تطبيق سبائك التيتانيوم في محرك الطائرة

المحرك هو قلب الطائرة. الأجزاء الدوارة مثل مروحة المحرك وقرص الضاغط عالي الضغط والشفرات لا يجب أن تتحمل الضغط الكبير فحسب، بل يجب أيضًا أن تتمتع بدرجة معينة من مقاومة الحرارة. ظروف العمل هذه حارة جدًا بالنسبة للألمنيوم وكثيفة جدًا بالنسبة للصلب. التيتانيوم هو الخيار الأفضل. يتمتع التيتانيوم بمقاومة جيدة لدرجات الحرارة العالية، ومقاومة الزحف ومقاومة الأكسدة عند درجات حرارة تتراوح بين 300 إلى 650 درجة. وفي الوقت نفسه، من المؤشرات المهمة لأداء المحرك هي نسبة الدفع إلى الوزن، وهي نسبة الدفع الناتج عن المحرك إلى كتلته. كانت لدى المحركات القديمة نسبة دفع إلى وزن تبلغ 2:3، لكنها الآن يمكن أن تصل إلى 10. وكلما ارتفعت نسبة الدفع إلى الوزن، كان أداء المحرك أفضل. إن استخدام سبائك التيتانيوم بدلاً من سبائك النيكل الأصلية ذات درجة الحرارة العالية يمكن أن يقلل من كتلة المحرك ويحسن بشكل كبير نسبة الدفع إلى الوزن لمحرك الطائرة. يستخدم التيتانيوم بشكل متزايد في محركات الطائرات. في محركات الطيران الأجنبية المتقدمة، تمثل كمية سبائك التيتانيوم ذات درجة الحرارة العالية ما بين 25% إلى 40% من إجمالي كتلة المحرك. على سبيل المثال، محتوى سبائك التيتانيوم لمحرك الجيل الثالث F100 هو 25%، ومحتوى سبائك التيتانيوم لمحرك الجيل الرابع F119 هو 40%.

تتطلب مكونات المحرك الهوائي أن تتمتع سبائك التيتانيوم بقوة فورية جيدة، ومقاومة للحرارة، وقوة دائمة، ومقاومة للزحف عند درجات الحرارة العالية، واستقرار هيكلي من درجة حرارة الغرفة إلى درجات الحرارة الأعلى. على الرغم من أن سبائك التيتانيوم من النوع - - والنوع القريب تتمتع بقوة شد عالية من درجة حرارة الغرفة إلى حوالي 300 درجة، إلا أن مقاومة الزحف واستقرار مقاومة الحرارة للسبائك تنخفض بشكل حاد عند درجات الحرارة المرتفعة، لذا فإن سبائك التيتانيوم من النوع نادر الاستخدام مستخدم. يستخدم في محركات الطائرات. تتميز سبائك التيتانيوم من النوع ألفا والنوع القريب- - بخصائص زحف جيدة ومتانة وقابلية لحام، كما أنها مناسبة للاستخدام في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.

لا تتمتع سبائك التيتانيوم بخصائص عمل ساخنة جيدة فحسب، بل تتمتع أيضًا بخصائص شاملة جيدة في بيئات درجات الحرارة المتوسطة والعالية. لذلك، تُستخدم سبائك التيتانيوم من النوع - والنوع القريب - - والنوع - - على نطاق واسع في محركات الطيران الفضائية.
حاليًا، تمت زيادة درجة حرارة التشغيل القصوى لسبائك التيتانيوم ذات درجة الحرارة العالية المستخدمة في محركات الطيران من 350 درجة إلى 600 درجة، والتي يمكن أن تلبي الاحتياجات المادية للمحركات المتقدمة. بعد نصف قرن من الجهود التي بذلها الباحثون في سبائك التيتانيوم حول العالم، Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V)، Ti-6Al-2Zr -1Mo-1V، Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si، Ti{{ 18}).25Al-11Sn-5Zr، Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe{{29} }.3Si، Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr، Ti-6Al-2Sn{ {38}}Zr-6Mo، Ti-6.2Al- 2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr{{48} .3Cr، Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-4Mo-0.45Si، Ti-5.8Al{{59} }Sn -3.5 Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C)، إلخ. سبيكة.
تتميز سبيكة Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V) بمزايا الكثافة المنخفضة، ومعامل المرونة العالي، والأداء الممتاز لتخميد الاهتزاز، والثبات الحراري الجيد، وأداء اللحام الجيد، وقابلية التشكيل الجيدة. . صلابتها المحددة هي الأعلى بين جميع سبائك التيتانيوم الصناعية. ل. تشاو يونغ تشينغ وآخرون. لقد أجرينا دراسة متعمقة حول الثبات الحراري وأداء التعب الناتج عن درجات الحرارة العالية لسبائك Ti811، ودرسنا تأثير البنية المجهرية وحالة سطح العينة على أداء الثبات الحراري لسبائك Ti811. أظهرت النتائج أن سبيكة Ti811 ذات الهيكل المتساوي المحور والهيكل ثنائي الحالة تتمتع بثبات حراري جيد؛ وجود هيكل يشبه الإبرة يقلل من الثبات الحراري لسبائك Ti811. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الدراسات أنه عندما يتم تسخين سبيكة Ti811 عند 425 درجة، فإن طبقة الأكسيد السطحية ووقت التعرض ليس لهما تأثير كبير على الاستقرار الحراري للسبيكة.

عند درجات الحرارة العالية التي تصل إلى 350 درجة و500 درجة، تزداد حساسية التعب المزعج لسبائك Ti811 مع زيادة درجة الحرارة. يعد الزحف عاملاً مهمًا يؤثر على فشل FF لسبائك Ti811 في درجات حرارة عالية. تؤثر التغييرات في سعة الإزاحة على التعب. دور وآلية عوامل الإجهاد والتآكل أثناء عملية FF.

سبائك التيتانيوم المقاومة للحرارة العملية حاليًا هي Ti1100 وIMI834، والتي تم استخدامها في المحركات المعدلة EJ2000 و55-712 على التوالي. بسبب وقوع حوادث "حريق التيتانيوم"، جذبت سبائك التيتانيوم المقاومة للهب المزيد والمزيد من الاهتمام. قامت الولايات المتحدة وروسيا ودول أخرى بتطوير سبائك تيتانيوم جديدة ذات خصائص مثبطة للهب جيدة. السبيكة C عبارة عن سبيكة تيتانيوم عالية القوة ومثبطة للهب طورتها شركة برات آند ويتني في الولايات المتحدة. لقد تم استخدامه كمكون فوهة متجهة لمحرك F119. التركيب الاسمي للسبيكة هو Ti-35V-15Cr (جزء الكتلة، %)، وتحتوي السبيكة على كمية كبيرة من معدن الفاناديوم باهظ الثمن. ، إلى جانب حقيقة أن عملية التشوه الساخنة لسبائك السبائك من النوع C تتطلب استخدام بعض المعدات الخاصة، مما يزيد من سعر المواد. أجرت روسيا أبحاثًا على سبائك Ti-Cu منخفضة التكلفة وأبلغت عن سبائك BT25 وBT36. قدم الباحثون العلميون الصينيون ملخصًا منهجيًا وتقييمًا مناسبًا للأعمال البحثية المبكرة حول سبائك التيتانيوم للمحركات.