Quali materiali in lega sono necessari per i motori aerospaziali？

Il livello di sviluppo dei motori aerospaziali riflette in modo concentrato la forza nazionale complessiva di un Paese, la sua base industriale e il livello scientifico e tecnologico. La loro ricerca e sviluppo concentra le tecnologie più avanzate e i risultati industriali dell’industria moderna. In questo articolo verranno illustrati i materiali utilizzati nei motori aerospaziali.

1. Lega di alluminio
La lega di alluminio presenta vantaggi notevoli, come elevato modulo specifico e alta resistenza specifica, buona resistenza alla corrosione, buone proprietà di lavorazione e costi contenuti. Pertanto, è considerata il materiale più importante nell’industria aerospaziale.
Principali applicazioni: vano motore, struttura della cabina, pannelli portanti, travi, telai per l’installazione degli strumenti, serbatoi del carburante, ecc.

2. Lega di titanio
Rispetto a materiali metallici come alluminio, magnesio e acciaio, la lega di titanio offre i vantaggi di un’elevata resistenza specifica, buona resistenza alla corrosione, buona resistenza alla fatica, bassa conducibilità termica e basso coefficiente di dilatazione lineare, tra gli altri. Può essere utilizzata a lungo a temperature inferiori a 350~450℃ e a basse temperature fino a -196℃.
Principali applicazioni: pale del compressore, carter, vani motore e pannelli isolanti termici dei motori aeronautici, ecc.

3. Acciaio a ultraelevata resistenza
L’acciaio a ultraelevata resistenza presenta un’elevata resistenza alla trazione e una tenacità sufficiente, oltre a buona saldabilità e formabilità.
Principali applicazioni: alloggiamenti dei motori aerospaziali, ugelli dei motori, cuscinetti e ingranaggi di trasmissione.
4. Lega di magnesio
La lega di magnesio è il materiale strutturale metallico più leggero, con bassa densità, elevata resistenza specifica, forte resistenza alle vibrazioni sismiche e capacità di sopportare grandi carichi d’urto.
Principali applicazioni: carter dei motori aerospaziali, scatole del cambio, ecc.
Materiali compositi
Il rapido sviluppo dei motori aerospaziali, in particolare i requisiti sempre più severi in termini di temperatura e peso, non può più essere soddisfatto dai materiali tradizionali, in continuo miglioramento, e richiede invece che la scienza dei materiali apra un nuovo sistema: quello dei materiali compositi. In base alle caratteristiche di ciascun materiale composito, esso può essere utilizzato in diverse parti del motore.

1. Materiali compositi a matrice metallica
I materiali compositi a matrice metallica si riferiscono principalmente a materiali compositi con metalli leggeri come Al e Mg usati come matrice. Nel settore dell’aviazione e dell’aerospazio vengono utilizzati principalmente per sostituire il berillio, leggero ma tossico. Questo tipo di materiale presenta eccellenti prestazioni trasversali, basso consumo ed eccellente lavorabilità. È diventato il materiale commercialmente più interessante in molti settori applicativi ed è stato commercializzato all’estero.
Principale applicazione: adatto all’uso nei componenti della sezione a media temperatura del motore.
Con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia, alcune tecnologie d’avanguardia hanno compiuto rapidi progressi, ponendo requisiti più elevati per le prestazioni dei materiali. I materiali singoli tradizionali sono ben lontani dal soddisfare le esigenze della produzione reale. È in questo contesto che sono nati i materiali compositi.
Prendiamo come esempio l’applicazione dei materiali compositi nei motori aeronautici. Sebbene i materiali tradizionali dei motori aeronautici, ossia le leghe di nichel e le leghe di titanio, possano essere ulteriormente sviluppati, il loro margine di sviluppo non è ampio ed è difficile che soddisfino i requisiti più severi in termini di temperatura e peso dei futuri motori aeronautici. Oggi le prestazioni dei motori aeronautici migliorano costantemente e il peso è stato notevolmente ridotto rispetto al passato. Oltre a fare affidamento su strutture innovative come pale integrali, anelli palari integrali, pale cave e turbine controrotanti, si presterà maggiore attenzione ai materiali avanzati con elevata resistenza specifica, bassa densità, alta rigidezza e forte resistenza alle alte temperature. Oggi i compositi a matrice resinosa, i compositi a matrice metallica, i compositi a matrice ceramica e i compositi C/C sono diventati materiali candidati per ventole e compressori di motori aeronautici grazie alle loro eccellenti prestazioni alle basse temperature.

