Η ιστορία των εφαρμογών του τιτανίου στην αεροπορία ξεκίνησε το 1953 με την πρώτη χρήση του τιτανίου στα δοχεία του κινητήρα και στα τείχη προστασίας του DC-T που κατασκευάστηκε από την Douglas στις Ηνωμένες Πολιτείες. Από τότε, το τιτάνιο χρησιμοποιείται στα αεροσκάφη για σχεδόν 50 χρόνια. Επειδή έχει πολλές ευεργετικές ιδιότητες που είναι κατάλληλες για εφαρμογές αεροσκαφών, το τιτάνιο χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροπορία. Θα συζητήσουμε την ανάγκη για τιτάνιο στη σημερινή συζήτηση για τα υλικά αεροσκαφών.
1. Εισαγωγή τιτανίου
Η πρώτη βιομηχανική κατασκευή σφουγγαριού τιτανίου, ή τιτανίου, ξεκίνησε μόλις το 1948 όταν η αμερικανική εταιρεία DuPont κατασκεύασε τόνους σφουγγαριού τιτανίου χρησιμοποιώντας τη διαδικασία μαγνησίου. Λόγω της υψηλής ειδικής αντοχής, της εξαιρετικής αντοχής στη διάβρωση και της υψηλής αντοχής στη θερμότητα, το κράμα τιτανίου χρησιμοποιείται εκτενώς σε μια ποικιλία βιομηχανιών. Το τιτάνιο κατατάσσεται στη δέκατη θέση όσον αφορά την αφθονία στον φλοιό της γης, πολύ μεγαλύτερη από τα κοινά μέταλλα όπως ο χαλκός, ο ψευδάργυρος και ο κασσίτερος. Η άμμος και ο πηλός είναι δύο τύποι πετρωμάτων όπου το τιτάνιο είναι ιδιαίτερα άφθονο.
2. τα χαρακτηριστικά του τιτανίου
Υψηλή αντοχή: 1,3 φορές αυτή του κράματος αλουμινίου, 1,6 φορές αυτή του κράματος μαγνησίου και 3,5 φορές αυτή του ανοξείδωτου χάλυβα, ο πρωταθλητής μεταξύ των μεταλλικών υλικών.
Υψηλή θερμική αντοχή: η θερμοκρασία χρήσης είναι αρκετές εκατοντάδες μοίρες υψηλότερη από αυτή του κράματος αλουμινίου και μπορεί να λειτουργήσει για μεγάλο χρονικό διάστημα σε θερμοκρασία 450 έως 500 μοίρες.
Καλή αντοχή στη διάβρωση: ανθεκτική σε όξινη, αλκαλική και ατμοσφαιρική διάβρωση, ιδιαίτερα ισχυρή αντοχή στη διάβρωση με κοίλωμα και τάση.
Καλές ιδιότητες χαμηλής θερμοκρασίας: το κράμα τιτανίου TA7 με πολύ χαμηλά ενδιάμεσα στοιχεία μπορεί να διατηρήσει έναν ορισμένο βαθμό πλαστικότητας σε -253 βαθμό .
Υψηλή χημική δραστηριότητα: υψηλή χημική δραστηριότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, που αντιδρά εύκολα χημικά με αέριες ακαθαρσίες όπως το υδρογόνο και το οξυγόνο στον αέρα για να παραχθεί ένα σκληρυμένο στρώμα.
Μικρή θερμική αγωγιμότητα, μικρός συντελεστής ελαστικότητας: η θερμική αγωγιμότητα είναι περίπου το 1/4 του νικελίου, το 1/5 του σιδήρου και το 1/14 του αλουμινίου, ενώ η θερμική αγωγιμότητα διαφόρων κραμάτων τιτανίου είναι περίπου 50 τοις εκατό χαμηλότερη από αυτή του τιτανίου. Το μέτρο ελαστικότητας των κραμάτων τιτανίου είναι περίπου το 1/2 αυτού του χάλυβα.
