航空機エンジンへのチタン合金の応用について語る

Feb 07, 2022

1960 年代、英国が世界的に有名な単発垂直離着陸機「ハリアー」戦闘機 P1127 を開発していたとき、その試作機の 1 つである XP972 が 1962 年 10 月 30 日に試験飛行を行いました。試験飛行中に、使用されたペガサスエンジンのチタン合金コンプレッサーブレードがチタン合金ケーシングに衝突し、コンプレッサーが発火しました。（この火災現象を「チタン火災」といいます）、エンジンが失火して停止し、機体は墜落し、パイロットは無事パラシュート降下して救助されました。

数年後の 1960 年代後半に、米国の Pratt & Whitney が第 3 世代戦闘機 F-15 用に推力重量比 8.0 の F100 エンジンを開発しました。-15試運転の過程で、地上での試運転中にエンジンが高圧コンプレッサーのチタン合金ブレードとチタン合金ケーシングに衝突し、コンプレッサーが発火（「チタン火災」）し、炎がいたるところに広がった. 、そして最終的にエンジン全体が火災で破壊されました（図2）。

図 1. 「ハリアー」航空機のプロトタイプは、テスト飛行中にエンジン内の「チタン火災」により墜落しました。

この 2 つの大きな故障は、2 つのチタン合金部品が衝突してチタンが発火するという世界で最も初期の故障でしたが、当時は深刻に受け止められなかったため、後に多くのエンジンで何度も発生しました。 1979 年の統計によると、1962 年から 1979 年までの 17 年間に、西側諸国の航空機エンジンでチタンによる火災が合計 144 件発生し、そのうち 59 件が圧縮機のケーシングを通して焼失しました。

1950年代後半、航空エンジンに使用できるチタン合金が登場。この合金は軽量であるため、比重は合金鋼よりも 40% 低く (2 つの比重はそれぞれ 4.5g/cm3 と 7.8g/cm3)、ニッケルよりも 50% 低くなっています (比重はニッケルの比重は8g/cm3)で、耐食性に優れています。航空エンジンはインジケーターの軽さが非常に重要であるため、チタン合金は航空エンジンで急速に広く採用されています。

当時、チタン合金は、ファンやコンプレッサーの作動ブレード、ルーレットホイール、固定ブレード、シャーシ、シールデバイスなど、温度条件が許す限り、エンジンの設計に使用されていました。

しかし、使用中にエンジン作動中の偶発的な異常により、2つのチタン部品（作動ブレードと静止ブレード、作動ブレードとシャーシなど）が衝突して接地することが判明しました。適切な環境圧力と温度の条件下では、火花が発生し、部品が燃焼します。この現象を「チタン火災」と呼んでいます。チタン部品が発火すると、燃焼プロセスが急速に進みます。ブレードとケーシングを燃やすのに数秒しかかからず、被害の程度は非常に深刻です。図 3 は、チタンの火によって焼かれた作業ブレードの残骸を示しています。

図 3. チタンの火で焼かれた圧縮機の作動ブレード

チタンの火災は、チタンとチタンの部品の間で発生しただけでなく、図に示すように、チタンのブレードとスチール製のケーシングが激しく擦られた後にも発生し、チタンのブレードが燃え、炎が環状の溝からケーシングを焼き尽くしました。 4.エンジンでは、ファンコンポーネントの空気流の圧力と温度が低く、チタンの火が発生しにくいです。そのため、チタン火災によるファンの故障はほとんどありません。

図 4. スチール製のケーシングがチタンの火によって焼失し、アークが失われました。

1970 年代と 1980 年代には、いくつかの有名なエンジン、たとえばプラット & ホイットニーの PW4000、GE の CF6 と F404、英国のロールスロイスの RB211、旧ソ連の HK-8、HK-{86、Д{{8} } と АИ-25 はすべて、チタンの発火に失敗しました。

ソビエトの統計によると、1977 年から 1988 年の間だけでも、HK－8、HK－86、Д－30、АИ-25 などのソビエトエンジンで 30 件以上のチタン火災が発生しました。別の例は、米国が F/A-18 艦上戦闘機 GE に使用した F404 エンジンです。チタン合金高圧圧縮機の作動中のブレードにより、チタン合金ケーシングに衝突し、チタンが発火しました。炎は高圧コンプレッサーのケーシングだけでなく、外側のカバーケーシングも燃やし、エンジンに引火して航空機を焼き尽くし、米海軍は 4 機の F/A-18 航空機を失いました。 GEのCF-6エンジンでもあります。 1976 年以降、チタン火災事件は連続して発生し、半ばにピークに達しました。-1979。 1 年間に 14 件のチタン火災事故が発生し、深刻な結果をもたらしました。

