Jak optimalizovat výkon čepelí z titanové slitiny?

Výrobce surovin Gr5 Titanium Alloys

Mezi produkty ze slitiny titanu jsou čepele z titanové slitiny základními součástmi s vysokým technologickým obsahem a jejich výkon přímo určuje provozní efektivitu a spolehlivost špičkových-zařízení. Ať už se jedná o lopatky kompresorů leteckých-motorů, turbínové lopatky plynových turbín nebo lopatky větrných kol větrných turbín, lopatky z titanové slitiny prolomily výkonnostní překážky tradičních kovových lopatek díky své nízké hmotnosti a odolnosti vůči vysokým-teplotám.

Pro lopatky kompresoru aero-motorů,Gr5 (Ti-6Al-4V)slitina titanuje preferováno. Pro lopatky vysokoteplotních turbín se používají intermetalické sloučeniny Ti-Al (jako je Ti-48Al-2Cr-2Nb) nebo slitiny řady Ti-Nb-Zr. Pro lopatky větrných turbín a lodí se většinou volí Gr5 ELI, Gr2 (komerčně čistý titan) a další materiály.

 

 

 

I. Aplikace čepelí z titanové slitiny

Různé scénáře použití čepelí z titanové slitiny mají různé požadavky na vlastnosti materiálu, konstrukční návrh a přesnost zpracování. Dá se říci, že čepele z titanové slitiny jsou klíčovou podporou pro vývoj špičkových-zařízení směrem k „vysoké účinnosti, nízké hmotnosti a dlouhé životnosti“.

Extrémní požadavky na výkon

V leteckých-motorech si lopatky z titanové slitiny dokážou zachovat strukturální stabilitu při vysokých teplotách 600-800 stupňů a odolat obrovské odstředivé síle způsobené-otáčením při vysoké rychlosti. Použití lopatek z titanové slitiny v leteckých-motorech se dělí hlavně na lopatky kompresorů a lopatky turbín. Vzhledem k různým pracovním prostředím se technické parametry obou výrazně liší. Lopatky kompresoru většinou používají titanovou slitinu Gr5 (Ti-6Al-4V), která musí odolat nárazům proudění vzduchu o stovkách metrů za sekundu a rotační odstředivé síle až 100 000 otáček za minutu při teplotě 300{{21}600 stupňů. Proto musí mít čepele extrémně vysokou pevnost v tahu (Větší nebo rovna 895MPa) a únavovou pevnost (Větší nebo rovna 600MPa). Lopatky turbíny jsou po spalování v přímém kontaktu s plynem o vysoké teplotě (dosahujte nad 1000 stupňů), takže je třeba použít slitinu titanu odolnou vysokým teplotám (jako je sériová slitina Ti-Al-Nb) nebo matricové kompozitní materiály ze slitiny titanu. Některé čepele jsou také pokryty keramickým povlakem prostřednictvím technologie plazmového stříkání, aby se dále zlepšila odolnost vůči vysokým teplotám.\\

Plynová turbína a lopatka větrné turbíny

U plynových turbín se lopatky z titanové slitiny používají hlavně v kompresorové části. Přestože je pracovní teplota nižší než u leteckých-motorů (200-500 stupňů), musí se přizpůsobit dlouhodobému-nepřetržitému provozu, takže mají vyšší požadavky na odolnost lopatek proti únavě a korozi. Například lopatky kompresorů plynových turbín Mitsubishi JAC v Japonsku používají slitinu Gr5 Ti-6Al-4V ELI s nízkým intersticiálním titanem.

Listy vrtule v námořním a lodním stavitelství

Lodní vrtule jsou dlouhodobě-ponořeny v prostředí mořské vody, které je náchylné ke korozi mořské vody a biologickému znečištění moře. Díky vynikající odolnosti proti korozi v mořské vodě (roční míra koroze v mořské vodě je pouze 0,001 mm) se čepele z titanové slitiny staly první volbou pro lodě vyšší třídy.

II. Přesné obrábění čepelí z titanové slitiny

Specifické třídy materiálů z titanové slitiny jsou sladěny s čepelemi z titanové slitiny pro různé aplikace. Od přípravy polotovaru až po tváření vstupuje do fáze přesného obrábění. U lopatek se složitou strukturou (jako jsou lopatky turbíny s chladicími otvory) se používá pětiosá{2}}technologie spojového frézování. Prostřednictvím vysokorychlostních-speciálních nástrojů z titanové slitiny (jako jsou nástroje s povlakem WC{5}}Co) je realizováno přesné obrábění profilů čepelí a čepů (částí spojených s hlavní hřídelí) s přesností obrábění až ±0,05 mm.

Některé lopatky také využívají technologii 3D tisku (SLM selektivní laserové tavení) k přímému roztavení prášku z titanové slitiny do tvarů lopatek, což je zvláště vhodné pro výrobu lopatek turbín se složitými vnitřními chladicími kanály. Povrchová úprava se provádí za účelem zlepšení odolnosti lopatek proti opotřebení, korozi a vysoké-teplotní odolnosti. Po zpracování je vyžadováno více-dimenzionální testování, aby byla zajištěna kvalita čepele. Ultrazvukové testování (UT) se používá k detekci vnitřních defektů, které nevyžadují žádné póry nebo praskliny s průměrem větším nebo rovným 0,5 mm. Zkoušky tahem a únavové zkoušky se používají k ověření mechanických vlastností materiálu, aby se zajistilo, že splňuje návrhové ukazatele. Ke zjištění přesnosti profilu lopatky se používají souřadnicové měřicí stroje a chyba tolerance profilu musí být kontrolována v rozmezí ±0,1 mm.

III. Optimalizace výkonu čepelí z titanové slitiny

Cíleným způsobem zlepšit pevnost, vysokou-teplotní odolnost a odolnost čepelí proti korozi úpravou chemického složení titanové slitiny nebo přidáním stopových legujících prvků.

Eliminujte vnitřní vady čepelí, zlepšujte kvalitu povrchu a rozměrovou přesnost a nepřímo zvyšujte výkon čepelí optimalizací technologie zpracování. V procesu 3D tisku SLM se používá technologie "laserového skenování s proměnným výkonem" pro nastavení výkonu laseru pro různé části čepele (150-200W pro profilovou část a 250-300W pro čepovou část), což nejen zajišťuje přesnost profilu, ale také zvyšuje pevnost čepu. Po tisku se provádí úprava izostatickým lisováním za horka (HIP) (teplota 920 stupňů, tlak 100 MPa), aby se odstranily drobné póry uvnitř tištěného dílu, čímž se hustota materiálu zvýší z 98 % na více než 99,9 %.

Úprava zpevnění povrchu: Technologie laserového šokového peeningu (LSP) se používá k vytvoření vrstvy zbytkového tlakového napětí o hloubce 0,5-1mm na povrchu čepele, která zvyšuje únavovou pevnost čepele o 30%-50% a účinně odolává únavovému poškození způsobenému vysokorychlostní rotací. U lopatek kompresoru se přesné broušení pomocí diamantových brusných kotoučů používá k řízení drsnosti povrchu v rámci Ra0,4μm, čímž se snižuje opotřebení povrchu způsobené nárazem proudění vzduchu. Optimalizace konstrukčního návrhu: Kombinujte analýzu mechaniky tekutin a strukturální mechaniky pro optimalizaci konstrukčního návrhu lopatek, zlepšení provozní účinnosti a odolnosti proti poruchám.