічної -обробки, мікроструктура та рівень якості ультразвуку мають відповідати специфікаціям відповідної станції, оскільки лопаті вентилятора, диск і лопатка статора куються та перевіряються відповідно до різних вимог, навіть якщо вони виготовлені з одного сорту.

Часті запитання

З: Яку частку реактивного двигуна займає титан?
Для одного американського виробника двигунів деталі з титанового сплаву становлять від 7% до 18% чистої маси двигуна, перші турбореактивні двигуни використовували близько 6%, один великий турбореактивний двигун із високим-концентратором споживає близько 28%, а спільно розроблений 2,2-тонний двигун досягає 31%.

З: Який титановий сплав найчастіше використовується в авіаційних двигунах?
Ti-6Al-4V є найпоширенішим сплавом для виготовлення лопатей вентиляторів, прокладок і роторів компресорів низького та високого тиску.

З: Чому лопаті вентилятора набагато довші за лопаті компресора?
Оскільки вентилятор очищає набагато більший затрубний простір; в двигунах, описаних тут, лопаті вентилятора мають довжину 406 мм і 711 мм, що приблизно вдвічі і майже в десять разів перевищує довжину лопатей компресора відповідно.

З: Яка межа робочої температури для титану в компресорі?
Марка майже до -альфа, як-от Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, може витримувати приблизно 480 градусів, тому її використовують для більш гарячих ступенів компресора високого тиску.

З: Чому в деяких компресорах використовується титановий-сплав, що містить кремній?
Марки типу Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si мають високу стійкість до повзучості, тому їх вибирають для ступенів 3–6 компресора високого тиску, де висока температура та навантаження.

Q: Який титановий сплав використовується для лопаток статора?
Ti-5Al-2.5Sn використовується для статичного обладнання, такого як лопатки статора, де розмірна та металургійна стабільність важливіша за пікову міцність.