Materiali compositi avanzati utilizzati nei motori aeronautici

Carter del condotto
Rispetto al carter convenzionale del condotto della ventola in lega di titanio, il carter del condotto realizzato con materiali compositi a matrice resinosa può ridurre il peso e i costi di sviluppo del motore, garantendo al contempo che esso svolga tutte le funzioni e sopporti i carichi statici e di volo dell’intero motore.
Il motore F404 di GE è stato inizialmente modificato sostituendo il carter del condotto in lega di titanio con un carter del condotto composito PMR15, ottenendo una riduzione del peso del 30% e dei costi del 30%. Successivamente, GE ha applicato ulteriormente questa tecnologia a motori come il motore F414 potenziato e il motore GenX.
I motori F191 e F135 di Pratt & Whitney negli Stati Uniti e il motore M88 di Snecma in Francia utilizzano tutti carter del condotto realizzati con materiali compositi a matrice resinosa. Gli effetti in termini di riduzione del peso e dei costi sono molto evidenti.

Pale statoriche
Rispetto alle pale statoriche in lega di titanio, le pale statoriche composite a matrice resinosa possono ridurre il peso del 50% e i costi di oltre il 50%. Allo stesso tempo, ottimizzando l’orientamento delle fibre, è possibile modificare la frequenza naturale delle pale statoriche composite, aumentando lo spazio di progettazione meccanica e aerodinamica ammissibile.
Le pale statoriche della ventola dei motori PW4084 e PW4168 di Pratt & Whitney utilizzano materiali compositi a matrice di resina epossidica PR500. Tra questi, il motore PW4084, con un diametro di 3,04 metri, presenta una riduzione del peso del 39% e dei costi del 38%. L’azienda tedesca MTU utilizza materiali compositi PMC nelle palette direttrici d’ingresso e nelle pale statoriche regolabili del primo o del secondo stadio del compressore ad alta velocità e bassa pressione del motore PW8000. La capacità di queste pale di resistere ai danni esterni, alle vibrazioni e alla corrosione, nonché l’integrità strutturale, sono state verificate.

Pale rotoriche
Le caratteristiche di bassa densità e alta resistenza dei materiali compositi non solo consentono di ridurre il peso, ma permettono anche alle pale rotoriche di avere forme aerodinamiche tridimensionali, come pale a freccia e pale a falce. Oltre a ridurre i costi di produzione, le pale rotoriche composite presentano anche caratteristiche di sicurezza passiva negli incidenti con distacco delle pale, riducendo così i requisiti di contenimento.
L’uso di materiali compositi per le pale della ventola non solo può ridurre significativamente il peso delle pale stesse, ma anche quello del sistema di contenimento, del disco e dell’intero sistema rotorico. Presenta caratteristiche di basso costo, buona resistenza alle vibrazioni e forte resistenza ai danni. Attualmente, i motori GenX e GE90-115B di GE utilizzano pale composite della ventola ad alta portata e curvate, oltre a carter della ventola a matrice organica, e sono previsti ulteriori studi su ventole ad alto rapporto di pressione con pale cave composite.

Materiali compositi a matrice metallica
Rispetto ai materiali compositi a matrice resinosa, i materiali compositi a matrice metallica presentano buona tenacità, non assorbono umidità e possono resistere a temperature relativamente elevate. Le fibre di rinforzo dei materiali compositi a matrice metallica includono fibre metalliche, come acciaio inossidabile, tungsteno, benzene, nichel, composti intermetallici nichel-alluminio, ecc.; fibre ceramiche, come allumina, ossido di silicio, carbonio, boro, carburo di silicio e boruro di titanio.

I materiali della matrice dei compositi a matrice metallica includono alluminio, leghe di alluminio, magnesio, titanio e leghe di titanio, leghe resistenti al calore e leghe di cobalto. Tra questi, i compositi a base di leghe alluminio-carbonio, titanio e ferro sono attualmente le scelte principali. Per esempio, i materiali compositi a base di leghe di titanio rinforzate con fibre di carburo di silicio possono essere utilizzati per produrre pale del compressore. I compositi a matrice di magnesio o lega di magnesio rinforzati con fibre di carbonio o fibre di allumina possono essere utilizzati per produrre pale di turboventole. Un altro esempio è rappresentato dai compositi a matrice di lega a base di nichel rinforzati con fibre di nichel-cromo-alluminio-iridio, utilizzabili per produrre elementi di tenuta per turbine e compressori.

