1

SECTIUNEA 1

RAPORTUL STIINTIFIC SI TEHNIC

(RST) Proiectul: Aliaje avansate pe baza de titan cu acoperiri dure pentru turbine de motoare industriale cu

poluare redusa - HardTiCoat

ETAPA DE EXECUTIE NR. 1

CU TITLUL : Caracteristici tehnice si de performanta pentru paleta de turbina libera din componenta turbomotoarelor

- Decembrie 2014 -

2

1. REZUMATUL ETAPEI 1

Lucrarea prezinta rezultatele obtinute in etapa a I-a a proiectului, referitoare la proiectarea compozitiei aliajului utilizat pentru executia paletei de turbina libera pentru motoare industriale.

In cadrul acestei etape, s-au efectuat activitati privind:

Activitate 1.1 Definirea cerintelor privind caracteristicile paletei de turbina libera

Activitate 1.2 Proiectarea compozitiei aliajului utilizat pentru executia paletei de turbina libera Activitate 1.3 Proiectarea tehnologiei de sinteza a aliajului Activitate 1.4 Selectarea compozitiei pentru acoperirea paletelor de turbina libera

Activitate 1.5 Calcule termodinamice preliminare

Activitate 1.6 Studii teoretice de stabilitate a fazelor structurale ale acoperirilor de faze ternare

In prezent, pentru componentele turbomotoarelor, inclusiv pentru paletele de turbina care functioneaza la temperaturi peste 550C - pana la temperaturile inalte de 1100 - 1400C -, se utilizeaza superaliajele de nichel, care au greutate mare si sunt scumpe (in special dupa includerea in anul 2009 a nichelului intre materiile prime strategice). Aliajele de titan, care au avantajul de a fi mai usoare, au in prezent limitari in ceea ce priveste temperatura de functionare (de pana la 550 - 600C).

Tendintele in ceea ce priveste cresterea eficientei turbomotoarelor, in special in domeniul industrial, dar si in cel aeronautic, au in vedere cresterea temperaturii de functionare, pentru reducerea consumului de combustibil la aceeasi putere generata, dar si reducerea greutatii proprii a componentelor si a costurilor. De aceea, pentru industriile de profil este de un real interes dezvoltarea de noi aliaje de titan care au greutate specifica aproape jumatate din cea a aliajelor de nichel si care functioneaza la temperaturi mai inalte decat aliajele comerciale de titan actuale.

Pe baza analizei privind caracteristicile fizico-mecanice si structurale necesare pentru aliajele pe baza de titan destinate executiei componentelor de turbomotoare care functioneaza in conditii de temperaturi ridicate si a studiului influentei elementelor de aliere ale titanului asupra acestor caracteristici, s-a proiectat compozitia aliajului pentru paleta de turbina libera. Acest aliaj pe baza de titan contine aluminiu, element care stabilizeaza faza si care are un rol important in cresterea raportului rezistenta mecanica/greutate specifica, zirconiu, element neutru din punct de vedere al stabilizarii fazelor, care creste refractaritatea si rezistenta la fluaj, staniu, de asemenea, element neutru, care impreuna cu siliciul asigura structura cu precipitate fine (compusi ai titanului cu staniu si respectiv siliciuri) responsabile pentru rezistenta la temperatura si caracteristicile mecanice ridicate, niobiu si tantal in cantitati mici, care cresc refractaritatea si asigura suficienta cantitate de faza pentru cresterea rezistentei la temperatura si imbunatatirea prelucrabiliatii aliajului. In compozitie mai pot intra molibden si vanadiu, elemente care, in cantitati mici, favorizeaza structura + .

Prin adaosul acestor elemente de aliere in titan se urmareste obtinerea unui aliaj cu capabilitate termica crescuta prin dispersie fina de precipitate ordonate in matrice + care impreuna cu acoperiri de tip bariera termica noi, alcatuite din faze ternare MAX (care se vor dezvolta in proiect de catre partenerul CO), sa permita o temperatura de lucru de cca. 700 C, cu 100 C mai mare decat temperatura de lucru a actualelor aliaje de titan comerciale.

S-au propus trei compozitii alternative. Toate cele trei compozitii de aliaj cu baza Ti contin ca elemente de aliere Al, Sn, Zr, Si, Ta, Nb. Doua dintre compozitii contin pe langa aceste elemente si Mo, iar una dintre acestea contine pe langa Mo si V.

3

Compozitiile propuse pentru noul aliaj care va fi cercetat in proiect, avand ca utilizare vizata executia paletei de turbina libera destinata turbomotoarelor industriale, sunt prezentate in tabelul de mai jos. Compozitii pentru aliajul care se cerceteaza

Compozitie [% greutate] Al Sn Zr Mo Si V Ta Nb Ti

5,5 6,5 2-3 3,5-4,5 - 0,2 0,4 - 2 2 rest 5,5 6,5 2-3 3,5-4,5 1 0,2 0,4 - 2 2 rest 5,5 6,5 2-3 3,5-4,5 1 0,2 0,4 1 2 2 rest

In etapa urmatoare a proiectului va fi selectata compozitia optimala, avandu-se in vedere studiile de simulare privind influenta compozitiei aliajului asupra temperaturii de functionare si rezultatele cercetarilor experimentale.

Pe baza rezultatelor analizei proceselor fizico-chimice in stare lichida care au loc la sinteza aliajelor cu baza titan, a proprietatilor fizico-chimice ale elementelor componente si a avantajelor si dezavantajelor procedeelor de topire a acestor aliaje s-a stabilit metoda de elaborare a aliajului fiind selectata metoda de topire in cuptor cu creuzet rece (in levitatie).

Tehnologia de sinteza a aliajului pentru palete de turbina libera are in vedere urmatoarele cerinte rezultate din studiul si analizele efectuate in cadrul etapei:

- sinteza aliajului trebuie sa se realizeze in atmosfera controlata inerta (argon); - sinteza aliajului se va efectua in cuptor cu creuzet rece. Avand in vedere cele de mai sus, se poate aprecia ca rezultatele obtinute in cadrul acestei etape

corespund estimarilor initiale; aceste rezultate garanteaza atingerea obiectivuilui proiectului si, prin urmare, nu sunt necesare corectii in desfasurarea proiectului.

Activitatea 1.1. Definirea cerintelor privind caracteristicile paletei de turbina libera (Stabilirea cerintelor de performanta privind caracteristicile fizice, mecanice si functionale ale componentelor turbomotoarelor, cu particularizare la paleta de turbina libera)

1. Introducere

Turbomotorul este un motor termic, care poate produce o cantitate mare de energie, in raport cu dimensiunile si masa lui. Turbomotoarele au o mare flexibilitate din punct de vedere al combustibilului utilizat care poate consta in petroluri, gaze naturale, metan, biocombustibili. Aceste caracteristici au condus in mod natural la utilizarea turbomotorului intr-o multitudine de domenii: aviatie, industrial si propulsie maritima. Principial, ca mod de functionare, turbomotorul foloseste ca fluid de lucru aerul pentru a produce o putere (la arbore) sau o forta de tractiune (aeroreactoare). Pentru a o obtine, aerul care trece prin motor trebuie accelerat in sensul ca viteza sau energia cinetica a aerului trebuie crescuta. Astfel ca, mai intai se va creste presiunea, se va adauga energie termica, care apoi va fi transformata in energie cinetica (sub forma unui jet de aer cu viteza mare). Indiferent de tipul sau domeniul de aplicatie, turbomotorul are printre componentele principale compresor, camera de ardere si turbina. Performantele turbomotorului in ansamblul sau sunt puternic influentate de eficienta fiecarei componenta in parte. In Figura 1 este prezentata dependenta ranadamentului global al ciclului unui

4

turbomotor in functie de gradul de comprimare al compresorului, la o anumita temperatura la intrarea in turbina [i]:

Figura 1. Randamentul global functie de gradul de comprimare al compresorului [1].

Se observa ca prin cresterea termperaturii la intrarea in turbina si cresterea gradului de comprimare al compresorului (pana la o anumita valoare a acestuia) se obtine o crestere a randamentului global. Astfel, in mod natural, in ultimele decade, tendinta a fost de crestere a acestor doi parametrii dupa cum este prezentat in Figurile 2 si 3 [1]. In figura 3, se specifica de asemenea ca, odata cu introducerea paletelor cu structura monocristalina (1980), temperatura operationala a putut fi crescuta considerabil.

Figura 2. Evolutia gradului de comprimare, in ultimele decade.

Figura 3. Evolutia temperaturii la intrarea in turbina, in ultimele decade.

Pentru majoritatea turbomotoarelor, factorul de constrangere a fost temperatura la intrarea in turbina. In prezent, se poate ajunge la temperaturi de 1430 C, cu grade de comprimare de 40:1, cu

5

randamente de peste 45 % [1]. Diversi autori [ii,iii,iv] au remarcat faptul ca in ultimele decenii temperatura la intrarea in turbina (TET) a fost crescuta cu circa 500 C pe baza dezvoltarii de noi materiale si tehnologii pentru racirea componentelor sau prin acoperiri de suprafata de tip bariera termica. Circa 30% din aceasta crestere este atribuita imbunatatirii proprietatilor superaliajelor si metodelor de solidificare pentru obtinerea de structuri columnare sau monocristaline. Figura 44 prezinta evolutia temperaturii la intrarea in turbina pentru motoarele civile dezvoltate de Rolls-Royce [v]. Aceste solicitari de natura termo-mecanica determina restrictii in ceea ce priveste materialele care pot fi utilizate pentru realizarea diferitelor componente ale turbomotoarelor pentru a asigura stabilitatea structurala si integritatea functionala pentru durate mari de timp.

Figura 4. Evolutia TET pentru motoarele dezvoltate de Rolls-Royce. Adaptat din Ref. [5]. In Figura 5 sunt prezentate (ca ordine de marime) variatiile temperaturii, vitezei si a presiunii totale a aerului, pentru a crea o imagine generala asupra solicitarilor intr-un turbomotor [vi].

Figura 5. Variatia temperaturii, vitezei si presiunii aerului intr-un turbomotor. Adaptat din Ref. [6]

2. Definirea cerintelor privind caracteristicile paletei de turbina libera

6

2.1 Cerinte de performanta pentru principalele componente ale turbomotoarelor

2.1.1. Compresorul

Descriere generala Compresorul este componenta motorului, care are ca rol furnizarea cantitatii de aer la presiuni ridicate necesare turbinei. Din punct de vedere constructiv se disting doua tipuri de compresoare: centrifugal si axial. Compresorul centrifugal poate avea una sau doua trepte, care contin un rotor si un difuzor. Compresorul centrifugal are 3 componente principale: admisie, rotor si difuzor. Rotorul consta dintr-un disc forjat, cu palete integrate dispuse radial. Difuzorul consta intr-un numar de palete, dispuse tangential cu rotorul. Jocul intre aceste doua componente este un factor important : daca este prea mic, poate induce oscilatii aeroelastice si producerea de vibratii nedorite. Compresorul axial poate avea mai multe trepte, alternand treptele de rotor cu cele de stator. O treapta consta intr-un rand de palete de rotor, urmate de unul de palete de stator. Presiunea este crescuta succesiv, dupa fiecare treapta. O treapta de rotor consta dintr-un disc pe care se fixeaza, prin diferite modalitati, paletele. Paletele au profil aerodinamic si sunt proiectate astfel incat sa creeze un gradient de presiune in lungul lor, pentru a asigura o viteza axiala a aerului uniforma. Statorul contine de asemenea palete profilate aerodinamic, fixate fie direct, fie prin intermediul altor piese, de carcasa compresorului. Acestea sunt fixate, astfel incat sa nu se roteasca in jurul carcasei.

