Блог

Jul 14, 2023

Решения для шлифования для аэрокосмической отрасли

Производители самолетов концентрируются на новых типах двигателей, которые сжигают больше топлива.

Производители самолетов уделяют особое внимание новым типам двигателей, которые более экономично сжигают топливо. Эти новые двигатели, работающие на обедненной смеси, работают при температурах, которые значительно превышают безопасные уровни эксплуатации современных компонентов двигателей из суперсплавов на основе никеля. В результате появляются новые материалы, такие как алюминид титана (TiAl), которые имеют более высокую термическую стабильность или удельную ползучесть, меньшую плотность (3,9–4,1 г/см3) и более высокую удельную прочность, чем предыдущие материалы.

Эти сплавы также обладают высоким удельным пределом текучести (предел текучести/плотность), высокой удельной жесткостью (модуль упругости/плотность), хорошей стойкостью к окислению, устойчивостью к возгоранию титана и хорошими усталостными свойствами при высоких температурах. Например, TiAl имеет прочность, эквивалентную суперсплавам, до 760° C (1400° F), однако плотность TiAl (4,0 г/см3) составляет менее половины плотности 718 Inconel (8,2 г/см3).

Замена лопаток из суперсплавов на более легкие лопатки из TiAl в секции турбины низкого давления авиационных двигателей снижает вес и повышает эффективность. Уменьшение веса лезвия также позволяет использовать опорный диск меньшего размера из никелевого сплава, что еще больше снижает вес. Сплавы TiAl могут обеспечить снижение веса до 50% в ступенях турбины низкого давления, улучшая тяговооруженность, снижая расход топлива и снижая выбросы выхлопных газов.

Высокий удельный модуль или жесткость ценен для компонентов и сборок с малыми зазорами, таких как опоры уплотнений и прокладки. Высокий удельный модуль также смещает акустические колебания на более высокие частоты, что снижает истирание и усталость в других областях конструкции. Обычные титановые сплавы, трущиеся о другие компоненты при высоких температурах (более 400°C или 752°F), могут воспламениться в реактивных двигателях, вызывая возгорание титана. TiAl почти так же устойчив к возгоранию титана, как и суперсплавы, поэтому барьеры из суперсплавов для предотвращения возгорания титана можно заменить на TiAl. После успеха TiAl в лопатках турбин низкого давления (НД) аэрокосмические инженеры также применяют TiAl в лопатках, лопатках и самосвалах компрессоров высокого давления (ВД).

Однако те же свойства, которые делают TiAl желательным для будущих авиационных двигателей, также затрудняют работу с ним. TiAl представляет собой интерметаллическое соединение со смешанными металлическими и ковалентными связями. Интерметаллические материалы, такие как TiAl, обладают сочетанием металлических и керамических свойств. Они обладают прочностью при повышенных температурах, необходимой для применения при высоких температурах, но обычно обладают низкой пластичностью при комнатной температуре, ударной вязкостью и плохими производственными характеристиками. Хорошая новость: изучение этих материалов и переосмысление существующих производственных процессов позволят найти экономически эффективное решение.

TiAl содержит от 45 до 50 атомных процентов алюминия. При комнатной температуре сплавы TiAl хрупкие, пластичность составляет от 0,3% до 4% в зависимости от конкретного сплава и микроструктуры.

Коммерчески доступны несколько вариантов TiAl, состав и микроструктура которых адаптированы для различных методов обработки. TiAl с дуплексной структурой содержит смесь пластинчатых гамма-колоний и гексагональных альфа-двух (Ti₃Al) фаз. Дуплексный TiAl имеет тенденцию иметь лучшую пластичность при комнатной температуре, но сопротивление ползучести составляет только 70% от современных никелевых суперсплавов. Полностью пластинчатый и почти пластинчатый гамма-алюминид титана (γ-TiAl) обладает более высокой вязкостью разрушения и сопротивлением распространению трещин, а его свойства ползучести эквивалентны свойствам суперсплавов до 1000 ° C. Кубический бета-TiAl обладает более высокой деформируемостью, поэтому сплавы γ-TiAl, затвердевающие в бета-диапазоне, могут быть горячекатаным или кованым после горячего изостатического прессования, специализированной экструзии и термообработки.

Грубые формы γ-TiAl, изготовленные с помощью ковки, литья и порошковой металлургии, преобразуются в готовые формы, соответствующие требуемым размерам, отделке и целостности поверхности, путем механической обработки, шлифования или нетрадиционными методами. Сложная обработка и термическая обработка, необходимые для достижения пластичных микроструктур при комнатной температуре и высокотемпературных свойств, приводят к более высокому коэффициенту закупок или высоким затратам на материалы для TiAl по сравнению с обычными суперсплавами.