Warum bestehen keine Turbinenschaufeln aus Titan, sondern nur Verdichterschaufeln?

Titan ist ungeeignet, da es bei hohen Temperaturen weit unter seinem Schmelzpunkt mit Sauerstoff und Kohlenstoff reagiert, wodurch es sehr hart und spröde wird. Das Schweißen von Titan ist sehr kompliziert, da es im heißen Zustand extrem gut vor Sauerstoff geschützt werden muss. Ti$_3$O bildet sich über 500°C und Ti$_2$O über 600°C.

Ursprünglich wurden Turbinenschaufeln aus Stahllegierungen hergestellt, sie wurden jedoch durch Nickellegierungen verdrängt .

Außerdem arbeiten sie in einer Umgebung, die eine konstante Kühlung erfordert , sodass sie 200–300 °C kühler sein können als die Turbineneintrittstemperatur des aus der/den Brennkammer(n) kommenden Gases. Moderne Turbinenschaufeln sind hohl und haben an ihrer Vorderkante eine Perforation. Unter Druck stehende, relativ kühle Luft wird durch die Schaufeln und die Perforation gepresst und strömt um die Schaufeloberfläche herum, wodurch eine kühle Luftschicht erzeugt wird, um die Schaufel vor dem heißen Gas abzuschirmen. Außerdem wird das Gas vor dem Eintritt in die Turbine beschleunigt, was bereits seine Temperatur senkt. Sehen Sie sich das folgende Diagramm mit Parametern in einem älteren Motor an, der aus dieser Quelle stammt.

Kurz hinter den Einspritzdüsen wird die maximale Gastemperatur von ca. Es werden 1800°C erreicht, die am Eintritt in die erste Turbinenstufe auf 1100°C abfallen. Beachten Sie, dass diese Temperatur in modernen Militärmotoren auf 1500 °C angehoben wurde! Gleichzeitig ist die höchste Temperatur mit der niedrigsten Geschwindigkeit (30 m/s) verbunden und die Strömung beschleunigt sich direkt vor dem Eintritt in die erste Turbinenstufe auf 200 m/s.

Titan würde bei diesen Temperaturen im Kontakt mit Sauerstoff stark an Festigkeit verlieren, obwohl sein Schmelzpunkt bei 1650°C liegt.

Neben Kühl- und Nickellegierungen kommen zwei weitere Technologien zum Einsatz: monokristallines Gießen und Wärmedämmschichten.

Wärmebarrierenbeschichtungen gestatten zusammen mit der Kühlung einen Betrieb nahe dem Schmelzpunkt des Grundmaterials (wie oben erwähnt). TBCs bestehen normalerweise aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid, das eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der dem von Nickellegierungen nahe kommt. Dies macht es inkompatibel mit Titan, das einen niedrigeren CTE hat; Die unterschiedlichen Wachstumsraten induzieren Spannungen in der Beschichtung und reißen sie schließlich.

Außerdem ist YSZ bei hohen Temperaturen sauerstoffdurchlässig. Dies kann (vorübergehend) durch eine Unterschicht reduziert werden, aber schließlich dringt Sauerstoff zum Substrat vor. Wie bereits erwähnt, sind Nickellegierungen bei Temperatur wesentlich oxidationsbeständiger als Titan, so dass sie auf diese Weise auch besser mit TBCs kompatibel sind.

Die andere Technologie, die bei rotierenden Komponenten im Heißabschnitt verwendet wird, ist das monokristalline Gießen . Einfach ausgedrückt, größere Kristalle widerstehen dem Kriechen, weil sie sich weniger wahrscheinlich mit anderen Kristallen verbinden und Sie nicht größer als ein einzelner Kristall werden. Meines Wissens gibt es nichts an Titangusslegierungen, was sie mit Einkristallguss unvereinbar macht.