Nói về ứng dụng của hợp kim titan trong động cơ máy bay

Feb 07, 2022

Vào những năm 1960, khi Vương quốc Anh đang phát triển máy bay chiến đấu "Harrier" cất cánh và hạ cánh thẳng đứng nổi tiếng thế giới P1127, một trong những nguyên mẫu của nó, XP972, đã thực hiện chuyến bay thử nghiệm vào ngày 30 tháng 10 năm 1962. Trong chuyến bay thử nghiệm, cánh máy nén hợp kim titan trong động cơ Pegasus sử dụng đã va chạm với vỏ hợp kim titan khiến máy nén bốc cháy. (Hiện tượng cháy này được gọi là "cháy titan"), khiến động cơ đánh lửa sai và dừng lại, máy bay bị rơi và phi công đã nhảy dù thành công và được giải cứu.

Vài năm sau, vào cuối những năm 1960, khi Pratt & Whitney của Hoa Kỳ phát triển động cơ F100 với tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng là 8,0 cho máy bay chiến đấu thế hệ thứ ba F-15 , trong quá trình chạy thử, một động cơ đã va chạm với cánh hợp kim titan của máy nén cao áp và vỏ hợp kim titan trong quá trình chạy thử nghiệm trên mặt đất, khiến máy nén bốc cháy ("cháy Titan"), ngọn lửa lan rộng khắp nơi , và cuối cùng toàn bộ động cơ đã bị phá hủy trong một vụ hỏa hoạn (Hình 2).

Hình 1. Nguyên mẫu máy bay "Harrier" bị rơi do "cháy titan" trong động cơ trong chuyến bay thử nghiệm.

Hai sự cố lớn này là những sự cố sớm nhất trên thế giới khiến titan bốc cháy do va chạm của hai bộ phận hợp kim titan, nhưng chúng không được coi trọng vào thời điểm đó nên sau này chúng đã xuất hiện nhiều lần trong nhiều động cơ. Theo thống kê năm 1979, trong vòng 17 năm từ 1962 đến 1979, có tổng cộng 144 vụ cháy titan trong động cơ hàng không ở các nước phương Tây, trong đó có 59 vụ cháy qua vỏ máy nén khí.

Vào cuối những năm 1950, các hợp kim titan có thể được sử dụng trong động cơ hàng không đã xuất hiện. Do tính nhẹ của hợp kim này nên trọng lượng riêng của nó thấp hơn 40% so với thép hợp kim (trọng lượng riêng của hai loại này lần lượt là 4,5g/cm3 và 7,8g/cm3) và thấp hơn 50% so với niken (trọng lượng riêng của hai loại này trọng lượng của niken là 8g / cm3), và nó có khả năng chống ăn mòn tốt. Vì động cơ hàng không có một chỉ số rất quan trọng là độ sáng nên hợp kim titan đã nhanh chóng được sử dụng rộng rãi trong động cơ hàng không.

Vào thời điểm đó, hợp kim titan được sử dụng trong thiết kế động cơ miễn là điều kiện nhiệt độ cho phép, bao gồm cả cánh làm việc của quạt và máy nén, bánh xe roulette, cánh tĩnh, khung gầm và thiết bị làm kín.

Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, người ta thấy rằng do các điều kiện bất thường ngẫu nhiên trong quá trình vận hành động cơ, hai bộ phận bằng titan (chẳng hạn như lưỡi làm việc và lưỡi tĩnh, lưỡi làm việc và khung) đã va chạm và tiếp đất. Trong điều kiện áp suất và nhiệt độ môi trường thích hợp sẽ sinh ra tia lửa điện và làm cháy các chi tiết. Hiện tượng này được gọi là "cháy titan". Khi các bộ phận titan bắt lửa, quá trình đốt cháy diễn ra rất nhanh. Cánh quạt và vỏ máy chỉ mất vài giây để đốt cháy, mức độ gây hại rất nghiêm trọng. Hình 3 cho thấy mảnh vỡ của lưỡi dao làm việc bị đốt cháy bởi ngọn lửa titan.