Solicitari si materiale Carcasa compresorului trebuie sa fie usoara, rigida si proiectata in asa fel incat jocurile intre ea si paletele de rotor sa se pastreze in timpul functionarii. Aceste necesitati sunt satisfacute utilizand aliaje de aluminiu pentru primele trepte si oteluri si oteluri aliate pe masura ce temperatura creste datorita comprimarii. Catre ultimele trepte (unde temperatura aerului poate depasi posibilitatiile celui mai bun otel aliat sunt folosite si aliaje de nichel. Pentru motoarele unde masa cat mai redusa este o cerinta dominanta (spre exemplu in aviatia militara), aluminiul si otelul pot fi inlocuite cu succes de catre titan si aliaje de titan. Una din principalele cerinte ale materialelor din care sunt realizate paletele de stator este o mare rezistenta la oboseala [Ref. 6]. Acestea sunt realizate de regula din oteluri aliate sau aliaje de nichel. Aliajele de titan pot fi folosite pentru primele trepte, dar nu este recomandat pentru treptele finale unde temperaturile sunt mai ridicate. In rotorul compresorului, fortele dominante sunt cele centrifuge. Astfel, se va cauta un material cu un raport rezistenta/densitate cat mai mare. In acest fel ansamblul rotoric va fi mai usor, reducandu-se astfel si fortele pe structura motorului. Din acest motiv, se utilizeaza cu precadere aliaje de titan conventionale pentru primele trepte ale compresorului [Ref. 6]. Pentru ultimele trepte de compresor, se pot folosi aliaje de titan de temperatura inalta sau aliaje de nichel. Totodata, pentru a impiedica coroziunea paletelor se recomanda sa fie acoperite cu materiale anticorozive. In Tabelele 1 si 2 se prezinta exemple de aliaje de titan si oteluri utilizate in constructia compresorului [vii].

7

Tabelul nr. 1. Aliaje de titan utilizate in constructia compresorului.

Ti64

Ti-6Al-4V 315

Stator, rotor-

pe treptele

reci

discurile pentru ventilator si

compresor de joasa presiune pentru

motor 4084 - Pratt & Whitney

Ti811 Ti-8Al-1Mo-1V 400 palete rotor motoare militare

Alloy 685 Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si 520

Alloy 829Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-

0.25Mo0.3Si 550

Alloy 834Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-

0.5Mo-0.35Si-0.06C 600

disc

compresor

motor Rolls-royce : disc compresor

ultimele trepte ( pentru

compresoare cu presiune medie)-

pe avioane comerciale

Ti1100

Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.4Mo-0.4Si 600

folosit de Allison Gas Turbine

Engines pentru motoare ce dezvolta

forte de tractiuni mari pentr

familiile de motoare

406/GMA3007/GMA2100

Ti6242Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo

Ti6242S

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.2Si 540

Compozitie chimica

nominalaNume

palete,

discuri,

rotoare -

pentru trepte

de mare

motoare din Rolls-Royce - RB2111,

535E4

ComentariiUtilizare

Temperatura

maxima de

utilizare

(grade C)

Tabelul nr. 2. Oteluri utilizate in constructia compresorului

Nume Compozitie chimica nominala Comentarii

AISI 403 Fe12Cr0.11C otel inoxidabil martensitic

AISI 403+Nb Fe12Cr0.2Cb0.15C otel inoxidabil martensitic

GTD-450 Fe15.5Cr6.3Ni0.8Mo0.03C otel inoxidabil

2.1.2. Camera de ardere

Descriere generala Camera de ardere este componenta motorului care are rolul de introducere a caldurii in sistem. Poate fi de doua tipuri principale: individuala sau inelara. Indiferent de solutia constructiva, camera de ardere trebuie sa fie capabila sa mentina o ardere stabila si eficienta, la diferitele regimuri de functionare ale motorului, cu pierderi de presiune minime. Camerele de ardere individuale sunt de forma tubulara, montate in jurul axului motorului. Aceste tuburi sunt conectate intre ele. Aceasta interconectare permite ca fiecare tub de foc sa functioneze la aceeasi presiune si propagare a arderii (la pornirea motorului). Sunt utilizate in mare parte, impreuna cu compresoarele centrifugale. Camerele de ardere inelare au un spatiu de ardere unic. In aceste tip, flacara este mai greu de stabilizat. Avantajul principal al acestora este ca, la aceleasi performante, camera de ardere inelara este mai scurta cu circa 15 % fata de cea tubulara [Ref. 6]. Un alt avantaj ar fi eliminarea problemelor de propagare aprinderii de la tub la tub.

Solicitari si materiale

8

Partile componente ale camerei de ardere trebuie sa fie capabile sa reziste la temperaturi inalte (cele mai expuse fiind partile interioare, din zona de inceput a camerei de ardere ). Acest lucru se realizeaza prin diverse solutii constructive (racirea cu aer a peretelui interior, prin izolarea lui fata de flacara), prin folosirea de materiale tratate termic si acoperiri de suprafata. Camera de ardere trebuie sa fie rezistenta la coroziune (datorata produselor de ardere), oboseala (datorata vibratiilor) si fluajului (datorat gradientului mare de tempertura). Din acest motiv cele mai recomandate materiale pentru realizarea camerelor de ardere sunt superaliajele. In Tabelul nr. 3 se prezinta exemple de materiale utilizate pentru camerele de ardere.

Tabelul nr. 3. Superaliaje utilizate pentru realizarea camerei de ardere [Ref. 6] Nume Compozitie chimica Comentarii

Hastelloy X Ni22Cr1.5Co1.9Fe0.7W9Mo0.07C0.005B

Superaliaj pe baza de nichel - folosit

intre anii 1960 -1980

Nimonic 263 Ni20Cr20Co0.4Fe6Mo2.1Ti0.4Al0.06C Superaliaj pe baza de nichel

HA188 Co22Cr22Ni1.5Fe14W0.05C0.01B Superaliaj pe baza de cobalt

617 54Ni22Cr12.5Co8.5Mo1.2Al Superaliaj pe baza de nichel

230 55Ni22Cr5Co3Fe14W2Mo0.35Al0.10C0.015B

Superaliaj pe baza de nichel, cu

procente mari de Co, Fe si B

2.1.3. Turbina

Descriere generala Turbina indeplineste in principiu doua roluri: de a produce energia necasara pentru a actiona compresorul si accessoriile lui si de a produce puterea la arbore (pentru un rotor sau o elice). In turbina se produc solicitari mari datorita caractersiticilor aerului vehiculat de aceasta : temperaturi de ordinul 850-1700 C si viteze ce pot atinge 600 700 m/s [6]. Pentru a produce puterea necesara motorului, turbina poate contine mai multe trepte, fiecare treapta fiind compusa dintr-un stator si un rotor. Numarul de trepte depinde de puterea necesara debitata de turbina, viteza de rotatie necesara si diametrul ei. Statorul este format din palete (cu profil aerodinamic) fixatede carcasa turbinei. Canalul dintre doua palete de stator, formeaza un canal convergent. De regula paletele de stator sunt goale si pot fi racite cu aer. Rotorul este format din disc si palete. Paletele de rotor au de asemenea profil aerodinamic si sunt dispuse in asa fel incat creeaza intre ele un canal, care accelereaza uniform aerul, pana in sectiunea critica. Metoda de montare a paletelor de turbina pe disc, are o importanta deosebita, tinand cont ca solicitarile in discul turbinei, in jurul zonei de fixare, sau in piciorul paletei, au un comportament important, ce limiteaza viteza de rotatie.

Solicitari si materiale In turbina exista doi factori foarte importanti care determina solicitarile pe componentele acesteia: temperaturile foarte mari ale gazelor de ardere si vitezele mari de rotatie. Principalele caracteristici pe care trebuie sa le prezinte materialele din constructia turbinei sunt :

- Rezistenta mecanica si limita de curgere cat mai ridicate la temperaturi inalte: materialele trebuie sa aiba o rezistenta mare la rupere, conditie impus de eforturile mari ce se produc datorita fortelor centrifuge si solicitarilor termice (pentru palete 1200-1450 C [1], iar pentru discuri 400-600 C);

- Rezistenta mare la coroziune si oxidare: fenomenele de coroziune si oxidare sunt amplificate odata cu cresterea temperaturii. Acestea sunt produse de circulatia intensa a gazelor. Diferite elemente pot combate aceste doua fenomene, astfel ca alierea cu nichel si cobalt creste

9

rezistenta la oxidare, iar alierea cu nichel, crom, cobalt, titan, niobiu creste rezistenta la coroziune [viii].

- Rezistenta la fluaj: conditia este impusa de aceleasi conditii de temperaturi ridicate, la turatii mari, in timp indelungat, in care componentele turbinei trebuie sa ramana nedeformate.

- Rezistenta la oboseala si oboseala termomecanica: cerinta este impusa de functionarea turbomotorului, care creeaza socuri mecanice si termice la modificarea regimului de lucru.

In aceste conditii materialele folosite in constructia turbinelor trebuie sa reziste la incarcari asemantoare cu cele pentru compresoare dar la temperaturi ridicate. Materialele metalice folosite, sunt de o diversitate mare si se pot imparti in doua mari categorii: aliaje de nichel si aliale de cobalt. Pentru materialele folosite in constructia statoarelor, cele mai importante proprietati sunt rezistenta la temperatura si rezisenta la oxidare si coroziune. Astfel, in majoritate se folosesc aliaje de nichel si cobalt, cu specificatia ca, aliajele de cobalt au o rezistenta mai mare la temperaturi ridicate, decat cele pe baza de nichel. Totodata, pentru a preveni topirea paletelor de stator, acestea pot fi racite cu aer. Ca o masura suplimentara de protejare a paletelor de stator se pot utiliza si acoperiri ceramice de tip bariera termica, fapt ce va necesita o cantitate mai mica de aer de racire. In Tabelul nr. 4, sunt prezentate exemple de materiale uzuale pentru constructia statorului, pentru motoare industriale.

Tabelul nr. 4. Exemple de superaliaje utilizate pentru constructia statoarelor [Ref. 7] Nume Compozitie chimica

X40 Co-25Cr10Ni8W1Fe0.5C0.01B

Super-aliaj pe baza de

cobalt

X45 Co-25Cr10Ni8W1Fe0.25C0.01B

Super-aliaj pe baza de

cobalt

FSX414 Co-28Cr10Ni7W1Fe0.25C0.01B

Super-aliaj pe baza de

cobalt

folosit de

General Eletric,

treapta 1

N155 Fe-21Cr20Ni20Co2.5W3Mo0.20C

Super-aliaj pe baza de

fier

folosit de

General Eletric,

ultimele trepte

GTD-222

Ni-22.5Cr19Co2.0W2.3Mo1.2Ti0.8Al0.10V

0.008C1.0B

Super-aliaj pe baza de

nichel

folosit de

General Eletric,

treptele 2, 3

Comentarii

Discurile de turbina functioneaza la viteze de rotatie mari, intr-un mediu cu temperaturi nu foarte ridicate. Prin urmare, caracteristica principala a materialului discului va fi rezistenta la oboseala. In prezent, majoritatea discurilor de turbina sunt realizate prin deformare plastica din superaliaje cu baza fier sau nichel. Ca o alternativa, discurile de turbina pot fi realizate prin procedee de metalurgia pulberilor care, desi mai costisitoare decat alte procedee, (forjare sau matritare) au avantajul ca se pot utiliza o diversitate mai mare de materiale care sunt mai greu (sau imposibil ) de prelucrat prin metode conventionale [ix]. Intrucat regimurile de functionare si solicitare sunt diferite in aviatie fata de aplicatiile industriale si materialele din care sunt realizate discurile de turbina pot fi diferite. In Tabelul nr. 5 se prezinta exemple de materiale pentru discurile de turbina utilizate in aviatie, iar in Tabelul nr. 6 se prezinta exemple de materiale pentru discurile de turbina folosite pentru aplicatii industriale.

