سبائك التيتانيوم في محركات الطائرات: تطبيقات المروحة والضاغط واختيار الدرجة
Jun 30, 2026
لماذا يهم التيتانيوم في محركات الطائرات؟
المحرك هو ما يعطي الطائرة قوة الدفع، والمواد المختارة لهذا المحرك تحدد مقدار الدفع الذي يمكن إنتاجه لوزن معين. يظل الفولاذ عنصرًا أساسيًا، لكن المحرك الحديث يعتمد أيضًا على سبائك الألومنيوم، وسبائك التيتانيوم، والمواد المركبة، والسبائك-ذات درجات الحرارة العالية. ومع تحسن أداء التيتانيوم وانخفاض تكلفته، ارتفعت حصته من كتلة المحرك سنة بعد سنة، وتختلف الكمية المستخدمة بشكل كبير بين البلدان والمصنعين ونماذج المحركات والتصميمات الفردية.
المحركات النفاثة هي التطبيق الرئيسي للتيتانيوم. بالنسبة لأحد مصنعي المحركات في الولايات المتحدة، تشكل أجزاء سبائك التيتانيوم ما بين 7% إلى 18% من الكتلة الصافية للمحرك، في حين أن المحرك النفاث التوربيني الأمريكي المبكر في الخمسينيات من القرن العشرين استخدم حوالي 6% من التيتانيوم.
محتوى التيتانيوم في المحركات النفاثة
في أحد المحركات النفاثة الأمريكية المستخدمة على نطاق واسع، كان الدوار ذو 17 مرحلة مصنوعًا في الأصل من الفولاذ المقاوم للصدأ وتم تغييره لاحقًا إلى قرص ذو 11 مرحلة من سبائك التيتانيوم. استخدمت نسخة لاحقة من هذا المحرك 20% من سبائك التيتانيوم من حيث الكتلة، مقابل 4% فقط في الإصدار السابق - وهي زيادة قدرها خمسة أضعاف تم تحقيقها بشكل أساسي عن طريق استبدال المكونات الفولاذية في الضاغط.
اتجاه الحركة هو نفسه في جميع أنحاء الصناعة: مع ارتفاع درجات حرارة مخرج الضاغط ومع سعي المصممين لتقليل وزن المحرك، يتم تحويل المزيد من الأجهزة الدوارة والثابتة من الفولاذ إلى سبائك التيتانيوم.
سبائك المروحة والضاغط في المحركات التوربينية الكبيرة
في أحد المحركات التوربينية المروحية المبكرة في الولايات المتحدة، كانت شفرات المروحة لضاغط الضغط المنخفض-، بالإضافة إلى الفواصل وصمام المروحة، مصنوعة من Ti-6Al-4V؛ يبلغ طول شفرات المروحة 406 ملم، أي ضعف طول شفرات الضاغط. في محرك توربيني مروحي عالي الالتفافية لاحق من نفس الشركة المصنعة، يبلغ طول شفرات المروحة 711 ملم، أي ما يقرب من عشرة أضعاف طول شفرات الضاغط. وتمثل سبائك التيتانيوم 28% من كتلة ذلك المحرك، أي حوالي 1.035 طن، منها 46 شفرة مروحة مصنوعة من Ti-6Al-4V.
تم تصنيع الجزء الدوار لضاغط الضغط المنخفض- والمرحلة التاسعة لضاغط الضغط العالي المكون من 11-مرحلة من Ti-6Al-4V وTi-8Al-1Mo-1V وTi-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. وآخرها يتحمل الخدمة عند درجة حرارة 480 درجة، ويستخدم منه 450 كجم في المحرك. دوارات الجزء الثابت مصنوعة من سبيكة Ti-5Al-2.5Sn.