Hình 3. Cánh làm việc của máy nén bị cháy titan

Ngọn lửa titan không chỉ xảy ra giữa titan và các bộ phận titan, mà còn sau khi lưỡi titan và vỏ thép bị cọ xát mạnh, lưỡi titan bị cháy và ngọn lửa cũng đốt cháy vỏ ra khỏi rãnh hình khuyên, như trong Hình 4. Trong động cơ, áp suất và nhiệt độ luồng không khí trong các bộ phận của quạt thấp, không dễ sinh ra đám cháy titan. Do đó, những hỏng hóc do cháy titan hiếm khi xảy ra ở quạt.

Hình 4. Vỏ thép bị lửa titan đốt cháy, thiếu một vòng cung.

Trong những năm 1970 và 1980, một số động cơ nổi tiếng, NHƯ PW4000 của Pratt & Whitney, CF6 và F404 của GE, Rolls－Royce của Anh RB211 và HK－8, HK－86, Д{{8} của Liên Xô cũ } và АИ-25 tất cả đều HAD titan thất bại.

Theo thống kê của Liên Xô, chỉ tính riêng từ năm 1977 đến 1988, đã có hơn 30 sự cố cháy titan trên các động cơ của Liên Xô như HK－8, HK－86, Д－30 và АИ-25. Một ví dụ khác là động cơ F404 được Hoa Kỳ sử dụng cho máy bay chiến đấu F/A-18 trên tàu sân bay GE. Do cánh quạt làm việc của máy nén cao áp hợp kim titan va chạm với vỏ hợp kim titan khiến titan bốc cháy. Ngọn lửa không chỉ cháy qua vỏ máy nén cao áp mà còn cháy qua vỏ bọc bên ngoài khiến động cơ bốc cháy và cháy rụi máy bay khiến hải quân Mỹ mất 4 chiếc F/A-18 trong một năm vào năm 1987. Nó cũng là động cơ CF-6 của GE. Từ năm 1976, các vụ cháy titan liên tục xảy ra, đỉnh điểm vào giữa-1979. Trong một năm xảy ra 14 vụ cháy titan gây hậu quả nghiêm trọng.

Sau đó, ngoài việc thực hiện các biện pháp ngăn chặn cháy titan trong các động cơ mới được phát triển, thiết kế của một số động cơ đã được sử dụng trong nhiều năm cũng đã được sửa đổi. Ví dụ, động cơ F404 đã thay đổi vỏ máy nén đa áp suất cao bằng hợp kim titan thành vỏ thép hợp kim, đồng thời, vỏ ngoài bằng hợp kim titan được thay đổi thành vật liệu composite PMR15 có trọng lượng nhẹ hơn vật liệu. Sau khi cải tiến, trọng lượng của động cơ tăng thêm 0,5 kg.

CFM56, mẫu máy chị em của F404 (máy lõi của cả hai động cơ được phát triển từ máy lõi của F101 của GE), cũng đã được cải tiến tương ứng. Khung của máy nén áp suất cao CFM56 ban đầu được làm bằng hợp kim titan. Để ngăn lưỡi làm việc bằng hợp kim titan va chạm với khung và gây cháy titan, một bộ ngăn nhiều lớp chống mài mòn và chống cháy bằng titan rất phức tạp đã được thêm vào đai vòng của lưỡi làm việc tương ứng trong khung gầm.

Sau khi F404 đổi vỏ titan thành thép hợp kim, năm 1978, CFM56 cũng đổi vỏ máy nén cao áp từ hợp kim titan thành thép hợp kim. Đồng thời, vỏ ngoài bằng hợp kim titan cũng được đổi thành vật liệu composite PMR15. Cải tiến này đã giảm số lượng bộ phận động cơ xuống 140 mảnh, nhưng trọng lượng tăng 5,64 kg.