Tabelul nr. 5. Materiale pentru discuri de turbina utilizate in aviatie

10

Nume Compozitie chimica

A286

Fe15Cr25Ni1.2Mo2Ti0.3Al0.25V

0.08C 0.006B

Super-aliaj de

fier

metalurgie

conventionala

718 Ni19Cr18.5Fe3Mo0.9Ti0.5Al5.1Cb 0.03C

Super-aliaj de

nichel

metalurgie

conventionala

IN 100

60Ni10Cr15Co3Mo4.7Ti5.5Al0.15C 0.015B

0.06Zr1.0V

Super-aliaj de

nichel

metalurgia

pulberilor

Rene 95

61Ni14Cr8Co3.5Mo3.5W3.5Nb2.5Ti3.5Al

0.16C0.01B0.05Zr

Super-aliaj de

nichel

metalurgia

pulberilor

LC Astroloy 56.5Ni15Cr 15Co5.25Mo3.5Ti4.4Al 0.06C0.03B0.06Zr

Super-aliaj de

nichel

metalurgia

pulberilor

MERL-76

54.4Ni12.4Cr18.6co3.3Mo1.4Nb

4.3Ti5.1Al0.02C0.03B0.35Hf0.06Zr

Super-aliaj de

nichel

metalurgia

pulberilor

Rene88 DT

56.4Ni16cr13Co4Mo4W0.7Nb3.7Ti

2.1Al0.03C0.015B0.03Zr

Super-aliaj de

nichel

metalurgia

pulberilor

Udimet 720

55Ni18Cr14.8Co3Mo1.25W5Ti2.5Al0.035C

0.033B0.03Zr

Super-aliaj de

nichel

metalurgie

conventionala /

pulberi

Udimet

720LI

57Ni16Cr15Co3Mo1.25W5Ti2.5Al0.025C0.

018B0.03Zr

Comentarii

aliaj Udimet 720 cu continut scazut

de bor si Carbon

Tabelul nr. 6. Materiale pentru discuri de turbina pentru aplicatii industriale

Nume Compozitie chimica Comentarii

CrMoV

steel Fe1Cr0.5Ni1.25Mo0.25V0.30C

M152 Fe12Cr2.5Ni1.7Mo0.3V0.12C

A286

Fe15Cr25Ni1.2Mo2Ti0.3Al0.25V

0.08C 0.006B Super-aliaj de fier

706 Ni16Cr37Fe1.8Ti2.9Cb0.03C

Super-aliaj de

fier/nichel

718 Ni19Cr18.5Fe3Mo0.9Ti0.5Al5.1Cb 0.03C

Super-aliaj de

fier/nichel

Udimet

720

55Ni18Cr14.8Co3Mo1.25W5Ti2.5Al0.035C

0.033B0.03Zr Super-aliaj de nichel

Udimet

720LI

57Ni16Cr15Co3Mo1.25W5Ti2.5Al0.025C0.

018B0.03Zr Super-aliaj de nichel

Cele mai solicitate componente ale turbomotoarelor sunt paletele de turbina. Paletele de turbina trebuie sa fie capabile sa reziste la forte centrifugale mari si la temperaturi foarte ridicate. Ele trebuie sa reziste la oboseala, fluaj si socuri termice. Totodata, trebuie sa aiba o foarte buna rezistenta la coroziune si oxidare. Durabilitatea paletelor de turbina este determinata in special de rezistenta la fluaj. Primele materiale folosite pentru paletele de turbina, au fost otelurile aliate rezistente la temperatura, dar acestea au fost rapid inlocuite de aliaje de nichel, care au o mai mare rezistenta la fluaj si oboseala. In prezent paletele de turbina sunt realizate in marea lor majoritate prin turnare de precizie care permite o mai mare flexibilitate in procesarea superaliajelor decat procedeele utilizate initial de deformare plastica. In paralel cu dezvoltarea de noi superaliaje, introducerea tehnologiilor de topire si turnare in vid si ulterior a tehnicilor de solidificare unidirectionala au permis realizarea de palete de turbina cu caracteristici imbunatatite substantial, ca urmare a eliminarii limitelor de graunte orientate transversal fata de axa paletelor (palete cu structura columnara) sau eliminarea completa a limitelor de graunte (palete cu structura monocristalina) [5,x]. Diferitele generatii de superaliaje cu baza nichel cu structura monocristalina au evoluat pe seama optimizarii compozitiilor chimice si a alierii cu elemente considerate exotice (Re, Ru, Pt) in scopul imbunatatirii rezistentei la oxidare si a comportarii la fluaj. In Figura 6 se prezinta evolutia diferitelor generatii de superaliaje cu baza nichel cu structura monocristalina [xi]

11

a) b) Figura 6. Superaliaje cu structura monocristalina: evolutia rezistentei la oxidare si fluaj (a) si diagrama

Larson-Miller (b).

2.1.4 Turbina libera

Descriere generala Turbina libera este un organ generator de energie mecanica, ce are rolul de a antrena alte sarcini decat compresorul respectivului turbomotor, cum ar fi : elice, reductor, sarcina exterioara. Turbina libera nu este conectata mecanic la gazogenerator (ansamblul compresor/camera de ardere/turbina), cuplajul intre aceastea facandu-se doar termogazodinamic. Turbomotoarele cu turbina libera sunt in folosite in general pentru elicoptere, nave, aplicatii industriale, etc. Configuratia cu turbina de putere libera are diverse avantaje, cum ar fi : a) pornire usoara Datorita cuplajului termogazodinamic pornirea gazogeneratorului se realizeaza independent, si deci mai usor, de sarcina. Astfel, motorul poate ajunge intr-un regim operational (relanti), inainte de a prelua sarcina echipamentului antrenat. b) turatie optimizata in functie de sarcina Turbina libera (respectiv arborele de iesire) poate avea turatie diferita de cea a gazogeneratorului. Acesta este un avantaj major, deoarece turbina libera poate fi proiectata pentru regimuri corespunzatoare echipamentului antrenat, turatii care pot scadea pana la 3000- 4000 RPM [10], mult mai mici decat cele de gazogenerator. Mai mult, pentru motoarele unde turatia arborelui de iesire este exact cea necesara echipamentului antrenat, se poate elimina reductorul, crescandu-se astfel eficienta (reductorul creeaza pierderi de 2-4 % [xii] din puterea turbomotorului) si reducandu-se costurile de intretinere de-a lungul vietii instalatiei. Pentru turbomotoarele unde nu se pot egala cele doua turatii, raportul de turatii dintre turbina libera si sarcina poate ramane totusi mic, astfel incat se foloseste un reductor cu un raport de transmisie mai mic decat in alte cazuri. Acest reductor este de obicei mai ieftin, mai usor de intretinut si are pierderi de ordin mai mic, fata de cel folosit de un motor cu turbine de putere cuplata mecanic cu gazogeneratorul. Pentru antrenarea sarcinii, turbina libera este cuplata mecanic la aceasta, prin intermediul unui cuplaj. Conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca cuplajele sunt: siguranta in functionare, dimensiuni de gabarit reduse, montare i demontare usoare, sa fie echilibrate static i dinamic, sa asigure durabilitate ridicata, etc. Functia principala a cuplajului este transmiterea miscarii si a momentului de torsiune, avand si functii suplimentare, cum ar fi: - compensarea abaterilor de pozitie a elementelor legate prin cuplaj, datorate erorilor de executie si/ sau montaj;

12

- potectia impotriva socurilor si vibratiilor; - posibilitatea eliminarii la nevoie a legaturii dintre cele doua elemente; - limitarea sarcinii transmise si/sau a turatiei in scopul protejarii echipamentelor; - stabilirea sensului de transmitere a sarcinii. In timpul functionarii, asupra elementelor cuplajelor actioneaza si alte sarcini suplimentare, care pot afecta functionarea turbinei libere, cum ar fi : - sarcinile de inertie variabile, care apar in regimuri nestationare de functionare; - sarcinile de soc si vibratorii, care apar atat in regim nestationar cat si in regim stationar de functionare; - sarcinile datorate deformarii accidentale/fortate a elementelor componente ale cuplajelor si a elementelor sistemului de actionare, ca urmare a nealinierii arborilor; - sarcinile datorate frecarii reciproce a elementelor mobile ale cuplajelor daca este cazul. In general, cuplajul poate fi realizat in fata turbomotorului sau in spatele acestuia (Figura 7).

a) b) Figura 7. Schema de principiu a motorului cu sarcina conectata in spatele turbomotorului (a), respectiv

in fata motorului (b) motor ST18

Cuplaj in spatele motorului In acest caz, arborele de iesire se afla in spatele turbinei, unde temperatura gazelor poate fi in jurul valorii de 500 grade Celsius. Aceste temperaturi afecteaza functionarea si durata de viata a elementelor de cuplare. Totoadata, aceasta configuratie este dificil de pus in practica, pentru ca ansamblul de cuplare trebuie construit prin ajutajul de evacuare. Astfel, apar diferite aspecte de care trebuie tinut sema in proiectare: temperaturi ridicate, turbulenta din ajutajul de evacuare, caderi de presiune mari, accesibilitate redusa pentru lucrari de intretinere, etc. Cuplaj in fata motorului In acest caz, arborele de iesire se afla in fata compresorului si eventual si a prizei de admisie. Avantajele principale ale acestei configuratii sunt: accesibilitatea echipamentului antrenat si sarcina expusa la temperatura mediului. Dezavantajul acestei pozitionari este lungimea mare a arborelui de cuplare si faptul ca intrarea in compresor trebuie proiectata in asa fel incat sa inglobeze si arborele de iesire (curgerea in dispozitivul de admisie nu trebuie sa fie turbulenta si trebuie sa furnizeze o curgere uniforma la toate regimurile de functionare pentru a evita intrarea compresorului in regim de pompaj.

2.2 Regimuri termice si solicitari pentru o turbina (turbomotor) industriala de putere mica (1 2 MW) cu turbina libera.

Diagrama calitativa entalpie-entropie a turbinei libere este reprezentata in Figura 8.

13

Figura 8. Diagrama calitativa entalpie-entropie unde : h entalpie specifica s entropie specifica starea 3* - iesirea din camera de ardere a gazogeneratorului starea 4*GG - intrarea in turbina libera ( iesirea din turbina gazogeneratorului) starea 4*GGid - starea ideala corespunzatoare lui 4*GG starea 4*TL - iesirea din turbina libera starea 4*TL id - starea ideala corespunzatoare lui 4*TL starea 5 - iesirea din ajutajul de evacuare. Pentru a putea determina regimurile si solicitarile termice ale turbinei libere, se fac urmatoarele ipoteze : 1) Puterea furnizata sarcinii exterioare P ~ 1-2 MW 2) Lucru mecanic pe turbina libera : Turbina libera poate avea 1, 2 sau 3 trepte. O treapta de turbina poate avea un lucru mecanic specific lTL~100 - 250 kJ/kg [xiii]. 3) Viteza la iesirea din ajutajul de evacuare: viteza c5 este de ordinul 100 m/s iar temperatura T5 ~ 300 - 600 grade C. 4) In literatura de specialitate, se specifica turatia turbinei libere ca fiind nTL~ 3000 - 25000 RPM 5) Pierderea de viteza in ajutajul de evacuare Aj~ 0.9 - 0.98 [13] 6) Randamentul turbinei ~ 0.86 - 0.9 [13] 7) Se considera ca in ajutajul de evacuare se produce destindere completa, astfel ca p5 este presiunea atmosferica 8) Excesul de aer ( rezultat in urma proceselor din gazogenerator) aer~2 - 6 [13] 9) Combustibilul folosit este o hidrocarbura, minL = 14.67 kg aer/ kg combustibil [13] 10) Se considera cunoscuti parametrii atmosferici : temperatura To =288 K; presiunea p0=1.01325 bar; entalpia h0=288.0984 kJ/kg; entropia s0=6.660122 kJ/kg*K precum si constantele pentru aer R = 288 J/kg*K si pentru gaze de ardere R=287.16 J/kg*K. 11) Polinoame h(T) si s(T) pentru aer si gaze de ardere cu exces unitar sunt prezentate in Tabelul nr. 7.

