Por que as pás das turbinas não são feitas de titânio, apenas as pás do compressor?

O titânio é inadequado porque reage com oxigênio e carbono em alta temperatura, bem abaixo de seu ponto de fusão, tornando-o muito duro e quebradiço. O titânio de soldagem é muito complicado porque precisa ser protegido muito bem de qualquer oxigênio quando quente. Ti $ _3 $ O irá formar acima de 500 ° C, e Ti $ _2 $ O acima de 600 ° C.

Inicialmente, as pás das turbinas eram feitas de ligas de aço, mas foram substituídas por ligas de níquel .

Além disso, eles operam em um ambiente que requer constante resfriamento , para que eles possam ter de 200 a 300 ° C mais frio que a temperatura de entrada da turbina do gás proveniente do (s) combustor (es). Lâminas de turbina modernas são ocos e têm uma perfuração na sua extremidade dianteira. O ar pressurizado e relativamente frio é forçado através das lâminas e da perfuração e flui ao redor da superfície da lâmina, criando uma camada de ar frio para proteger a lâmina do gás quente. Além disso, antes de entrar na turbina, o gás é acelerado, o que já abaixa sua temperatura. Veja o enredo abaixo dos parâmetros dentro de um mecanismo antigo extraído de esta fonte.

Logo após os injetores de combustível, a temperatura máxima do gás de aprox. 1800 ° C é atingido, o qual cai para 1100 ° C na entrada para a primeira fase da turbina. Note que esta temperatura foi aumentada para 1500 ° C em motores militares modernos! Ao mesmo tempo, a temperatura mais alta é conectada com a velocidade mais baixa (30 m / s), e o fluxo acelera para 200 m / s diretamente antes de entrar no primeiro estágio da turbina.

O titânio em contato com o oxigênio perderia muita força a essas temperaturas, mesmo que seu ponto de fusão esteja em 1650 ° C.

Além de resfriamento e ligas de níquel, duas outras tecnologias são usadas: fundição monocristalina e revestimentos de barreira térmica.

Revestimentos de barreira térmica , em conjunto com o resfriamento, permitem a operação próxima ao ponto de fusão do material base (como referenciado acima). Os CBTs geralmente consistem em zircônia estabilizada com ítria, que tem uma condutividade térmica muito baixa e um coeficiente de expansão térmica próximo ao das ligas de níquel. Isso faz com que seja incompatível com o titânio, que tem um CTE menor; As diferentes taxas de crescimento induzem a tensão no revestimento, eventualmente quebrando-o.

Além disso, o YSZ é permeável ao oxigênio em altas temperaturas. Isso pode ser reduzido (temporariamente) por um underlayer, mas eventualmente o oxigênio penetra no substrato. As ligas de níquel são substancialmente mais resistentes à oxidação à temperatura do que o titânio, como mencionado anteriormente, então elas também são mais compatíveis com os CBTs desta maneira.

A outra tecnologia usada nos componentes rotativos da seção quente é a fundição monocristalina . Simplificando, os cristais maiores resistem a fluência porque eles são menos propensos a combinar com outros cristais, e você não fica maior que um único cristal. Pelo que sei, não há nada sobre ligas de fundição de titânio que as tornem incompatíveis com fundição de cristal único.