Když titan selhal nad Atlantikem
havárie Air France 066 a cold-dwell fatigue

V kabině se ozve hlasitá rána. Jeden ze čtyř motorů, konkrétně motor číslo 4 na pravém křídle, se právě roztrhl. Celý přední ventilátorový blok motoru, včetně všech lopatek a centrálního náboje (kovového disku, na kterém jsou lopatky uchyceny), se oddělil za letu. Trosky se rozlétly do okolního prostoru, motor zůstal otevřený a poškozený, kryt motoru (odborně gondola) potrhaný.

Posádka okamžitě zahájila nouzové postupy. Letadlo přesměrovala na nejbližší vhodné letiště, na základnu kanadského letectva Goose Bay v Labradoru. Přistání proběhlo bez komplikací a bez zranění. Bylo to navzdory tomu, že motor utrpěl jedno z nejdramatičtějších selhání moderní letecké historie.

Vyšetřování, které následovalo, trvalo tři roky a vedlo k objevu, který přepsal část toho, co inženýři o titanu znali.

Hledání trosek v ledu

Aby vyšetřovatelé mohli pochopit, co se stalo, potřebovali fyzicky najít součást, co selhala. To znamenalo vyhledat klíčové části motoru, které během selhání odletěly přes Atlantik a dopadly někde na grónský ledový štít.

Mnohé části byly nalezeny relativně rychle. Ale jedna konkrétní součást, náboj ventilátoru (anglicky fan hub, masivní rotující disk, na kterém jsou uchyceny lopatky ventilátoru motoru), byla pohřbená hluboko ve sněhu. Bez ní nešlo příčinu havárie přesně určit, protože právě náboj ventilátoru byl klíčem k objasnění situace.

Hledání trvalo téměř dva roky. Použila se experimentální radarová technologie schopná detekovat kovové objekty pod několika metry sněhu a ledu. V červnu 2019 byl náboj konečně objeven a vyzvednut. Vyšetřovatelé z francouzského Bureau d'Enquêtes et d'Analyses (BEA) se konečně mohli pustit do analýzy.

A výsledky byly překvapivé.

Něco, co tu nemělo být

Náboj ventilátoru byl vyroben kováním ze slitiny Ti-6Al-4V (Ti-6-4), tedy té všudypřítomné alfa-beta slitiny titanu, kterou jsme rozebrali ve druhém článku této série. Pro tuto aplikaci je Ti-6-4 standardní volbou. Letecký průmysl ji používá desítky let a má s ní obrovské zkušenosti.

Vyšetřování ukázalo, že náboj nepřekročil návrhové limity. Nebyl přetížený. Konstrukce motoru byla v pořádku. A přesto se v součásti objevila trhlina, která postupně rostla, dokud zbývající průřez nedokázal dál nést zatížení. Pak došlo ke katastrofickému selhání.

Nejvíc překvapivé bylo, že selhání nastalo zhruba ve čtvrtině očekávané životnosti náboje. Podle konvenčních únavových výpočtů měl mít komponent ještě přes deset tisíc letových cyklů (jeden cyklus znamená jedno vzlétnutí a jedno přistání) před sebou. Místo toho selhal mnohem dřív.

To znamenalo jediné: mechanismus, který způsobil selhání, nebyla klasická únava materiálu. Bylo to něco jiného. Něco, co konvenční výpočty nevzaly v potaz.

Vyšetřovatelé identifikovali viníka. Jevu, který stál za selháním, se říká cold-dwell fatigue (česky únava při zatížení s prodlevou za běžných provozních teplot). A protože Ti-6-4 se v aerospace používá tak hojně, byl to pro průmysl velký problém.

Co je cold-dwell fatigue

Pro pochopení musíme nejprve rozlišit dva mechanismy, kterými může kovová součást selhat opakovaným zatěžováním.

Klasická únava vzniká při cyklickém zatěžování, kdy se zátěž periodicky zvyšuje a snižuje. S každým cyklem se v materiálu může na mikroskopické úrovni odehrát malé poškození. Postupně, po milionech cyklů, se z malých poškození časem stává trhlina, která roste, dokud součást neselže. Tento mechanismus je dobře známý, dobře měřitelný a inženýři ho při návrhu zohledňují pomocí únavových diagramů, které předpovídají životnost součásti.

Cold-dwell fatigue je něco jiného. Vzniká, když cyklické zatěžování obsahuje dlouhé prodlevy v zatíženém stavu. Součást není jen periodicky zatěžována a uvolňována, ale je v některých fázích cyklu držena pod vysokým napětím nějakou dobu, klidně i několik minut. A tyto cykly se opakují tisíce až desetitisíckrát během životnosti součásti.