Tabelul nr. 7. Polinoame h(T) si s(T) pentru aer si gaze de ardere [12]

14

T^0 T^1 T^2 T^3 T^4 T^5

aer h -4.32139 1.0473499 -0.000191146 3.1605E-07 -1.3687E-10 1.48E-14

T - (200; 1000 )K s 4.941494 0.009640127 -1.77859E-05 2.1014E-08 -1.32637E-14 3.42E-15

aer i 14.05847 0.9513943 -6.73506E-06 1.62709E-07 -9.25773E-11 1.7E-14

T - (600;1700 )K s 5.674248 0.004637718 -4.17439E-06 2.59904E-09 -8.98216E-13 1.29E-16

gaze ardere -

exces unitar h 37.6687 0.83071487 0.000350779 -1.29054E-07 3.56506E-11 -5.3E-15

T - (600;1700 )K s 5.762517 0.005168511 -4.84713E-06 3.17058E-09 -1.14694E-12 1.72E-16

Pentru a determina proprietatile termodinamice la fiecare stare, se folosesc relatiile :

(1)

(2)

Unde : - entalpia si entropia pentru aer, obtinuta cu polinoamele de mai sus - entalpia si entropia pentru gaze de ardere, cu exces unitar, obtinuta cu polinoamele de mai sus - proprietatile termodinamice, luand in calcul excesul de aer real (prin ) si combustibilul utilizat (prin minL) C - se obtine utilizand relatia

Calculul diagramei h-s Starea 5 Conform ipotezei 7 - p5=p0 Conform ipotezelor 3 si 5 cunoastem : Aj ;c5 ; T5; Cunoscand T5 si folosind relatia r1 => h5 Cunoscand T5 si folosind relatia r2 => s5

Entropia Starea 5id

Conform diagramei calitative - p5id=p5 ; ; Cum c5=Ajc5id => si Cunoscand si folosind relatia r1 => T5id Cunoscand T5id si folosind relatia r2 => s5id

Entropia Starea Conform diagramei calitative - De la starea anterioara, cunoscand si folosind r1 = > Cunoscand si folosind relatia r2 =>

Presiunea

15

Starea Conform diagramei calitative - ; Cum => Cunoscand si folosind r1 = > Cunoscand si folosind relatia r2 =>

Entropia Starea De la starea anterioara, cunoscand si folosind r1 = > Cunoscand si folosind relatia r2 => Conform diagramei calitative -

Presiunea

Cu acest calcul putem obtine parametrii termodinamici ai turbinei libere. Cu acestia, impreuna cu relatiile:

P= ( -debit)

(3)

(k- coeficientul izentropic)

(4)

se poate estima debitul ce traverseaza turbina si diametrul aproximativ al acesteia.

Uzual, pentru turbomotoarele cu turbina libera din gama specificata, 1 2 MW, debitul de fluid vehiculat se situeaza intre 6 si 12 kg/s. In acelasi timp, dat fiind faptul ca valoarea caldurii specifice la presiune constanta a gazelor este in jurul valorii de 1000 J/(KgK), rezulta ca scaderea de temperatura pe o treapta de turbina este de acelasi ordin de marime cu cea a lucrului mecanic specific, adica intre 100 si 250 C. Trebuie subliniat faptul ca o treapta de turbina cu lucru mecanic specific spre limita superioara este o turbina foarte incarcata din punct de vedere mecanic si termic. Asftel de trepte se utilizeaza in general pentru turbomotoarele avioanelor de vanatoare rezultand un timp de functionare foarte redus, in jurul a 500 ore. Pentru turbomotoarele pentru care se doreste o durata de viata mai mare, cum sunt cele industriale si/sau aeroderivative, se utilizeaza in general trepte cu incarcare mai mica, spre limita inferioara de lucru mecanic specific. Consideram o valoare de 120 kJ/kg care este in general acceptata. Astfel, este mai util sa evaluam temperatura de lucru a treptelor de turbina libera cunoscand temperatura de evacuarea din turbomotor, adica 300 600 C, pentru a scoate din calculul prezentat anterior turbina gazogeneratorului de gaze. In functie de numarul de trepte, uzual intre 1 si 3 trepte, rezulta temperaturi maxime pentru turbinele libere intre 420 960 C. Turatia si diametrul turbinei sunt strans legate de aceste temperaturi pentru a se evita regimuri supersonice de curgere la varful paletelor:

(5)

De regula se alege turatia n pentru a avea o corelare buna cu sarcina de antrenat, si rezulta diametrul:

16

(6)

Acesta se situeaza pentru gama specificata de turbomotoare intre 350 mm si 850 mm, valorile mai mari ce ar putea rezulta evitandu-se pentru a reduce gabaritul turbinei. Valorile diametrului D si a turatiei n intra in calculul fortei centrifuge resimtita de paletele turbinei libere, ea fiind forta predominanta care produce tensiunile din material. Valori obisnuite de tensiuni echivalente sunt de ordinul 100 350 MPa, putandu-se varia numarul de palete si geometria lor pentru a atinge valori acceptabile pentru materialele utilizate. Avand in vedere solicitarile la care sunt supuse paletele, materialele utilizate pentru realizarea acestora trebuie sa raspunda unor cerinte similare cu cele ale paletelor de turbina in ceea ce priveste stabilitatea structurala, rezistenta la oxidare si coroziune, rezistenta la oboseala si oboseala termo-mecanica, sa prezinte o foarte buna rezistenta mecanica si rezistenta la fluaj la temperaturi ridicate.

2.3. Cerinte specifice impuse materialului pentru paleta de turbina libera Avand in vedere solicitarile la care sunt supuse paletele de turbina libera, materialele utilizate pentru realizarea acestora trebuie sa raspunda unor cerinte similare cu cele ale paletelor de turbina in ceea ce priveste stabilitatea structurala, rezistenta la oxidare si coroziune, rezistenta la oboseala si oboseala termo-mecanica, sa prezinte o foarte buna rezistenta mecanica si deformatii reduse la fluaj la temperaturi ridicate. Conform obiectivelor specifice ale proiectului pentru aliajul care va fi dezvoltat cu aplicabilitate in realizarea paletelor de turbina libera se propun urmatoarele caracteristici principale:

- Proprietati mecanice la temperatura ridicata (700C) egale sau mai mari decat cele ale aliajelor curente (la 550-600C): - Rezistenta la fluaj: deformatie sub 1% prin incercare la 700 C/ min. 150 MPa pentru 100 ore. - Rezistenta la oboseala si oboseala termo-mecanica - Rezistenta la coroziune si oxidare comparabile cu a superaliajelor cu baza nichel la temperaturi de pana la 700 C.

Bibliografie: [1] Gas Turbine Engineering Handbook, Third edition, Meherwan P. Boyce, Gulf Professional Publishing, Copyright 2006 Elsevier Inc. [1] N.Das, Advances in Nickel-based Cast Superalloys, Transactions of the Indian Institute of Metals, vol. 63, 2010, pp. 265 - 274 [1] M. Gell, D.N. Duhl, A.F. Giamei, The Development of Sincle Crystal Superalloy Turbine Blades, Superalloys, 1980, 205 [1] B.B. Seth, Superalloys 2000, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society) , 2000, pp. 3-16 [1] R.C. Reed, The Superalloys: Fundamentals and Applications, Cambridge, UK: Cambridge UP, 2006. [1] The Jet engine, Copyright Rolls-Royce plc 1986, Fifth edition, Reprinted 1996 with revisions [1] Advances in Gas Turbine Technology, Edited by Ernesto Benini, Copyright 2011 InTech [1] Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials ,F.C. Campbell, Ed 2006 [1] E. S. Huron, K. R. Bain, D. P. Mourer, T. Gabb, Development of High Temperature Capability P/M Disk Superalloys, Superalloys 2008, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society) , 2008, pp. 181-189 [1] M. McLean, Directionally Solidified Materials for High Temperature Service, The Metal Soc. London, 1983 [1] K. Kawagishi, An-Chou Yeh, T. Yokokawa, T. Kobayashi, Y.Koizumi, H. Harada, Development of an Oxidation-resistant High-strength Sixth Generation Single-crystal Superalloy TMS-238, Superalloys 2012: International Symposium on Superalloys, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society) , 2012, pp. 189-195

17

[1] Gas Turbine Handbook: Principles and Practices, 3rd edition, by Tony Giampaolo, Copyright 2006 The Fairmont Press [1] Motoare aeroreactoare Indrumare de anteproiectare Stanciu Virgil, Facultatea Aeronave, Institutul Politehnic din Bucuresti, 1991

Activitate 1.2 Proiectarea compozitiei aliajului utilizat pentru executia paletei de turbina libera

Stabilirea caracteristicilor fizico-mecanice si structurale impuse materialului de aplicatia vizata Date generale Paleta de turbina libera care se va dezvolta in cadrul proiectului este o componenta a turbinelor

cu gaz destinate utilizarii in turbogeneratoare industriale din componenta unor centrale termo-electrice. Solutiile din proiect pentru materialele de executie a paletei, respectiv aliajul de titan pentru paleta si acoperirea suprafetei acesteia, vizeaza asigurarea functionarii turbinelor la temperaturi mai inalte decat cele actuale, ceea ce va conduce la un consum mai redus de combustibil si deci la emisii mai scazute de CO2, CO si NOx.

Utilizarea acestor palete poate fi extinsa si in industria aeronautica, la turbomotoarele de elicopter, care au sistem constructiv cu turbina libera.

Dupa cum se vede din figura 1, turbomotarele cu turbina libera au doua turbine cu gaze, dintre care una este destinata exclusiv antrenarii compresorului de ardere, iar cealalta este cuplata cu masina antrenata. Cele doua turbine pot functiona astfel la turatii diferite, fara legatura mecanica intre ele.

Figura 1 - (a) Schema unei instalatii cu turbina libera (IP, JP), cu ciclu simplu, cu 2 linii de arbori. (b) Turbomotor de elicopter cu turbina libera (turbina compresor si turbina de forta)

Turbina cu gaz transfera unui ax energia gazelor (cu temperatura si presiune inalta, produse in camera de ardere) sub forma de energie mecanica.[1] Conditiile de lucru severe impun utilizarea unor materiale adecvate acestor solicitari. In prezent, paletele de turbina sunt componentele care limiteaza performantele turbinelor cu gaz, intrucat pentru cresterea acestor performante sunt necesare materiale de executie care sa reziste la conditii mai grele de functionare privind solicitarile mecanice, abraziunea si coroziunea la temperaturi mai inalte. De aici a rezultat obiectivul proiectului, acela de a dezvolta noi materiale de executie pentru paletele de turbina libera, constand dintr-un aliaj de titan cu proprietati imbunatatite si acoperirea suprafetei acestuia cu straturi dure - bariera termica, care trebuie sa asigure functionarea paletelor la temperatura de cca. 700 C.

In prezent, pentru componentele turbomotoarelor inclusiv pentru paletele de turbina care functioneaza la temperaturi peste 550 C, pana la temperaturile inalte de 1100 1400 C[1] se utilizeaza superaliajele de nichel (cu denumirile comerciale Inconel, Rene, CMX, PW, etc. in functie de compania producatoare), care au greutate mare si sunt scumpe (in special dupa includerea in anul 2009 a nichelului intre materiile prime strategice). Ca exemple de astfel de aliaje se pot mentiona: IN-738, Rene 77, http://en.wikipedia.org/wiki/Turbine_blade - cite_note-gematerials-13Rene N5, Rene N6, PWA1484, CMSX-4, CMSX-10, , GTD-111, EPM-102, PWA 1497. Superaliajele de nichel, care au rezistenta buna la oxidare, coroziune, fisurare si la solicitari mecanice intr-un domeniu larg de temperaturi, au fost dezvoltate, in specia,l pentru turbomotoarele din

b a

18

domeniul aeronautic, unde in functionare sunt solicitari la conditii extreme. In aceste conditii, aluminiul si otelul cedeaza prin fisurare, datorita vacantelor induse termic in reteaua cristalina. Rezistenta mecanica buna a superaliajelor de nichel la temperaturi inalte este realizata prin cresterea rezistentei mecanice in solutie solida sau prin precipitare.