Trong giai đoạn đầu của động cơ dòng CF6 của GE, vỏ máy nén áp suất cao được làm bằng hợp kim titan, nhưng từ năm 1979, thép hợp kim đã được sử dụng để thay thế.

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 độ), vòng ghi và vòng đệm đều đã được thay thế bằng thép hợp kim.

Các cánh quạt shizuko loại 4-6 của máy nén áp suất cao động cơ A4－25 ban đầu được làm bằng hợp kim titan, nhưng sau những năm 1980, chúng đã được thay đổi từ hợp kim titan thành thép hợp kim. Trong thiết kế ban đầu của máy nén cao áp cho động cơ A30, ngoại trừ thép hợp kim cho các cánh tĩnh cấp 10, hợp kim titan được sử dụng cho phần còn lại của các cánh tĩnh ở tất cả các cấp. Vào những năm 1980, nhóm cánh quạt tĩnh từ thứ 5 đến thứ 9 và vòng trống giữa các bánh xe sau Giai đoạn 4 đều đã được thay thế bằng thép hợp kim. Thép.

Các bộ phận hợp kim titan cũng sẽ có những yêu cầu đặc biệt trong quá trình gia công và sản xuất. Khi nước ta xử lý lô cánh quạt hợp kim titan đầu tiên, nó đã gặp phải những lỗi xử lý chưa từng có.

Quá trình cuối cùng của cánh quạt là đánh bóng thân cánh quạt. Cái gọi là đánh bóng là khi các lưỡi dao cọ sát vào nhau trên bánh xe đánh bóng quay tốc độ cao, và bề mặt của các lưỡi dao được đánh bóng không chỉ đáp ứng các yêu cầu về kích thước thiết kế mà còn làm cho bề mặt sáng bóng. Khi lưỡi kiếm được đánh bóng, bề mặt của lưỡi kiếm và bánh mài cọ xát vào nhau sẽ tạo ra một lượng lớn sao hỏa phát sáng, sẽ được rải xuống mặt đất giống như pháo hoa trên bầu trời đêm. Khi lưỡi thép được đánh bóng, những vết gỉ này được phun xuống dưới, được làm mát bằng không khí, dần dần chuyển từ màu đỏ sang màu xám, cuối cùng biến thành các mảnh vụn màu đen với nhiệt độ thấp hơn, sẽ không gây bất kỳ ảnh hưởng xấu nào đến các bộ phận được xử lý. Do đó, trong xưởng đánh bóng lưỡi dao, hộp phụ tùng nhiều ngăn chứa lưỡi dao thường được đặt dưới bánh xe đánh bóng. Các lưỡi dao sắp được đánh bóng và các lưỡi dao đã được đánh bóng được lắp vào không gian nơi lắp đặt các lưỡi dao và không có nắp đậy phía trên các lưỡi dao.

Khi chúng tôi xử lý lô cánh quạt hợp kim titan đầu tiên, chúng tôi đã làm theo phương pháp cũ. Do đó, khi các cánh quạt được gửi đến khu vực lắp ráp linh kiện, chúng tôi thấy rằng có nhiều điểm mài mòn trên bề mặt của nhiều cánh quạt, điều này thật khó hiểu. Sau khi phân tích và kiểm tra cẩn thận, bí ẩn đã được phát hiện.

Hóa ra khi các lưỡi dao hợp kim titan được đánh bóng, sao hỏa do phoi tạo ra, trong quá trình rơi xuống, liên tục hấp thụ oxy từ không khí, khiến sao hỏa ngày càng lớn hơn, nhiệt độ cũng cao hơn. Khi những vệt sao hỏa ở nhiệt độ cao này bắn lên bề mặt của các cánh quạt được lắp trong hộp phụ tùng, một số điểm mài mòn sẽ xảy ra. Sau khi tìm ra nguyên nhân, một nắp đã được lắp vào hộp phụ tùng nơi lắp các lưỡi dao, giúp giải quyết vấn đề lớn này.