| سبيكة | مكونات المحرك النموذجية | ملحوظات |
|---|---|---|
| تي-6Al-4V | شفرات المروحة، والفواصل،-دوار الضاغط المنخفض، ومراحل الدوار الضاغط العالي- | يتم استخدام سبيكة العمود الفقري للمروحة والضاغط بأكبر كمية على الإطلاق |
| تي-8آل-1مو-1ف | ضاغط ذو ضغط منخفض- ودوار ضاغط ذو ضغط مرتفع- | قوة درجة حرارة مرتفعة أعلى-للمحطات الأكثر سخونة |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo | -مراحل قرص ضاغط الضغط العالي | درجة حرارة الخدمة تصل إلى حوالي 480 درجة؛ 450 كجم يستخدم في محرك توربيني كبير واحد |
| تي-5آل-2.5سن | دوارات الجزء الثابت | استقرار جيد للأجهزة الثابتة |
| Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si | ضاغط الضغط العالي-المراحل 3 إلى 6 لمحرك المملكة المتحدة | تم اختياره لمقاومة الزحف العالية في الضاغط |
في محرك تم تطويره بشكل مشترك من قبل عدة دول، ويزن 2.2 طن، يمثل التيتانيوم 31٪ من الكتلة. في ضاغط الضغط العالي-المُصمم في المملكة المتحدة، تستخدم المراحل من 3 إلى 6 سبيكة مقاومة عالية الزحف من نوع Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si، بينما تستخدم المحركات اليابانية Ti-6Al-4V للمروحة ومكونات الضاغط منخفض الضغط.
مطابقة السبائك لمحطة المحرك
ترتفع درجة الحرارة مرحلة بعد مرحلة من خلال الضاغط، لذا فإن اختيار السبائك يتبع خريطة درجة الحرارة بدلاً من اسم المكون. يتم استخدام سبائك التيتانيوم مثل Ti-6Al-4V حيث تظل درجات الحرارة معتدلة، بالقرب من درجات-ألفا مثل Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo التي تتولى المهمة في المراحل الخلفية الأكثر سخونة للضاغط عالي الضغط، ويتم حجز درجات محامل السيليكون المقاومة للزحف للمراحل التي تجمع بين درجة الحرارة العالية والحمل المستمر. عندما تتجاوز درجة الحرارة النطاق المفيد للتيتانيوم، تتولى السبائك أو المواد المركبة ذات درجة الحرارة العالية المسؤولية، وتعد درجة الحرارة الانتقالية هذه أحد قرارات التصميم الرئيسية في المحرك.
إن النتائج العملية لمورد التيتانيوم هي نفسها في كل حالة: درجة السبيكة، وحالة المعالجة الحرارية-، والبنية المجهرية، ومستوى جودة الموجات فوق الصوتية، يجب أن تكون جميعها مطابقة لمواصفات المحطة المعنية، نظرًا لأن شفرة المروحة، والقرص، وريشة الجزء الثابت يتم تشكيلها وفحصها وفقًا لمتطلبات مختلفة حتى عندما تكون مصنوعة من نفس الدرجة.
الأسئلة المتداولة
س: ما هي حصة المحرك النفاث من التيتانيوم؟
بالنسبة لإحدى الشركات المصنعة للمحركات الأمريكية، تمثل أجزاء سبائك التيتانيوم 7% إلى 18% من الكتلة الصافية للمحرك، وتستخدم المحركات النفاثة المبكرة حوالي 6%، ويستخدم محرك توربيني مروحي كبير عالي الالتفافية حوالي 28%، ويصل محرك 2.2 طن تم تطويره بشكل مشترك إلى 31%.
س: ما هي سبائك التيتانيوم الأكثر استخداما في محركات الطائرات؟
Ti-6Al-4V هو النوع الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، ويتم تطبيقه على شفرات المروحة والفواصل ودوارات الضاغط ذات الضغط المنخفض والضغط العالي.
س: لماذا شفرات المروحة أطول بكثير من شفرات الضاغط؟
لأن المروحة تكتسح حلقة أكبر بكثير؛ يبلغ طول شفرات المروحة في المحركات الموصوفة هنا 406 مم و711 مم، أي ما يقرب من ضعفي وعشرة أضعاف طول شفرة الضاغط على التوالي.
س: ما هو حد درجة حرارة الخدمة للتيتانيوم في الضاغط؟
درجة ألفا قريبة من- مثل Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo يمكن أن تتحمل حوالي 480 درجة، ولهذا السبب يتم استخدامها لمراحل الضاغط عالي الضغط الأكثر سخونة.
س: لماذا يتم استخدام-سبائك التيتانيوم المحملة بالسيليكون في بعض الضواغط؟
توفر درجات النوع Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si مقاومة عالية للزحف، لذلك يتم اختيارها للمراحل من 3 إلى 6 من الضاغط عالي الضغط حيث تكون درجة الحرارة والحمل مرتفعين.
س: ما هي سبائك التيتانيوم المستخدمة في دوارات الجزء الثابت؟
يتم استخدام Ti-5Al-2.5Sn للأجهزة الثابتة مثل دوارات الجزء الثابت، حيث يكون ثبات الأبعاد والمعادن أكثر أهمية من قوة الذروة.