Tendintele in privinta cresterii eficientei turbomotoarelor, in special in domeniul aeronautic, dar si in cel industrial, au in vedere nu numai cresterea temperaturii de functionare pentru reducerea consumului de combustibil la aceeasi putere generata, dar si reducerea greutatii proprii a componentelor si a costurilor. De aceea, pentru industriile de profil ar fi de un real interes noi aliaje de titan care au greutate specifica aproape jumatate din cea a aliajelor de nichel si care ar urma sa functioneze la temperaturi mai inalte decat aliajele comerciale de titan actuale.

3.1.1.2 Aliaje de titan utilizate in prezent pentru componente de turbomotoare si caracteristici Titanul si aliajele de titan reprezinta unul dintre cele trei grupuri de materiale care domina

industria de turbomotoare alaturi de superaliajele de nichel (40 %) si oteluri (20 %) [4]. Acestea reprezinta peste o treime din greutatea turbomotoarelor moderne, fiind al doilea cel mai utilizat metal dupa nichel. Aliajele de titan se folosesc in prezent numai in "zonele reci" ale turbinelor unde temperatura de lucru este sub 540-550 C. Chiar daca aliajele mai noi s-au realizat cu specificatii privind rezistenta la temperaturi de pana la 600 C, in realitate acest prag este valabil pentru o perioada scurta de functionare. Din acest motiv, pentru aplicatii ce necesita turbine lucrand intr-un interval moderat de temperatura: 550 C -700 C, titanul este un candidat eligibil daca pot fi dezvoltate aliaje special proiectate, in combinatie cu acoperiri rezistente la temperaturi inalte si rezistente la coroziune, conducand la o turbina eficienta ca pret, cu proprietati imbunatatite, inclusiv in ceea ce priveste impactul asupra mediului.

Titanul si aliajele sale au un punct de topire mai ridicat decat otelurile, avand temperatura maxima de functionare de la 427 0C pana la 538 595 0C. Initial au fost utilizate pentru caracteristicile lor adecvate de rezistenta la coroziune si rezistenta macanica. [3]

Producatorii de turbomotoare sunt interesati de utilizarea aliajelor de titan ca material structural pentru diferite componente specifice ale motoarelor. Scopul final este o functionalitate maxima, asociata cu un cost minim al vehiculelor, dar si cu siguranta in functionare [4].

Paletele rotoarelor de turbina (care transforma energia gazelor de ardere in energie mecanica si antreneaza compresorul, iar in cazul turbinelor industriale cu gaz antreneaza si generatorul) trebuie sa reziste la o combinatie severa de temperatura, solicitare, mediu, sa prezinte o excelenta rezistenta la oxidare la temperatura si la coroziune.[8]. In plus, paletele sunt puternic supuse la solicitari centrifugale, contribuind la aparitia fenomenului nedorit al vibratiilor. In concluzie, principalele provocari care trebuie considerate ca majore sunt: fisurarea; oboseala termica; expunerea la cicluri multe de solicitare la oboseala; oxidare/coroziune la temperatura.

Cerintele pentru dezvoltarea unor turbomotoare pentru centrale energetice, precum si pentru aeronave militare si civile mai fiabile, sunt:

- greutate scazuta, pentru a evita efectele nefavorabile ale centrului de greutate (unde, in special in cazul aplicatiilor militare, masa turbomotorului are o pondere mare in cea totala a aeronavei);

- consum de combustibil scazut prin greutate mai mica; - costuri scazute pe ciclul de viata, prin consum scazut de combustibil, fiabilitate si reparabilitate

a componentelor; - reducerea poluarii, ca rezultat al reducerii consumului de combustibil. Pentru satisfacerea acestor cerinte este necesar ca materialele utilizate in constructia

turbomotoarelor sa prezinte urmatoarele proprietati: - raport mare rezistenta/greutate specifica pentru ca piesele executate din aceste materiale sa

fie usoare si fiabile, sa prezinte caracteristici bune statice, dinamice si viscoplastice; - rezistenta la temperatura ridicata, pentru a se realiza motoare cu fiabilitate la temperaturi

inalte; - sa permita grade mari de liberatate la proiectare, inclusiv 3D, pentru geometria componentelor

complexe si realizarea de noi concepte de proiectare. Aliajele de titan prelucrate au fost utilizate pe scara larga in locul aliajelor de nichel sau al

otelurilor in aplicatii aerospatiale datorita greutatii mici a componentelor supuse la solicitari mari, care functioneaza in domeniul de temperaturi joase pana la moderat ridicate. Pe de alta parte, pentru

19

paletele de turbine de presiune inalta sunt utilizate componente turnate, deoarece acestea prezinta proprietati mecanice superioare si pot fi fabricate mai usor in configuratii complexe.

Componentele rotative, cum ar fi paletele turbomotoarelor si alte piese ale turbinelor cu gaz, necesita aliaje de titan cu rezistenta si stabilitate metalurgica la temperaturi ridicate. De asemenea, aceste aliaje trebuie sa prezinte viteze scazute de fisurare longitudinala, o comportare predictibila de rezistenta la rupere si ciclu scazut la oboseala. Pentru ca aceste proprietati sa fie reproductibile, cerinta stringenta a utilizatorilor este asigurarea microstructurilor controlate, omogene si lipsite de imperfectiuni de turnare ca segregatii alfa, incluziuni cu densitate mare sau mica si porozitati.

Temperaturi de functionare ale turbomotoarelor Temperatura de operare a turbinei (temperatura de ardere) are impact asupra eficientei; astfel,

temperaturile de ardere mai mari conduc la o eficienta mai mare a turbinei. Totusi, temperatura de admisie a turbinei este limitata de conditiile termice care pot fi tolerate de aliajul metalic al paletei. Temperaturi inalte ale gazelor la admisia in turbina pot fi 1200 1400 0C, dar exista producatori care au ridicat temperatura pana la 1600 0C prin acoperiri rezistente ale paletei si sisteme de racire pentru a proteja componentele de pericolul termic. Gazele de ardere ies din turbina cu 480 650 C.

In cazul paletelor de turbina libera pentru centrale energetice si elicoptere, de tipul celor care se vor cerceta in proiect, temperatura maxima de functionare trebuie sa fie cca. 700 0C; prin urmare, materialul de executie a paletei (aliajul de titan pentru temperaturi ridicate cu acoperire MAX) trebuie sa reziste la aceasta temperatura.

Limita maxima a temperaturii de lucru pentru aliajele de titan super destinate utilizarii la temperaturi ridicate este in jur de 540 0C, maxim 600 0C. Aceasta limitare arata ca pentru componentele cele mai calde ale compresorului (discuri si palete), cu temperaturi de functionare mai inalte, ar trebui sa se utilizeze superaliaje de nichel care sunt de doua ori mai grele decat aliajele de titan. In acest caz apar si probleme suplimentare legate de coeficientii de dilatare termica diferiti si de tehnicile de imbinare ale celor doua sisteme de aliaje, daca se utilizeaza materiale diferite in functie de zona de temperatura. De aceea, se fac eforturi sustinute pentru dezvoltarea de compresoare executate complet din aliaje de titan. Pentru aceasta, aliajele trebuie sa reziste la 600 0C sau mai mult, ceea ce impune extinderea cercetarilor in domeniul aliajelor de titan pentru temperature ridicate.

Temperaturile ridicate de functionare conduc la cresterea vitezei de coroziune si oxidare. Oxidarea la temperatura inalta si, in special, coroziunea la temperatura pot fi cauze ale unor deteriorari grave, daca pentru executia componentelor turbomotoarelor nu sunt alese materiale adecvate asociate cu acoperiri de inalta performanta. Coroziunea la temperatura ridicata are loc in turbinele cu gaz care vin in contact cu gaze fierbinti ce contin anumiti compusi chimici agresivi. Uneori combustibilul contine compusi de vanadiu sau sulfati care, in timpul arderii, pot forma compusi care au punct scazut de topire. Acestia sunt saruri topite, puternic corozive atat pentru oteluri inoxidabile, cat si pentru alte aliaje care in mod normal sunt inerte la coroziune la temperaturi normale sau, pana la anumite niveluri de temperaturi, usor sau moderat crescute.

Coroziunea la temperatura Aliajele de titan absorb gaze si se oxideaza intens daca sunt utilizate in aer la temperaturi

ridicate, in special peste 500 0C. Pe suprafata lor se formeaza o faza imbogatita in oxigen, datorita expunerii la aer cald sau oxigen. Aceasta faza, cunoscuta in literatura de specialitate sub denumirea de alfa case, este fragila si tinde sa formeze o serie de microfisuri care reduc performantele metalului si proprietatile de rezistenta la oboseala, limitand astfel utilizarea unor astfel de materiale.

Dintre aliajele de titan pentru turbomotoare aerospatiale moderne care au nevoie de temperaturi inalte de operare, aliajul IMI 834 este un aliaj super alfa relativ mai recent dezvoltat. Studiile detaliate de oxidare ale acestui aliaj neacoperit au demonstrat necesitatea acoperirilor de inalta performanta pentru protectia sa impotriva oxidarii si formarea fazei alfa case[5].

Mecanismul degradarii la coroziune la temperatura, in conditii de mediu marin (aerosoli marini) pentru aliajul IMI 834 [6] este prezentat mai jos si cuprinde urmatorii pasi care se refera la titan, elementul de baza si la aluminiu, unul dintre principalele elemente de aliere:

1. Formarea pe suprafata aliajului a unui strat predominant de dioxid de titan (TiO2) asociat cu trioxid de aluminiu (Al2O3). Dioxidul de titan reactioneaza cu ionii de clor prezenti in mediul marin la temperatura ridicata si formeaza clorura de titan (TiCl2) volatila.

TiO2 + 2 Cl- = TiCl2 + 2 O2- (1) Clorura de titan disociaza la temperatura si formeaza ioni de titan Ti2+ si ioni de clor Cl- .

20

TiCl2 = Ti2+ + 2 Cl- (2) Ionii de titan reactioneaza apoi cu ionii de oxigen prezenti in mediu si formeaza un strat de oxid

de titan neaderent si neprotector care se exfoliaza foarte usor. Ionii de clor patrund in aliaj si formeaza cloruri volatile. Procesul continua pana cand aliajul de titan se consuma in intregime. Rezulta astfel ca reactia este autocatalitica. Ionii de oxigen care se formeaza in reactia (1) difuzeaza in aliaj si formeaza o regiune cu oxigen dizolvat datorita solubilitatii mari a oxigenului in aliajele de titan.

2. Al2O3 reactioneaza cu ionii de Cl- pentru a forma clorura de aluminiu. Al2 O3 + 6Cl- = 2 AlCl3+ 3 O2- (3)

Clorura de aluminu disociaza pentru a forma ioni de Al3+ si Cl. AlCl 3 = Al3+ + 3 Cl- (4) Ionul Al3+ reactioneaza cu oxigenul pentru a forma o alumina libera neprotectoare, care se

exfoliaza foarte usor ca in cazul bioxidului de titan. Al3+ + 3 O2- = Al2 O3 (5) Din cele de mai sus rezulta ca ionii de clor patrund in aliajul de titan si il corodeaza cu formarea

de cloruri volatile printr-o reactie autocatalitica. Ionii de oxigen care s-au format in reactia (3) difuzeaza in aliaj si reactioneaza cu titanul. Reactiile (1) si (3) contribuie la formarea unei zone cu oxigen dizolvat pe suprafata aliajului de titan. Ca rezultat al reactiilor de mai sus, degradarea aliajului de titan are loc cu viteza mare si in aceste conditii componentele fabricate din aliaje de titan care functioneaza in mediu marin se pot degrada total si in conditii normale de functionare a turbinelor cu gaz.