GE ha studiato alberi a bassa pressione in composito a base di titanio nell’ambito del programma di motori per la verifica di tecnologie congiunte. Il peso è inferiore del 30% rispetto alle leghe Inconel, la rigidezza è superiore del 40% rispetto alle leghe di titanio e la durata e la resistenza sono migliorate. Se il motore F110 utilizzasse questo albero composito, il peso potrebbe ridursi di 68 kg. Nel prossimo futuro, i compositi metallici sostituiranno le leghe di nichel e di titanio e diventeranno i materiali principali per i futuri motori aeronautici.

Nuove leghe di titanio ad alta resistenza e tenacità/leghe titanio-alluminio/leghe deformabili resistenti alle alte temperature e materiali compositi
Le leghe di titanio e le leghe titanio-alluminio (TiAl) continuano a svilupparsi in risposta alla richiesta di motori più leggeri. L’attuale temperatura massima di esercizio delle leghe di titanio è di 600-650℃, mentre l’intervallo di temperatura di esercizio delle leghe TiAl è di 650-950℃; tuttavia, la loro notevole fragilità a temperatura ambiente e sensibilità all’intaglio ne fanno solo un sostituto parziale delle leghe resistenti alle alte temperature o delle leghe monocristalline. Inoltre, con l’aumento della temperatura di esercizio di ciascuna sezione del motore, è necessario sviluppare nuove leghe deformabili resistenti alle alte temperature, più termoresistenti e tenaci.
Il mio Paese sviluppa autonomamente leghe di titanio resistenti alle alte temperature dagli anni ’80. Attualmente ha acquisito tecnologie chiave come la composizione delle leghe, la microstruttura, il controllo e l’ottimizzazione della corrispondenza delle prestazioni. Il livello di ricerca e applicazione è sostanzialmente sincronizzato con quello internazionale avanzato, ma è necessario migliorare ulteriormente l’uniformità delle prestazioni della microstruttura e valorizzare il potenziale delle leghe. Per le leghe TiAl sono state realizzate importanti innovazioni in tecnologie chiave come la progettazione dei materiali, il processo di preparazione, l’ottimizzazione e il controllo della microstruttura e il miglioramento della plasticità e della tenacità; sono state sviluppate diverse leghe rappresentative, ma è ancora necessario approfondire la ricerca su tecnologie quali la corrispondenza tra microstruttura, alta resistenza e tenacità, nonché la progettazione applicativa di materiali a bassa plasticità e tenacità, per ampliarne le applicazioni. Con il progresso dei metodi di progettazione delle leghe e lo sviluppo di attrezzature e processi di colata e forgiatura, sono state applicate con successo diverse nuove leghe deformabili resistenti alle alte temperature, ma con l’aumento del grado di legazione sono cresciute notevolmente le difficoltà dei processi di colata a caldo delle leghe. È necessario superare i colli di bottiglia tecnici, come la rifusione e la raffinazione di lingotti di grandi dimensioni e la deformazione uniforme, ottenere prestazioni microstrutturali uniformi e stabili, raggiungere un equilibrio complessivo tra prestazioni, efficienza e costi, accelerare la ricerca, lo sviluppo e l’applicazione e gettare le basi per la ricerca e lo sviluppo autonomi di leghe deformabili resistenti alle alte temperature e con prestazioni superiori in futuro.
Attualmente, l’applicazione della struttura del disco palare integrale nel rotore della sezione fredda ha raggiunto il limite progettuale, mentre l’anello palare integrale integra struttura e materiali avanzati, presenta eccellenti prestazioni complessive e consente di ridurre il peso, rappresentando la scelta emblematica per il rotore leggero dei motori di prossima generazione. La tendenza all’applicazione di materiali compositi rinforzati con fibre di SiC a base di titanio (Ti-MMC), a base di TiAl (TiAl-MMC) e a base di nichel (Ni-MMC) sta crescendo rapidamente. MTU e Rolls-Royce hanno prodotto anelli palari integrali in Ti-MMC, come illustrato nella Figura 1, alberi di turbina e altri provini di prova, effettuandone la valutazione con significativi effetti di alleggerimento. Si prevede che il Ti-MMC rappresenterà circa il 30% dei materiali utilizzati nei futuri motori e il TiAl-MMC circa il 15%.
Dagli anni ’90, il mio Paese ha iniziato la ricerca e lo sviluppo del Ti-MMC e dei suoi componenti. Finora sono stati compiuti progressi nelle tecnologie chiave, come la produzione di massa di fibre monofilamento di SiC ad alte prestazioni, la preparazione di fili precursori di alta qualità e la formatura dei componenti, ed è stato sviluppato il percorso tecnologico di produzione integrata degli anelli palari integrali in Ti-MMC. Tuttavia, è ancora necessario rafforzare la ricerca su tecnologie quali il controllo della forma del nucleo dell’anello rinforzato e la regolazione delle tensioni residue, per sfruttare pienamente i vantaggi del Ti-MMC.

