항공기 엔진의 티타늄 합금: 팬 및 압축기 응용 분야 및 등급 선택

항공기 엔진에서 티타늄이 중요한 이유

엔진은 항공기에 추력을 제공하는 요소이며, 해당 엔진에 선택된 재료에 따라 주어진 중량에 대해 얼마나 많은 추력이 생성될 수 있는지가 결정됩니다. 강철은 여전히 ​​필수적이지만 현대 엔진은 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 복합재 및 고온-합금에도 의존합니다. 티타늄은 성능이 향상되고 비용이 절감됨에 따라 엔진 질량에서 티타늄이 차지하는 비중은 해마다 증가해 왔으며 사용되는 수량은 국가, 제조업체, 엔진 모델 및 개별 디자인에 따라 상당히 다릅니다.

제트 엔진은 티타늄의 주요 응용 분야입니다. 미국의 한 엔진 제조업체의 경우 티타늄 합금 부품이 엔진 순질량의 7~18%를 차지하는 반면, 1950년대 초기 미국 터보제트는 약 6%의 티타늄을 사용했습니다.

제트 엔진의 티타늄 함량

널리 사용되는 미국산 터보제트의 경우 17단 로터가 원래 스테인리스 스틸로 만들어졌으나 나중에 티타늄 합금의 11단 디스크로 변경되었습니다. 해당 엔진의 최신 버전에서는 질량 기준으로 티타늄 합금이 20% 사용되었는데, 이전 버전에서는 4%만 사용되었습니다. 이는 주로 압축기의 강철 부품을 교체함으로써 5배 증가한 수치입니다.

이동 방향은 업계 전반에 걸쳐 동일합니다. 압축기 배출구 온도가 상승하고 설계자가 엔진 중량 감소를 추진함에 따라 더 많은 회전 및 정적 하드웨어가 강철에서 티타늄 합금으로 변환됩니다.

대형 터보팬의 팬 및 압축기 합금

미국의 한 초기 터보팬 엔진에서 저압 압축기의 팬 블레이드는 스페이서 및 팬 밸브와 함께 Ti{5}}6Al-4V로 만들어졌습니다. 팬 블레이드의 길이는 406mm로 압축기 블레이드 길이의 약 2배입니다. 동일한 제조업체의 최신 하이 바이패스 터보팬에서 팬 블레이드 길이는 711mm로 압축기 블레이드 길이의 거의 10배입니다. 티타늄 합금은 해당 엔진 질량의 28%(약 1.035t)를 차지하며, 그 중 46개의 팬 블레이드가 Ti-6Al-4V로 만들어졌습니다.

저압 압축기의 로터와 11{2}단 고압 압축기의 9단 로터는 Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo로 구성된다. 이들 중 마지막은 480도에서 견딜 수 있으며, 그 중 450kg이 엔진에 사용됩니다. 고정자 날개는 Ti-5Al-2.5Sn 합금으로 만들어집니다.

여러 국가가 공동 개발한 엔진의 무게는 2.2톤으로 전체 질량의 31%를 티타늄이 차지한다. 영국-설계 고압-압축기의 3~6단계에서는 Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si 유형의 높은 크리프 저항 합금을 사용하는 반면, 일본에서 제작한 엔진은 팬 및 저압 압축기 부품에 Ti-6Al-4V를 사용합니다.

엔진 스테이션에 합금 매칭

온도는 압축기를 통해 단계적으로 상승하므로 합금 선택은 부품 이름이 아닌 온도 맵을 따릅니다. Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금은 온도가 적당하게 유지되는 곳에 사용되고, Ti{10}}6Al-2Sn-4Zr-2Mo와 같은 알파 등급에 가까운-알파 등급은 고압 압축기의 더 뜨거운 후방 단계를 대신하며 크리프 방지 실리콘 베어링 등급은 고온과 지속적인 부하를 결합하는 단계에 사용됩니다. 온도가 티타늄의 유용한 범위를 초과하는 경우 고온 합금 또는 복합재가 대신하며 이 전이 온도는 엔진의 주요 설계 결정 중 하나입니다.

티타늄 공급업체의 실제 결과는 모든 경우에 동일합니다. 합금 등급, 열처리 조건, 미세 구조 및 초음파 품질 수준은 모두 해당 스테이션의 사양과 일치해야 합니다. 팬 블레이드, 디스크 및 고정자 베인은 동일한 등급으로 제작되었더라도 서로 다른 요구 사항에 따라 단조 및 검사되기 때문입니다.

자주 묻는 질문

Q: 제트엔진에서 티타늄이 차지하는 비중은 어느 정도인가요?
미국의 한 엔진 제조업체의 경우 티타늄 합금 부품이 엔진 순질량의 7~18%를 차지하며, 초기 터보제트는 약 6%, 대형 하이{3}}바이패스 터보팬은 약 28%, 공동 개발한 2.2t 엔진은 31%에 이릅니다.

Q: 항공기 엔진에 가장 많이 사용되는 티타늄 합금은 무엇입니까?
Ti{2}}6Al-4V는 팬 블레이드, 스페이서, 저압 및 고압 압축기 로터에 적용되는 가장 널리 사용되는 등급입니다.

질문: 팬 블레이드가 압축기 블레이드보다 훨씬 긴 이유는 무엇입니까?
팬이 훨씬 더 큰 고리를 쓸기 때문입니다. 여기에 설명된 엔진에서 팬 블레이드의 길이는 406mm와 711mm로 각각 압축기 블레이드 길이의 약 2배 및 거의 10배입니다.

Q: 압축기에서 티타늄의 사용 온도 한계는 얼마입니까?
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo와 같은 거의-알파 등급은 약 480도를 견딜 수 있으므로 더 뜨거운 고압 압축기 단계에 사용됩니다.

Q: 일부 압축기에 실리콘-함유 티타늄 합금이 사용되는 이유는 무엇입니까?
Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si 유형의 등급은 높은 내크리프성을 제공하므로 온도와 부하가 모두 높은 고압 압축기의 3~6단에 선택됩니다.

Q: 고정자 베인에는 어떤 티타늄 합금이 사용됩니까?
Ti-5Al-2.5Sn은 최대 강도보다 치수 및 야금학적 안정성이 더 중요한 고정자 베인과 같은 정적 하드웨어에 사용됩니다.