Principalele aliaje de titan adecvate utilizarii la componente de turbomotoare Multe aliaje de titan au fost proiectate pentru rezistenta optima la rupere, la compresiune sau la fisurare la anumite temperaturi si, in acelasi timp, pentru a fi suficient de prelucrabile, ca semifabricate adecvate pentru o aplicatie specifica. Aliaje ca Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo+Si, Ti-10V-2Fe-3Al si Ti-6V-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo+Si sunt utilizate sau proiectate pentru a fi utilizate la motoare de aviatie sau la motoare cu turbine cu gaz pentru aplicatii aerospatiale. Ti-6Al-4V este utilizat pentru componente statice si rotative in motoarele cu turbine cu gaz. Componentele statice complexe din aliaj Ti-6Al-4V se executa prin turnare, iar cele rotative prin forjare. Aliajul este utilizat pentru discuri de ventilator, discuri de compresor de joasa presiune si palete pentru motorul Pratt & Whitney 4084, in zonele reci ale compresorului, pana la temperatura maxima de 315 0C. In afara de Ti-6Al-4V, Pratt & Whitney a utilizat Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo si Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo in motoarele cu turbine cu gaz. General Electric a utilizat pe langa Ti-6Al-4V si Ti-4Al-4Mn, Ti-l,5Fe-2,7C si Ti-17. Rolls Royce a folosit in motoarele produse aliajele IMI 550, IMI 679, IMI 685, IMI 829 si IMI 834 ca si Ti-6Al-4V (IMI 318). (IMI Titanium, Ltd. a fost un producator britanic care acum opereaza cu numele Timet UK.). Unele dintre aliajele mentionate au fost folosite in domeniul aviatiei. Alte aliaje utilizate sau evaluate in detaliu in vederea utilizarii in domeniile aerospatial, tehnica rachetelor si alte aplicatii de inalta performanta, sunt Ti-6V-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo(+Si), Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-10V-2Fe-3Al si Ti-13V-11Cr-3Al.

Aliajul Ti-8Al-1Mo-1V este utilizat la paletele ventilatoarelor pentru turbomotoarele militare. Aliajele 685 (Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si) si 829 (Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.25Mo-0.3Si), tratate termic in faza pentru a maximiza rezistenta la fisurare, sunt utilizate in multe aeromotoare europene actuale (RB2111, 535E4).

Aliajul IMI 834 (Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C), un alt tip de aliaj relativ recent, se utilizeaza in conditii care necesita o rezistenta optima la fisurare si oboseala. Aliajul a fost dezvoltat ca material pentru disc de compresor in ultimele doua trepte ale compresorului de presiune medie si in primele patru trepte ale compresorului de inalta presiune in variantele seriilor comerciale ale motorului cu jet Rolls-Royce Trent.

Aliajul Ti-1100 (Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.4Mo-0.4Si), un aliaj mai competitiv decat IMI 834, este proiectat pentru a fi utilizat in stare tratata. Aliajul este evaluat de catre Allison Gas Turbine Engines pentru o versiune a familiei de motoare 406/GMA3007/GMA2100 cu fiabilitate mai mare, fiind utilizat la inceput pentru piese turnate. Aliajul este proiectat pentru o temperatura de lucru de 600 0C.

In USA, aliajul Ti6-2-4-2 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) este preferat ca aliaj de temperatura inalta pentru aplicatii la motoare cu jet. O varianta a acestui aliaj Ti6-2-4-2S este disponibil comercial. S inseamna

21

un adaos de 0.1-0.25 % Si pentru a imbunatati rezistenta la fisurare. Este utilizat pentru componenete rotative ca palete, discuri si rotoare la temperaturi pana la 540 0C.[2]

Tabelul nr.1 prezinta compozitiile chimice si temperatura maxima de lucru pentru diferite aliaje comerciale de titan, iar in tabelul 2 sunt prezentate aplicatiile aliajelor de titan in industria aerospatiala. Tabel nr. 1- Aliaje de titan utilizate pentru componenete de compresor in turbomotoare

Tip aliaj Compozitia chimica nominala Temperatura maxima de lucru [0C]

Ti64 Ti-6Al-4V 315 Ti811 Ti-8Al-1Mo-1V 400 Aliaj 685 Ti-6Al-5Zr-0,5Mo-0,25Si 520 Aliaj 829 Ti-5,5Al-3,5Sn-3Zr-1Nb-0,25Mo-0,3Si 550 Aliaj 834 Ti-5,8Al-4Sn-3,5Zr-0,7Nb-0,5Mo-0,35Si-0,06C 600 Ti1100 Ti-6Al-2,8Sn-4Zr-0.4Mo-0,4Si 600 Ti6242S Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,2Si 540

Tabel nr.2 Aplicatii ale aliajelor de titan in industria aerospatiala Aliajul Aplicatia Aliaje

Titan comercial pur (CP-Ti) Utilizat in stare recoapta pentru structura podelei in zona bucatariei si a toaletei, sub forma de tevi si tuburi in sistemul toaletei, in sistemul de control al mediului care opereaza la temperaturi pana la 2300C, care sunt prea mari pentru aliajele de aluminiu.

Ti-3Al-2,5V Utilizat pentru linii hidraulice de presiune, inlocuind tevile din otel inoxidabil, reducand greutatea cu 40%.

Ti-5Al-2,5Sn Se utilizeaza in stare recoapta pentru aplicatii criogenice, avand buna tenacitate la fracturare si ductilitate sub temperatura criogenica, fiind cel mai indicat in zona de hidrogen a turbo-pompei cu combustibil de inalta presiune a navetei spatiale

Ti-8Al-1Mo-1V Utilizat pentru paletele ventilatoarelor motoarelor militare Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Se utilizeaza la executia componentelor motoarelor cu turbine

cu gaz, inclusiv palete, discuri si rotoare la temperaturi pana la 5400C si in compresoarele de inalta presiune la temperaturi prea mari pentru Ti-6Al-4V care poate fi folosit pana la 3150C in aplicatii structurale. Peste 5400C, temperatura este prea mare pentru titan si se utilizeaza superaliajele de nichel.

IMI 829 Ti-5,5Al-3,5Sn-3Zr-1Nb-0,25Mo-0,3Si

Se utilizeaza la temperatura de operare pana la 5400C tratat termic prin punere in solutie si imbatranire, pentru discuri de compresor, palete pentru motorul RB211-535E4 cu care este echipat avionul Boeing 757

IMI 834 Ti5,5Al-4Sn-3,5Zr-7Nb-0,5Mo-0,35Si-0,06C

Se utilizeaza pana la temperature maxima de 6000C la motorul RR trent 800 pentru discuri de compresor in ultimele doua trepte ale compresorului de presiune medie si primele patru trepte ale compresorului de presiune inalta.

Timetal 1100 Ti-6Al-2,8Sn-4Zr-0,4Mo-0,4Si

Este aliajul Ti-6-2-4-2S modificat pentru a fi utilizat pana la 6000C la motoarele cu turbine cu gaz Allison

Aliaje +

T-6Al-4V Utilizat in motoarele cu turbine cu gaz pentru component statice si rotative, inclusiv fuselaj, nacela, tren de aterizare, aripa, ampenaj si deasemenea in structura podelei, inclusiv zona bucatariei si a toaletei.

Ti-6-22-22 Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr+Si

Este un aliaj durificabil. A fost dezvoltat pentru programul Boeing F22.

Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Poate fi utilizat la temperatura moderate, pana la 3150C. A fost intial utilizat la aviaoane militare ca F-100 si F 119, la un nivel de limita de curgere de 1035 MPa. Nu se utilizeaza in motoarele comerciale.

Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr Se utilizeaza sub 4000C pentru discuri de ventilator si compresor.

22

Aliaje

Ti-13V-11Cr-3Al S-a utilizat la avionul SR-71, pentru aripi, lonjeroane, tren de aterizare.

Ti-10V-2Fe-3Al Aproape intregul tren principal de aterizare al avionului Boeing 777 este realizat din acest aliaj, rezultand o scadere a greutatii de 270 Kg. Elimina riscul fisurarii la coroziune characteristic otelului. Bell, Westland, Sikorski si Eurocopter utilizeaza aliajul pentru rotoare.

Timetal 21S ( - 21)-Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si-0.15O

Temperatura normala de operare este in jur de 480-5650C. Se utilizeaza in structurile motoarelor avioanelor 777. Greutatea avioanelor scade cu 74 Kg.

Aliajul C - Ti-8V-4Cr-2Mo-2Fe-3AI Aliajul are avantajul rezistentei la aprindere, inlocuieste superaliajele de nichel in structurile de evacuare si la componentele turnate de compresor ale motoarelor F119 ale avioanelor Boeing.

Cerintele cele mai importante pentru aceste aliaje sunt proprietatile mecanice ca rezistenta la rupere sau limita de curgere raportate la densitate, viteza de crestere a fisurarii la oboseala si tenacitatea la fracturare ca si consideratii privind prelucrarea mecanica.

In tabelul de mai jos sunt prezentate caracteristicile mecanice ale unor aliaje comerciale si semicomerciale pe baza de titan pentru componenete de turbomotoare.

Tabel nr. 3 Caracteristici mecanice ale aliajelor de titan pentru componente de turbomotoare Nivel de impuritati

[%gr.max] Compozitie aliaj Rezistenta la rupere

[MPa]

Limita curgere

[MPa] N C H Fe O Aliaje super alfa Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 900 830 0,05 0,05 0,0125 0,25 0,15 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0,8Mo 790 690 0,02 0,03 0,0125 0,12 0,10 Ti-2,25Al-11Sn-5Zr-1Mo 1000 900 0,04 0,04 0,008 0,12 0,17 Ti-5,8Al-4Sn-3,5Zr-0,7Nb-0,5Mo-0,35Si 1030 910 0,03 0,08 0,006 0,05 0,15 Aliaje + Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 1170 1100 0,04 0,04 0,0125 0,15 0,15 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr 1125 1055 0,04 0,05 0,0125 0,3 0,13 Ti-6Al-2Sn-2zr-2Mo-2Cr 1030 970 0,03 0,05 0,0125 0,25 0,14 Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si 1100 960 x 0,02 0,0125 0,2 x Aliaje Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al 1170 1100 0,03 0,05 0,015 2,5 0,17 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 900 830 0,03 0,05 0,2 0,25 0,12 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 1000 965 0,05 0,05 0,015 0,25 0,13

x- continutul maxim de N+O=0,2 3.1.2 Proiectarea compozitiei aliajului pentru asigurarea caracteristicilor fizico-mecanice si functionale necesare paletei de turbina libera utilizate in conditii de lucru dure Aliajul care se cerceteaza in proiect este destinat paletelor de turbina libera pentru turbine cu

gaz este in baza titan, cu elemente de aliere care sa ii confere rezistenta la temperaturi inalte si la coroziune.

Titanul este un element cu densitate scazuta (aproximativ 60 % din densitatea otelului si a superaliajelor) care poate fi durificat prin aliere si procese de deformare plastica. Titanul elemental sau titanul comercial pur (CP-Ti) are conductivitate termica scazuta, densitate si modul elastic relativ scazute, rezistenta mecanica moderata, rezistenta buna la coroziune in diferite medii si reactivitate mare fata de o varietate de elemente. La temperatura joasa, titanul pur are structura hexagonal compacta numita Ti, dar la temperatura ridicata structura stabila este cubica cu volum centrat, care este Ti. Temperatura transus pentru titanul pur este 882 0C si depinde de cantitatea de impuritati din metal. Existenta a doua structuri cristalografice diferite, constituie baza pentru o varietate larga de proprietati ale aliajelor de titan. [7]

Titanul comercial pur contine anumite cantitati de impuritati ca azot (N), hidrogen (H), oxigen (O) si fier (Fe). Materialele din clasa titan comercial pur contin faza si se impart in mai multe grade in functie de continutul de impuritati. Continutul de oxigen este in mod uzual scazut, pastrat intre 0,1- 0,5 % in aceasta clasa de aliaje. Desi durifica titanul, efectele lui benefice se deterioreaza la temperaturi

23

peste 300 0C. Crestera continutului de oxigen scade ductilitatea, tenacitatea si stabilitatea pe termen lung la temperatura ridicata. Rezistenta mecanica creste cu cantitatea de oxigen si fier din aliaj.