Nuove leghe monocristalline e leghe da polveri
Con l’aumento della temperatura a monte della turbina, il materiale delle pale della turbina si è evoluto dalle leghe deformabili e colabili resistenti alle alte temperature alle leghe resistenti alle alte temperature orientate e monocristalline, mentre il materiale del disco della turbina si è evoluto dall’acciaio legato e dalle leghe deformabili resistenti alle alte temperature alle leghe resistenti alle alte temperature ottenute da polveri. Negli ultimi cinquanta o sessant’anni, la temperatura a monte della turbina è aumentata di circa 600 K e i materiali e il processo di colata hanno contribuito per il 30-40%. Da quando Pratt & Whitney ha inventato la prima lega monocristallina al mondo, la PW1480, l’industria ha sviluppato con successo diverse generazioni di leghe monocristalline a base di nichel e nichel-alluminio (Ni3Al). La Cina è uno dei Paesi al mondo ad aver studiato per primo le leghe monocristalline e molti gradi sono stati gradualmente applicati. Tuttavia, con lo sviluppo dei motori, le attuali leghe monocristalline sono limitate dalla resistenza alla temperatura e dalla lavorabilità in colata e la loro applicazione ha raggiunto il limite. È urgente sviluppare nuove leghe monocristalline con temperatura di fusione iniziale più elevata, migliore microstruttura e prestazioni, buona lavorabilità in colata e saldatura e costi accettabili.
Da quando gli Stati Uniti hanno sviluppato per primi le leghe resistenti alle alte temperature ottenute da polveri e le hanno applicate con successo ai dischi delle turbine nei primi anni ’60, i dischi delle turbine in lega da polveri hanno accumulato decine di milioni di ore di funzionamento sicuro su diversi motori, e le leghe da polveri sono diventate il materiale preferito per i dischi delle turbine dei motori aeronautici avanzati. L’industria ha sviluppato leghe da polveri di generazione più avanzata, con temperature di esercizio più elevate e prestazioni complessive migliori, oltre a dischi di turbina a doppia prestazione/doppia lega e doppio mozzo, in base alle diverse esigenze prestazionali delle parti del disco della turbina. Il mio Paese ha sviluppato con successo le leghe da polveri di prima e seconda generazione e sta attualmente sviluppando quelle di terza e quarta generazione. Tuttavia, con lo sviluppo dei motori, sono ancora necessarie ricerche approfondite sulle polveri di alta qualità, sulla preparazione di dischi di turbina a doppia prestazione/doppia lega/doppio mozzo e sui processi a basso costo.

I materiali e i processi avanzati, strategici e rivoluzionari, leggeri, ad alta resistenza e resistenti alle alte temperature, rappresentano la scelta emblematica per i futuri motori aeronautici avanzati. Dovremmo concentrarci ulteriormente sui colli di bottiglia di base, sulle applicazioni ingegneristiche, sugli investimenti in risorse e sull’integrità delle due filiere, rafforzare la trazione della domanda, la gestione complessiva del settore, la pianificazione sistemica, l’integrazione collaborativa e gli investimenti centralizzati, così da intraprendere un percorso di indipendenza, autosufficienza e autosviluppo nei materiali e nei processi dei motori, con caratteristiche cinesi.