V leteckém motoru je takový průběh zatížení běžný. Při startu a stoupání motor pracuje na vysokém výkonu po dobu několika minut. Rotující součásti, včetně náboje ventilátoru, jsou v té době vystaveny vysokým odstředivým silám, které vyvolávají velké napětí v materiálu. Zatížení není ostrý cyklus, ale dlouhá rovinná část (anglicky plateau, tedy oblast, kdy zatížení zůstává po určitou dobu vysoké a konstantní).

Slovo „cold“ v názvu nemá nic společného s mínusovými teplotami. Znamená, že jev se odehrává při běžných provozních teplotách materiálu, typicky do 200 °C. To je důležité, protože za vyšších teplot (řádově 500 °C a víc u titanu) existuje příbuzný jev zvaný creep (o kterém jsme mluvili v prvním článku této série). Cold-dwell fatigue je v podstatě obdoba creepu, ale za teplot, při kterých by se klasický creep neměl odehrávat. Dokonce může nastat i při pokojové teplotě.

Proč je HCP struktura zranitelná

Cold-dwell fatigue není problém všech kovů. Je to specifický problém slitin, které obsahují HCP fázi. A jak víme z prvního a druhého článku, alfa fáze titanu má právě HCP strukturu.

Klíčem k pochopení je vlastnost HCP struktury zvaná anizotropie (situace, kdy se materiál chová různě v různých směrech, na rozdíl od izotropie, kde se chová ve všech směrech stejně). V HCP struktuře záleží na tom, ze kterého směru na zrno působí zatížení. Když je zatížení kolmé na hexagonální rovinu krystalu, zrno je velmi tuhé a odolává deformaci. Když je zatížení rovnoběžné s hexagonální rovinou, zrno se deformuje mnohem snadněji.

V mikrostruktuře typu equiaxed, ve které je Ti-6-4 obvykle dodáván (jak jsme rozebrali ve druhém článku), má každé alfa zrno svou vlastní orientaci. Některá zrna mají hexagonální rovinu kolmou ke směru zatížení, jiná rovnoběžně, většina někde mezi.

Tady přichází klíčový pojem: „měkká“ zrna a „tvrdá“ zrna. Měkká zrna jsou ta, jejichž orientace umožňuje snadnější deformaci ve směru zatížení. Tvrdá zrna jsou ta, která zatížení odolávají.

Když je zatížení rychlé a krátké, oba typy zrn ho nesou společně. Měkká se deformují víc, tvrdá méně, ale celkové chování je v pořádku.

Když je zatížení dlouhé (dwell), situace se mění. Měkká zrna se postupně deformují víc a víc, jak v nich probíhá pomalá plastická deformace. Při tom přesouvají napětí na tvrdá zrna, která se nedeformují. Tvrdá zrna tak postupně nesou stále vyšší podíl celkového zatížení.

Tady přichází klíčový bod. Pokud jsou tvrdá a měkká zrna náhodně rozmístěna po celém objemu materiálu, není to problém. Každé tvrdé zrno je obklopené měkkými ze všech stran. Měkká zrna na něj sice přesouvají napětí, ale jenom o trochu, protože jde o jedno izolované zrno. Žádné tvrdé zrno tak nedostane víc napětí, než zvládne.

Mikrotexturní region — skrytá vada

Problém nastává, když ve struktuře materiálu existuje velký shluk podobně orientovaných zrn. Tomuto jevu se říká mikrotexturní region nebo macro-zone.

V mikrotexturním regionu jsou desítky až stovky alfa zrn orientovaných podobným způsobem. Pokud je tato orientace náhodou „tvrdá“ vůči směru zatížení, je v této oblasti vlastně koncentrace tvrdých zrn bez jakýchkoli měkkých zrn, která by mohla napětí dál redistribuovat.

Co se stane: měkká zrna v okolí mikrotexturního regionu se pomalu deformují a přesouvají na něj zatížení. Mikrotexturní region nese stále víc napětí, ale uvnitř něj není nic, co by toto napětí dál rozdělilo mezi zrna. Vzniká koncentrace napětí v jednom místě. Po dostatečném počtu cyklů s prodlevami se v této oblasti iniciuje trhlina. Trhlina pak roste klasickou únavou, dokud součást neselže.

Mikrotexturní regiony vznikají při výrobě. Když se titan kuje za teplot, kdy je v něm dostatek beta fáze, alfa zrna se vytvářejí uvnitř větších původních beta zrn. Sousední alfa zrna mohou zdědit podobné orientace od svého společného mateřského beta zrna. Pokud následné kování není dost intenzivní, aby tyto orientace zamíchalo, zůstanou ve výsledném materiálu jako mikrotexturní regiony.