Pentru imbunatatirea caracteristicilor titanului este necesara alierea sa cu diferite elemente pentru a se obtine caracteristicile fizico-mecanice si functionale specifice domeniului de aplicatie.

Studiul influentei elementelor de aliere asupra structurii si proprietatilor fizico-chimice ale aliajelor de titan este necesar pentru proiectarea compozitiei noului aliaj care se dezvolta in proiect.

3.1.2.1 Influenta elementelor de aliere asupra structurii aliajelor de titan Aliajele conventionale pe baza de titan se bucura de o crestere a gradului de utilizare in

industria aerospatiala, fiind disponibile standarde si alte specificatii cu date privind controlul microstructurii si proprietatilor, prelucrarea, sudabilitatea, comportarea la coroziune.

Aliajele de titan ofera un domeniu larg de proprietati in functie de structura. Ele sunt in mod uzual impartite in trei categorii: alfa (), alfa + beta ( + ), beta ().

Elementele de aliere pentru aliajele de titan sunt clasificate ca neutre, stabilizatoare si stabilizatoare, in concordanta cu influenta lor asupra stabilizarii celor doua faze (Tabel 4). Elementele care stabilizeaza faza cresc temperatura transus, in timp ce stabilizatorii coboara aceasta temperatura. Elementele neutre au o influenta slaba asupra temperaturii transus. Pe de alta parte, stabilizatorii se impart in elemente izomorfe si eutectoide. Primele favorizeaza stabilitatea fazei in intreaga compozitie a aliajului, in timp ce ultimele favorizeaza transformari eutectoide ale fazei , cum este ilustrat in figura 2.

O rezistenta buna la temperaturi inalte si proprietati de rezistenta la fisurare se pot obtinute la aliajele de titan pseudo alfa care contin Al, Zr, Sn, Mo si Nb in cantitati variabile, precum si concentratii mici de Si in domeniul 0,2 0,3 %. [5]

Aluminiul este cel mai important stabilizator , in timp ce molibdenul este printre principalii stabilizatori . Stabilizatorii si capacitatea lor relativa de a stabiliza faza este exprimata ca echivalentul de aluminiu, iar stabilizatorii si capacitatea lor relativa de a stabiliza faza este exprimata ca echivalent de molibden. [13].

Aliajele sunt formate din solutie solida de faza , prezinta proprietati bune la temperatura ridicata, dar nu permit modificari microstructurale prin tratamente termice pentru imbunatatirea proprietatilor. Ele sunt in primul rand utilizate in industria chimica si in diferite procese industriale, unde excelenta comportare la coroziune si deformabilitatea sunt de prima importanta, iar raportul rezistenta mecanica mare / greutate este clasificat ca a doua cerinta. [15,16]

Aliajele pseudo contin in principal faza si mai putin de 10 % faza data de adaosul unor cantitati mici (1-2 %) de elemente stabilizatoare. Faza imbunatateste rezistenta mecanica si prelucrabilitatea aliajelor intrucat favorizeaza echilibrul intre rezistenta mecanica inalta a aliajelor + si rezistenta la fisurare a aliajelor . Temperatura lor de operare este limitata la 500 550 0C. Cele mai multe aliaje comerciale pentru temperaturi ridicate utilizate pentru aplicatii la aeromotoare apartin acestei clase. [15,16]

Aliajele + contin 4 16 % stabilizatori . Cel mai comun aliaj inclus in aceasta categorie este Ti-6Al-4V, care reprezinta mai mult de 50 % din toate aliajele de titan utilizate in prezent.

La temperatura camerei, aliajele comerciale + contin 10 20 % faza . [15,16]

Figura 2 - Influenta elementelor de aliere asupra domeniilor fazelor si

24

Aliajele pseudo sunt aliaje metastabile care contin cantitati mici de elemente stabilizatoare si 10 15 % elemente stabilizatoare. Elementele stabilizatoare favorizeaza formarea fazei in conditii metastabile, la temperatura camerei, aceste aliaje putand fi tratate prin imbatranire, tratament care conduce la precipitarea unei faze foarte fin dispersate in matricea de faza . In plus, aceste aliaje permit optimizarea compozitiei pentru inalta rezistenta mecanica si tenacitate si pot ajunge la un nivel de rezistenta mecanica peste 1400 MPa. Totusi, rezistenta la temperatura creste daca continutul de faza descreste. [15,16] Tabelul nr. 4 prezinta clasificarea, din punct de vedere al rolului de stabilitor de faza, a unora dintre principalele elemente de aliere care pot fi utilizate in aliajele de titan. Tabel nr. 4 - Rolul elementelor de aliere in aliajele de titan ca stabilizatori de faza [15,16]

Faza pe care o stabilizeaza Elementul de aliere Concentratie stabilizare[13]

% Metale

Al (creste temperatura beta transus) 2 -7 x (Fig. 1-b) Nb (scade temperatura beta transus) x (Fig. 1-c) - izomorf Ta (scade temperatura beta transus) x (Fig. 1-c) - izomorf Mo (scade temperatura beta transus) 2 - 20 x (Fig. 1-c) - izomorf V (scade temperatura beta transus) 2 - 20 x (Fig. 1-c) - izomorf Fe (scade temperatura beta transus) x (Fig. 1-d) - eutectoid Ni (scade temperatura beta transus) x (Fig. 1-d) - eutectoid Cr (scade temperatura beta transus) x (Fig. 1-d) - eutectoid Co(scade temperatura beta transus) x (Fig. 1-d) - eutectoid Si (scade temperatura beta transus) 0,2 - 1 x (Fig. 1-d) - eutectoid Mn (scade temperatura beta transus) x (Fig. 1-d) - eutectoid Zr 2 - 8 neutru (Fig. 1-a) Sn 2 - 6 neutru (Fig. 1-a)

Elemente interstitiale

O (creste temperatura beta transus) x (Fig. 1-b) N (creste temperatura beta transus) x (Fig. 1-b) C (creste temperatura beta transus) x (Fig. 1-b) H (scade temperatura beta transus) x (Fig. 1-d) - eutectoid

Proprietatile mecanice ale aliajelor de titan sunt influentate de proprietatile individuale ale fazelor si , de distributia lor si de fractia volumetrica. De exemplu, faza are o densitate mai mica decat faza datorita faptului ca elementul predominant in faza (Al) are o densitate mai mica decat elementele predominante Mo sau V din faza . In concluzie, aliajele au o densitate mai mica decat aliajele , dar toate valorile sunt in jur de 4,5 g/cm3. In afara de aceasta, microstructura fina asigura cresterea rezistentei mecanice si a ductilitatii, intarzie initierea microfisurilor si favorizeaza deformarea superplastica, in timp ce structura groba este mai rezistenta la fluaj si la fisurare la oboseala; microstructura echiaxa are adesea o ductilitate si o rezistenta la oboseala mai mari si este ideala pentru deformare superplastica, in timp ce structura lamelara are tenacitate mare la fracturare si rezistenta superioara la fluaj si la fisurare la oboseala; microstructurile bimodale combina avantajele structurilor lamelare si echiaxe, rezultand proprietati bine echilibrate.

In aliajele de titan pseudo si + , rezistenta la fisurare poate fi crescuta prin tratamente termice sau termomecanice peste temperature transus. La racire se obtine o structura lenticulara. Structura echiaxa obtinuta prin prelucrare la cald si tratament termic in domeniul + are o rezistenta scazuta la fisurare. Pentru aliajul procesat termomecanic, rezistenta la fisurare depinde de morfologia fazei , care poate fi controlata prin viteza de racire. Structurile tratate termic au o tenacitate superioara la fracturare si la fisurare la oboseala. Pe de alta parte, structurile echiaxe + au ductilitate mare si proprietati scazute de oboseala. Aliajele IMI 685 si IMI 839 utilizate in multe aeromotoare europene sunt tratate termic pentru a maximiza rezistenta la fisurare. Totusi, optimizarea atat a rezistentei la fisurare cat si a rezistentei la oboseala este o necesitate importanta, verificata in cazul aliajului IMI 834, utilizat in stare + tratata termic cu 5-15% faza echiaxa in structura. Controlul fractiei echiaxe in aceste aliaje a fost posibil prin largirea domeniului fazei + prin adaos de carbon. Temperatura limita curenta pentru aliajele din clasa pseudo este 590 0C si se fac eforturi pentru imbunatatirea comportarii lor prin adaos de Ta, dar nu au rezultat imbunatatiri semnificative. Capabilitatea de temperatura raporata la temperatura de topire a aliajelor de titan este 0,4T fata de

25

0,8T in cazul superaliajelor de Ni. Acest lucru se datoreaza faptului ca stabilitatea metalurgica a aliajelor este guvernata de transformarea + . Alt factor care limiteaza utilizarea aliajelor de titan la temperaturi ridicate este suprafata de oxidare a aliajului expusa la temperatura peste 600 0C care determina in consecinta fragilizarea si rezistenta la aprindere.

Fata de cele de mai sus, rezulta ca intre abordarile posibile pentru cresterea capabilitatii de temperatura a aliajelor de titan este si cea privind dezvoltarea de aliaje ce prezinta o dispersie fina de precipitate ordonate in matrice sau + . Microstructura acestor aliaje consta in mod uzual din graunti mari transformati de solutie solida , in interiorul careia se afla blocate plachete de solutie solida , separate cu filme subtiri de solutie solida ; evitarea unei microstructuri cu limita de graunti formata din solutie solida sau este in general benefica pentru cresterea rezistentei la fisurare. Un echilibru bun intre rezistenta la fisurare, tenacitate si rezistenta la oboseala se obtine cand microstructura contine 50 % solutie solida intercalata cu graunti de solutie solida complet transformata. [5]

Tabelul 5 prezinta principalele proprietati fizico-mecanice ale titanului nealiat si ale unora dintre cele mai utilizate aliaje de titan pentru domeniul aerospatial si industrial. Tabel nr. 5 Proprietati fizico-mecanice ale titanului si ale unor aliaje de titan

Tip aliaj Compozitia chimica [%]

Duritate [HV]

Limita de curgere

R0,2 [MPa]

Rezistenta mecanica

Rm [MPa]

Modul de elasticitate

E [GPa]

Ti pur (CP-Ti) 99,98Ti 100 140 235 100-145 Ti Gr 1 0,2Fe-0,18O 120 170-310 240 - Ti Gr 4 0,5Fe-0,4O 260 480-655 550 100-120 Ti-5-2,5 Ti-5Al-2,5Sn 300 827 861 109 pseudo

Ti-6-2-4-2-S Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si 340 990 1010 114 TIMETAL 1100 Ti-6Al-2,7Sn-4Zr-0,4Mo-0,4Si - 900-950 1010-1050 112 TIMETAL 685 Ti-6Al-5Zr-0,5Mo-0,25Si - 850-910 990-1020 120 +

Ti-6-4 Ti-6Al-4V 300-400 800-1100 900-1200 110-140 Ti-6-6-2 Ti-6Al-6V-2Sn 300-400 950-1050 1000-1100 110-117 Ti-6-2-4-6 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 300-400 1000-1100 1100-1200 114 Ti 17 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr 400 1050 1100-1250 112 Pseudo

SP 700 Ti-4,5Al-3V-2Mo-2Fe 300-500 900 960 110 Beta III Ti-11,5Mo-6Zr-4,5Sn 250-450 800-1200 900-1300 83-103 Beta C Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 300-450 800-1200 900-1300 86-115 Ti-10-2-3 Ti-10V-2Fe-3Al 300-470 1000-1200 1000-1400 110 Ti-15-3 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 300-450 800-1000 800-1100 80-100

In figura 3 este prezentata dependenta rezistentei specifice de temperatura pentru diferite grupe de aliaje utilizate in constructia turbomotoarelor.