その後、新たに開発されたエンジンのチタン火災を防止するための対策が講じられたほか、長年使用されてきた一部のエンジンの設計も変更されました。たとえば、F404 エンジンは、チタン合金の高圧マルチコンプレッサーケーシングを合金鋼ケーシングに変更すると同時に、チタン合金のアウターケーシングを軽量の PMR15 複合材に変更しました。素材。改良後、エンジンの重量は0.5kg増加しました。

F404 の姉妹モデルである CFM56 (両方のエンジンのコアマシンは GE の F101 のコアマシンから開発されています) もそれに応じて改良されています。 CFM56 高圧コンプレッサーのシャーシは、もともとチタン合金製でした。チタン合金の作業ブレードがシャーシと衝突してチタン火災を引き起こすのを防ぐために、非常に複雑な耐摩耗性とチタン耐火性の多層コンパートメントのセットが、対応する作業ブレードのリングベルトに追加されました。シャーシ。

F404がチタンケーシングを合金鋼に変更した後、1978年にCFM56も高圧圧縮機のケーシングをチタン合金から合金鋼に変更しました。同時に、チタン合金のアウターケーシングもPMR15複合材料に変更されました。この改良により、エンジンの部品点数は 140 個削減されましたが、重量は 5.64 kg 増加しました。

GE の CF6 シリーズエンジンの初期段階では、高圧コンプレッサーのケーシングはチタン合金で作られていましたが、1979 年以降、代わりに合金鋼が使用されています。

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度）、グレートリングとシールリングはすべて合金鋼に交換されています。

A4－25エンジン高圧圧縮機の4-6級シズコブレードは、もともとチタン合金製でしたが、1980年代以降、チタン合金から合金鋼に変更されています。 A30 エンジン用の高圧コンプレッサーの元の設計では、10 段目の静動ブレード用の合金鋼を除いて、すべてのレベルの残りの静動ブレードにチタン合金が使用されていました。 1980 年代には、第 4 段階以降の静止ブレードの第 5 から第 9 グループと車輪間のドラムリングがすべて合金鋼に置き換えられました。鋼。

チタン合金部品には、加工と製造においても特別な要件があります。わが国がチタン合金ファンブレードの最初のバッチを処理したとき、前例のない処理の失敗に遭遇しました。

ファンブレードの最終工程は、ブレード本体の研磨です。いわゆる磨きとは、高速で回転する砥石の上で刃同士を擦り合わせることで、刃の表面を研磨して設計寸法の要求を満たすだけでなく、表面を明るくします。刃を磨くと、刃の表面と砥石がこすれ合い、光る火星が大量に発生し、夜空に花火のように地面に吹き付けられます。鋼の刃が研磨されると、これらの傷は下向きに吹き付けられ、空気によって冷却され、徐々に赤から灰色に変わり、最終的に低温で黒いチップに変わります。これは加工部品に悪影響を与えません. したがって、ブレード研磨ワークショップでは、ブレードを含むマルチコンパートメントパーツボックスは、通常、研磨ホイールの下に配置されます。研磨直前の刃物と研磨済みの刃物を刃物を設置するスペースに挿入し、刃先を蓋で覆わない。

チタン合金ファンブレードの最初のバッチを処理したとき、私たちは古い慣行に従いました。その結果、ファンブレードが部品組立部門に送られると、多くのブレードの表面に複数のアブレーションポイントがあり、不可解であることがわかりました。慎重な分析と検査の後、謎が発見されました。

チタン合金の刃が磨かれると、削りくずによって生成された傷が落下の過程で空気中の酸素を継続的に吸収し、傷がどんどん大きくなり、温度が高くなることがわかりました。この高温の火傷がパーツボックスに挿入されたブレードの表面に飛散すると、いくつかのアブレーションポイントが発生します。原因が判明した後、ブレードを取り付けていた部品箱に蓋を取り付け、大きな問題を解決しました。