Parlez de l'application de l'alliage de titane dans les moteurs d'avions

Feb 07, 2022

Dans les années 1960, lorsque le Royaume-Uni développait le célèbre chasseur P1127 "Harrier" à décollage et atterrissage verticaux à un coup, l'un de ses prototypes, le XP972, effectuait un vol d'essai le 30 octobre 1962. Pendant Lors du vol d'essai, l'aube du compresseur en alliage de titane du moteur Pegasus utilisé est entrée en collision avec le carter en alliage de titane, provoquant l'incendie du compresseur. (Ce phénomène d'incendie est appelé "feu de titane"), provoquant des ratés et un arrêt du moteur, l'avion s'est écrasé et le pilote a été parachuté et secouru avec succès.

Quelques années plus tard, à la fin des années 1960, lorsque Pratt & Whitney des États-Unis a développé un moteur F100 avec un rapport poussée/poids de 8,0 pour le chasseur de troisième génération F-15 , lors de la mise en service, un moteur est entré en collision avec l'aube en alliage de titane d'un compresseur haute pression et le carter en alliage de titane lors d'un essai au sol, provoquant un incendie du compresseur ("Titanium fire"), les flammes se sont propagées partout , et finalement le moteur entier a été détruit dans un incendie (Figure 2).

Figure 1. Le prototype de l'avion "Harrier" s'est écrasé en raison d'un "feu de titane" dans le moteur pendant le vol d'essai.

Ces deux pannes majeures ont été les premières pannes au monde qui ont provoqué l'incendie du titane en raison de la collision de deux pièces en alliage de titane, mais elles n'ont pas été prises au sérieux à l'époque, de sorte qu'elles sont apparues plus tard plusieurs fois dans de nombreux moteurs. Selon les statistiques de 1979, au cours des 17 années allant de 1962 à 1979, il y a eu un total de 144 incendies de titane dans les moteurs d'aviation des pays occidentaux, dont 59 ont brûlé le carter du compresseur.

À la fin des années 1950, des alliages de titane utilisables dans les moteurs d'aviation sont apparus. En raison de la légèreté de cet alliage, sa densité est inférieure de 40 % à celle de l'acier allié (la densité des deux est respectivement de 4,5 g/cm3 et de 7,8 g/cm3) et de 50 % inférieure à celle du nickel (la densité la gravité du nickel est de 8g/cm3), et il a une bonne résistance à la corrosion. Les moteurs aéronautiques ayant une luminosité très importante, les alliages de titane ont rapidement été largement adoptés dans les moteurs aéronautiques.

À cette époque, l'alliage de titane était utilisé dans la conception des moteurs tant que les conditions de température le permettaient, y compris les aubes de travail des ventilateurs et des compresseurs, les roulettes, les aubes statiques, le châssis et les dispositifs d'étanchéité.

Cependant, lors de l'utilisation, il a été constaté qu'en raison de conditions anormales accidentelles pendant le fonctionnement du moteur, deux pièces en titane (telles que des lames de travail et des lames statiques, des lames de travail et un châssis) sont entrées en collision et se sont broyées. Dans des conditions de pression et de température environnementales appropriées, des étincelles seront générées et les pièces brûleront. Ce phénomène est appelé "feu de titane". Une fois que les pièces en titane prennent feu, le processus de combustion se développe très rapidement. Il ne faut que quelques secondes pour brûler les lames et le boîtier, et le degré de dommage est très grave. La figure 3 montre l'épave de la lame de travail brûlée par le feu de titane.

Figure 3. L'aube de travail du compresseur brûlée par le feu de titane

Le feu de titane s'est non seulement produit entre le titane et les pièces en titane, mais également après que la lame en titane et le boîtier en acier ont été fortement frottés, la lame en titane a brûlé et la flamme a également brûlé le boîtier à partir d'une rainure annulaire, comme le montre la figure. 4. Dans le moteur, la pression et la température du flux d'air dans les composants du ventilateur sont faibles, ce qui n'est pas facile à produire un feu de titane. Par conséquent, les pannes causées par le feu de titane se produisent rarement dans le ventilateur.

Figure 4. Le boîtier en acier a été brûlé par un feu de titane et il manquait un arc.

Dans les années 1970 et 1980, certains moteurs célèbres, TELS QUE le PW4000 de Pratt & Whitney, les CF6 et F404 de GE, le RB211 de Rolls-Royce britannique et le HK-8 de l'ex-Union soviétique, HK-86, Д{{8} } et АИ-25 tous les échecs de feu de titane HAD.

Selon les statistiques soviétiques, entre 1977 et 1988 seulement, il y a eu plus de 30 incendies de titane sur des moteurs soviétiques tels que HK－8, HK－86, Д－30 et АИ-25. Un autre exemple est le moteur F404 utilisé par les États-Unis pour le chasseur embarqué F/A-18 GE. En raison des pales de travail du compresseur haute pression en alliage de titane, celui-ci est entré en collision avec le boîtier en alliage de titane, provoquant l'incendie du titane. La flamme a non seulement brûlé à travers le carter du compresseur haute pression, mais également à travers le carter du couvercle extérieur, provoquant l'incendie du moteur et l'extinction de l'avion, provoquant la perte de 4 avions F/A-18 par l'US Navy en un an en 1987. C'est aussi le moteur CF-6 de GE. Depuis 1976, les incendies de titane se sont produits de manière continue et ont atteint un pic au milieu-1979. Il y a eu 14 incendies de titane en un an, avec de graves conséquences.