26

Figura 3 -Variatia rezistentei specifice cu temperatura pentru diferite grupe de aliaje. [13] In vederea obtinerii aliajelor pe baza de titan cu rezistenta mare la fisurare si proprietati

mecanice bune la temperaturi ridicate se poate opta pentru alegerea elementelor de aliere care stabilizeaza faza alfa (aliaje sau pseudo ), in timp ce aliajele metastabile ofera forjabilitate imbunatatita. Ca exemplu, aliajul Ti 834 este un aliaj pseudo care a fost dezvoltat cu o microsctructura atent controlata pentru a se obtine proprietati mecanice bune la temperaturi pana la 630 0C. Combinata cu un raport mare rezistenta/greutate, aceasta comportare excelenta la temperatura ridicata face ca aliajul comercial Ti 834 sa fie adecvat pentru utilizare la discurile si paletele de compresor. [14]

3.1.2.2 Influenta elementelor de aliere asupra proceselor in faza lichida si asupra proprietatilor aliajului Aliajele de titan dezvoltate pentru aplicatii industriale si aerospatiale prezentate in tabelul 5

contin diferite elemente de aliere care favorizeaza rezistenta la temperaturi ridicate. Baza de comparatie este considerata aliajul + Ti-6Al-4V.

Aliajele cele mai rezistente la temperatura sunt cele care au un continut de faza mai mic decat aliajul Ti-6Al-4V si sunt in general aliaje pseudo . Faza , datorita structurii ei hexagonal compacte, favorizeaza fenomenele de difuziune in mai mica masura decat faza cubica cu volum centrat si, astfel, ea formeaza un constituient majoritar (95 %) in aliajele de titan pentru temperaturi inalte. Faza este o solutie solida cu rezistenta mecanica mare datorata elementelor care o stabilizeaza (cum ar fi aluminiul) sau elementelor neutre (ca zirconiul si staniul).

Studiul diagramelor binare de echilibru al fazelor titanului cu elementele de aliere furnizeaza informatii necesare selectarii elementelor de aliere si a continutului lor in aliajul care se cerceteaza in proiect.

Sistemul Ti-Al (Diagrama de echilibru fig. 4) Aluminul se considera principalul element de aliere al titanului, fiind prezent in numeroase aliaje

pentru o gama larga de utilizari. Aluminiul, stabilizator in aliajele de titan, este unul dintre putinele elemente de aliere care

creste temperatura de transformare alotropica a titanului. Asa cum se constata din diagrama de echilibru, aluminiul formeaza cu titanul un domeniu larg de solutii solide. Solutia solida corespunde aliajelor cu cu pana la 6 % Al. Aliajele Ti-Al se deformeaza usor la cald si suficient de bine la rece. Pot fi supuse forjarii si matritarii. Nu se durifica prin tratament termic si se utilizeaza in stare recoapta realizata in domeniul temperaturilor 800-900 0C.

Adaosul de aluminiu creste rezistenta mecanica, rezistenta la fisurare, modulul de elasticitate si scade densitatea.

Exista o limita a acestor adaosuri de durificare la care faza se descompune pentru a forma precipitate fine de faza fragile TiAl. In mod empiric s-a stabilit o valoare limita pentru echivalentul (echivalentul de Al) al aliajului sub care nu se formeaza faza TiAl.

27

Figura 4 Diagrama de echilibru Ti-Al Aliajele Ti-Al se sudeaza usor in argon, se prelucreaza satisfacator prin aschiere si au

rezistenta deosebita la coroziune. Proprietatile mecanice (in special rezistenta la rupere) si refractaritatea sunt scazute si, din aceasta cauza, in compozitia lor se introduc elemente de aliere care pastreaza structura de faza , dar imbunatatesc caracteristicile mecanice atat la temperaturi scazute cat si la temperaturi inalte. Adaugarea simultana a mai multor elemente in aliajele Ti-Al in cantitati mici (astfel incat sa nu schimbe structura de baza) asigura cresterea spectaculoasa a proprietailor mecanice si a refractaritatii intrucat formeaza cu acestea combinatii intermetalice care printr-un tratament termic adecvat conduc la durificarea prin imbatranire.

Sistemul Ti-Zr (Diagrama de echilibru fig. 5) Zirconiul este, dupa cum s-a mai aratat, un element neutru din punct de vedere al stabilizarii

fazelor.

Figura 5 - Diagrama de echilibru Ti-Zr Asa cum rezulta din diagrama de echilibru, zirconiul formeaza o serie continua de solutii solide

cu ambele modificatii alotropice ale titanului si creste rezistenta la temperatura joasa si medie. La calire, in aliajele bogate in titan din sistemul Ti-Zr, in domeniul de temperatura corespunzator fazei Ti se produce transformarea martensitica a fazei in faza ca si la titanul pur. Numai la calirea aliajelor de titan care contin 20 % Zr se poate fixa o oarecare cantitate de faza . Zirconiul mareste refractaritatea si rezistenta la fluaj a aliajului pe baza de titan. Totusi, utilizarea zirconiului in proportie

28

de 5-6 % poate reduce ductilitatea si rezistenta la fisurare. In aliajele Ti-Al zirconiul imbunatateste plasticitatea la fel ca elementele stabilizatoare.

Mo, V, Nb, Ta formeaza cu titanul sisteme de aliaje binare cu diagrame de stare apropiate de cea cu Zr, intrucat ele fac parte din grupa a V-a a sistemului lui Mendeleev, iar diametrele atomilor lor difera de cel al titanului cu mai putin de 10-15 %, avand reteaua cristalina izomorfa cu faza . Spre deosebire de Zr, solubilitatea lor in Ti este limitata ca urmare a diferentelor in constructia retelelor cristaline.

La calirea in domeniul se poate fixa structura in proportie de 100 % in aliajele binare care contin 10 % Mo, 15 % V, 36 % Nb, 60 % Ta. Daca aceste elemente sunt adaugate in cantitati mici, in timpul calirii are loc procesul de transformare martensitica a fazei in . Daca insa calirea se efectueaza la temperaturi in domeniul + , se poate fixa faza chiar la continuturi mai mici ale elementelor de aliere decat valorile critice. Aceste elemente au un rol de prim ordin in aliajele pe baza de titan, contribuind la imbunatatirea simultana a diferitelor proprietati, inclusiv a rezistentei la coroziune.

Sistemul Ti-Mo (Diagrama de echilibru fig. 6) Molibdenul a fost primul stabilizator utilizat in aliajele de titan. Prezenta fazei in Ti creste

raspunsul aliajelor la tratament termic.

Figura 6 - Diagrama de echilibru Ti-Mo

Prezenta Mo creste, de asemenea, rezistenta la temperatura ridicata pe termen scurt. In aliajele conventionale de titan, de regula molibdenul nu depaseste 15 % in greutate. Intre cele doua elemente exista o buna miscibilitate, fara formare de compusi intermediari.

La un adaos de 15 % Mo in Ti, temperatura de transformare in + scade de la 882 0C (cea pentru Ti) pur la 750 0C. Din diagrama rezulta ca solubilitatea Mo in Ti este foarte scazuta, sub 1 % (comparativ cu vanadiul la care solubilitatea maxima in Ti este la 3 %). In domeniul concentratiilor scazute de Mo, dar peste 1 % se formeaza la temperaturi scazute faza +.

Sistemul Ti-V (Diagrama de echilibru fig. 7)

29

Figura 7 Diagrama de echilibru Ti-V Din diagrama de echilibru a fazelor Ti-V rezulta ca solubilitatea V in Ti este maxima la 3 %.

Vanadiul, ca si molibdenul, stabilizeaza faza la scaderea temperaturii de transformare din in . Faza poate fi suficient de stabilizata ca sa coexiste cu la temperatura camerei. Acest fapt este baza pentru crearea de aliaje de titan durificabile prin tratament termic. Cand V este adaugat in proportie de 4 % sau mai mult in aliajele + sau , favorizeaza durificarea prin tratament termic. O rezistenta mecanica foarte mare poate fi obtinuta printr-un tratament de punere in solutie si de imbatranire, rezistenta care poate fi mentinuta si la temperaturi moderate. [3]

Sistemul Ti-Ta (Diagrama de echilibru fig.8) Sistemul Ti-Ta combina proprietati care nu se gasesc frecvent laolalta: rezistenta la coroziune,

rezistenta mecanica buna si un modul de elasticitate mai scazut. Favorizarea de catre tantal a structurii a aliajului, imbunatateste proprietatile sale mecanice. Diagrama din fig. 9 prezinta influenta continutului de tantal in aliaje Ti-Ta, asupra modului de

elasticitate.

Figura 8 - Diagrama de echilibru Ti-Ta

30

Figura 9 Influenta continutului de Ta asupra modulului de elasticitate al aliajelor Ti-Ta[12] S-a constatat o variatie nelineara a modulului de elasticitate in functie de continutul de tantal. La un continut de cca 2 % Ta se obtine o scadere a modulului de elasticitate cu cca. 5 %, fata

de cel al titanului nealiat. In paralel, se constata ca la cresterea continutului de Ta creste si rezistenta mecanica pana la 587 MPa, urmata de o usoara scadere[12]. Avantajul rezistentei bune la coroziune a Ti aliat cu Ta a fost demonstrat prin numeroase studii de coroziune, efectuate chiar in conditii foarte severe de temperaturi inalte. Astfel, rezultatele experimentale prezentate in diagrama fig. 10 evidentiaza dependenta rezistentei la oxidare a aliajelor din sistemul Ti-Ta de continutul de Ta.

La un continut de Ta de cca. 2% (in procente de greutate),[11] aliajul prezinta rezistenta buna la coroziune, (pierderea in greutate a aliajului este in scadere), o temperatura de topire usor crescuta comparativ cu titanului nealiat, proprietati mecanice imbunatatite.

Figura 10 Rezistenta la coroziune (oxidare la temperatura inalta) a aliajelor Ti-Ta[11]

Din cele de mai sus rezulta ca la un continut de 2 % tantal (in procente de greutate) in aliajul cercetat in proiect devin evidente cresterea rezistentei mecanice, a rezistentei la uzura, scaderea modulului de elasticitate, scaderea vitezei de coroziune (cresterea rezistentei la oxidare la temperatura).

Sistemul Ti-Nb (diagrama de echilibru fig.11) Diagrama de echilibru a sistemului Ti-Nb evidentiaza lipsa fazelor intermetalice, a reactiilor

eutectoide si peritectice, fapt ce determina superioritatea sa fata de alte elemente de aliere. Ca stabilizator , niobiul este adaugat in compozitie pentru a imbunatati stabilitatea de suprafata

a aliajului la temperatura ridicata. De asemenea, substituind o parte din molibden cu niobiu se durifica faza si scade transus' in aliajele IMI 829 si IMI 834. [9]

31

Figura 11- Diagrama de echilibru Ti-Nb

Sistemul Ti-Sn (Diagrama de echilibru fig. 12) Staniul este unul dintre cele mai bune elemente de aliere pentru aliajele . In concentratii mari,

peste 10 %, formeaza compusi intermetalici.

Figura 12 - Diagrama de echilbru Ti-Sn In sistemul Ti-Sn are loc o transformare eutectoida. Faza nu se fixeaza prin calire,

temperatura tranformarii eutectoide fiind inalta (865 0C), iar viteza de reactie este foarte mare. Staniul este utilizat pentru durificarea solutiei solide, adesea impreuna cu aluminiul, pentru a se

obtine o rezistenta mecanica mare fara fragilitate. Analiza diagramei de echilibru evidentiaza prezenta fazei SnxTi care exista la 40 % at Ti.