A tady je kritická vlastnost: mikrotexturní region není standardní vada. Není to trhlina, není to pórovitost, není to chybějící materiál. Je to jen oblast s neuspokojivou orientační statistikou. Při standardních materiálových testech se nedá detekovat. Chemické složení je v pořádku. Mez pevnosti je v pořádku. Tažnost je v pořádku. Vzorek obsahující mikrotexturní region projde všemi standardními kontrolami.

Jen v provozu, pod cyklickým zatížením s dlouhými prodlevami, se ukáže, že materiál nemá životnost, kterou by měl mít.

Co se na Air France 066 přesně stalo

Francouzští vyšetřovatelé zjistili následující: v náboji ventilátoru motoru číslo 4 existoval mikrotexturní region. Vznikl při kování v továrně, kdy se nepodařilo dostatečně rozbít orientace zděděné z původních beta zrn. Jeho orientace byla „tvrdá“ vůči směru hlavního napětí, kterému byl náboj vystaven při běžném provozu.

V průběhu několika let provozu, kdy motor opakovaně procházel cykly startu a stoupání (každý cyklus znamenal několikaminutové dwell zatížení), se v mikrotexturním regionu postupně iniciovala trhlina. Cyklické zatížení ji pak rozšiřovalo, dokud nebyla tak velká, že zbývající průřez nedokázal dál nést zatížení odstředivých sil.

V září 2017, někde nad Atlantikem, náboj selhal.

Selhání bylo prudké a katastrofické, ale díky robustnímu návrhu motoru nedošlo k poškození kabiny ani ke zranění lidí.

Co se z toho průmysl naučil

Cold-dwell fatigue u titanových slitin nebyla úplnou novinkou. Jev byl znám už předtím, ale myslelo se, že postihuje hlavně čisté alfa slitiny, ne alfa-beta slitiny typu Ti-6-4. Air France 066 byla prvním zdokumentovaným případem tohoto typu na Ti-6-4 komponentu v provozu.

To mělo zásadní důsledky. Najednou bylo jasné, že dvě součásti se stejnou chemií, stejnou pevností, stejnou tažností, prošlé identickými standardními kontrolami, mohou mít naprosto odlišnou životnost při dwell zatížení v závislosti na své mikrostruktuře a přítomnosti či nepřítomnosti mikrotexturních regionů.

Letecký průmysl zareagoval okamžitě.

Změnily se výrobní postupy pro titanové komponenty kritických rotujících částí. Kovací procesy byly upraveny tak, aby intenzivněji rozbíjely orientace zděděné z původních beta zrn.

Vyvinuly se nové inspekční techniky, schopné mapovat orientaci zrn v hotových výrobcích a detekovat mikrotexturní regiony před tím, než se součást dostane do provozu.

Stávající flotila motorů byla podrobena novým inspekčním kontrolám zaměřeným na detekci raných stádií trhlin vzniklých dwell zatížením.

A pro nový design rotujících titanových komponentů se cold-dwell fatigue začala považovat za standardní inženýrský problém, na který je potřeba při návrhu i kontrole kvality výroby brát zřetel.

Závěr

Titanové slitiny jsou neuvěřitelně schopné materiály. V leteckém průmyslu pracují bezpečně každý den v milionech rotujících komponentů. Air France 066 ale ukázala, že i nejprozkoumanější materiál může za specifických podmínek selhat způsobem, který se předtím v praxi neviděl.

Lekce je obecná. Materiálová věda není uzavřená kapitola. Každá zdánlivě nová havárie obvykle odhalí mechanismus, který předtím nikdo nečekal v té kombinaci podmínek, ve které se objevil. A každá taková havárie posune pochopení průmyslu kupředu, byť cestou, které by se průmysl raději vyhnul.

V příštím článku téhle série se vrátíme zpět k povrchu titanu. Tentokrát ne v kontextu mechanického selhání, ale v kontextu biologické integrace. Podíváme se na to, proč titan v lidském těle nekoroduje a proč se s ním kost dokáže pevně spojit, jako by byl součástí těla od počátku.

Vyhledávací operace na grónském ledovém štítu trvala dva roky. Dva roky, aby se z mrazivého ticha dostal kus vykovaného titanu, který zničil motor jednoho z největších dopravních letadel světa. A který nakonec přepsal část toho, co průmysl o jeho vlastním pracovním koni věděl.