Par la suite, en plus de prendre des mesures pour prévenir les incendies de titane dans les moteurs nouvellement développés, les conceptions de certains moteurs utilisés depuis de nombreuses années ont également été modifiées. Par exemple, le moteur F404 a remplacé le carter multicompresseur haute pression en alliage de titane par un carter en acier allié, et en même temps, le carter extérieur en alliage de titane a été remplacé par un composite PMR15 plus léger. Matériel. Après l'amélioration, le poids du moteur a augmenté de 0,5 kg.

Le CFM56, qui est le modèle frère du F404 (les machines centrales des deux moteurs sont développées à partir des machines centrales du F101 de GE), a également été améliorée en conséquence. Le châssis du compresseur haute pression CFM56 était à l'origine en alliage de titane. Afin d'empêcher la lame de travail en alliage de titane d'entrer en collision avec le châssis et de provoquer un incendie au titane, un ensemble de compartiments multicouches très complexes résistants à l'usure et au feu de titane ont été ajoutés à la ceinture annulaire de la lame de travail correspondante dans le châssis.

Après que F404 ait changé le boîtier en titane en acier allié, en 1978, CFM56 a également changé le boîtier du compresseur haute pression d'alliage de titane en acier allié. Dans le même temps, l'enveloppe extérieure de l'alliage de titane a également été remplacée par un matériau composite PMR15. Cette amélioration a réduit le nombre de pièces du moteur de 140 pièces, mais le poids a augmenté de 5,64 kg.

Au stade initial des moteurs de la série CF6 de GE, le carter du compresseur haute pression était en alliage de titane, mais depuis 1979, de l'acier allié a été utilisé à la place.

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 degrés), l'anneau de grille et l'anneau d'étanchéité ont tous été remplacés par de l'acier allié.

Les aubes shizuko de qualité 4-6 du compresseur haute pression du moteur A4－25 étaient à l'origine en alliage de titane, mais après les années 1980, elles sont passées de l'alliage de titane à l'acier allié. Dans la conception originale du compresseur haute pression du moteur A30, à l'exception de l'acier allié pour les aubes statiques du 10e étage, l'alliage de titane a été utilisé pour le reste des aubes statiques à tous les niveaux. Dans les années 1980, les 5e à 9e groupes de pales statiques et l'anneau de tambour entre les roues après l'étape 4 ont tous été remplacés par de l'acier allié. Acier.

Les pièces en alliage de titane auront également des exigences particulières en matière de traitement et de fabrication. Lorsque notre pays a traité le premier lot d'aubes de ventilateur en alliage de titane, il a rencontré des échecs de traitement sans précédent.

Le dernier processus de la pale du ventilateur consiste à polir le corps de la pale. Le soi-disant polissage se produit lorsque les lames se frottent les unes contre les autres sur une roue de polissage rotative à grande vitesse, et la surface des lames est polie non seulement pour répondre aux exigences de la taille de conception, mais aussi pour rendre la surface brillante. Lorsque la lame est polie, la surface de la lame et la meule frottent l'une contre l'autre, ce qui produira une grande quantité de mars lumineux, qui seront pulvérisés sur le sol comme des feux d'artifice dans le ciel nocturne. Lorsque la lame d'acier est polie, ces mars sont pulvérisés vers le bas, refroidis par l'air, passent progressivement du rouge au gris et se transforment finalement en copeaux noirs à basse température, ce qui n'aura aucun effet néfaste sur les pièces traitées. Ainsi, dans l'atelier de polissage des lames, la boîte de pièces à plusieurs compartiments contenant les lames est généralement placée sous la meule de polissage. Les lames qui sont sur le point d'être polies et les lames qui ont été polies sont insérées dans l'espace où les lames sont installées, et le dessus des lames n'est pas recouvert d'un couvercle.

Lorsque nous avons traité le premier lot de pales de ventilateur en alliage de titane, nous avons suivi l'ancienne pratique. En conséquence, lorsque les pales du ventilateur ont été envoyées à la section d'assemblage des composants, nous avons constaté qu'il y avait plusieurs points d'ablation sur la surface de nombreuses pales, ce qui était déroutant. Après une analyse et une inspection minutieuses, le mystère a été découvert.

Il s'avère que lorsque les lames en alliage de titane sont polies, le mars produit par les copeaux, pendant le processus de chute, absorbe continuellement l'oxygène de l'air, ce qui rend le mars de plus en plus gros et la température est plus élevée. Lorsque ces mars à haute température éclabousse la surface des lames insérées dans la boîte de pièces, certains points d'ablation sont causés. Une fois la cause trouvée, un couvercle a été installé sur la boîte de pièces où les lames étaient installées, ce qui a résolu ce problème majeur.