3.Ταξινόμηση και χρήσεις κραμάτων τιτανίου
Κράματα ανθεκτικά στη θερμότητα, κράματα υψηλής αντοχής, κράματα ανθεκτικά στη διάβρωση (κράματα τιτανίου-μολυβδαινίου, κράματα τιτανίου-παλλαδίου, κ.λπ.), κράματα χαμηλής θερμοκρασίας και μοναδικά λειτουργικά κράματα είναι μερικές κατηγορίες για κράματα τιτανίου με βάση τη χρήση για την οποία προορίζονται. υλικά αποθήκευσης υδρογόνου τιτανίου-σιδήρου και κράματα μνήμης τιτανίου-νικελίου). Παρά το γεγονός ότι το τιτάνιο και τα κράματά του δεν έχουν χρησιμοποιηθεί για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, έχουν ήδη λάβει πολλά σημαντικά βραβεία για τις εξαιρετικές τους ιδιότητες. Λόγω της αντοχής, του χαμηλού βάρους και της αντοχής του σε υψηλές θερμοκρασίες, είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για την κατασκευή διαφόρων διαστημοπλοίων και αεροπλάνων. Ο τομέας της αεροδιαστημικής χρησιμοποιεί σήμερα περίπου το 75 τοις εκατό του τιτανίου και των κραμάτων τιτανίου που παράγονται παγκοσμίως. Υπάρχουν πολλά εξαρτήματα που κατασκευάζονταν παλαιότερα από κράματα τιτανίου αλλά αρχικά κατασκευάζονταν από κράματα αλουμινίου.
4. το κράμα τιτανίου των αεροπορικών εφαρμογών
Το κράμα τιτανίου χρησιμοποιείται κυρίως σε υλικά κατασκευής αεροσκαφών και κινητήρων, όπως ανεμιστήρες τιτανίου σφυρηλάτησης, δίσκοι και λεπίδες συμπιεστών, καλύμματα κινητήρα, συσκευές εξάτμισης και άλλα εξαρτήματα, καθώς και ο διαχωριστής δοκών αεροσκάφους και άλλα δομικά εξαρτήματα. Οι δορυφόροι τεχνητής γης, οι μονάδες φεγγαριού, τα επανδρωμένα διαστημόπλοια και τα διαστημικά λεωφορεία χρησιμοποιούν επίσης εξαρτήματα συγκολλημένα σε πλάκες από κράμα τιτανίου.
Το 1950 οι Ηνωμένες Πολιτείες για πρώτη φορά στο μαχητικό-βομβαρδιστικό F-84 ως θερμική ασπίδα πίσω ατράκτου, ασπίδα αέρα, ουραίο κάλυμμα και άλλα μη φέροντα εξαρτήματα. Η δεκαετία του '60 άρχισαν να χρησιμοποιούν εξαρτήματα από κράμα τιτανίου από την πίσω άτρακτο μέχρι την άτρακτο, εν μέρει αντί για διαχωριστή κατασκευής δομικού χάλυβα, δοκό, ολίσθηση πτερυγίου και άλλα σημαντικά φέροντα εξαρτήματα. Από τη δεκαετία του '70 και μετά, τα πολιτικά αεροσκάφη άρχισαν να χρησιμοποιούν κράμα τιτανίου σε μεγάλες ποσότητες, όπως τα επιβατικά αεροσκάφη Boeing 747 με τιτάνιο ανήλθαν σε 3640 περισσότερο από το 28 τοις εκατό του βάρους του αεροσκάφους. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας επεξεργασίας, σε πυραύλους, τεχνητούς δορυφόρους και διαστημόπλοια, χρησιμοποιήθηκε επίσης μεγάλος αριθμός κράματος τιτανίου.
Όσο πιο προηγμένο είναι το αεροσκάφος, τόσο περισσότερο τιτάνιο χρησιμοποιείται. US F-14Ένα μαχητικό αεροσκάφος χρησιμοποιεί κράμα τιτανίου, που αντιπροσωπεύει περίπου το 25 τοις εκατό του βάρους του αεροσκάφους. ΣΤ-15Ένα μαχητικό αεροσκάφος για 25,8 τοις εκατό ; η τέταρτη γενιά αμερικανικών μαχητικών αεροσκαφών με 41 τοις εκατό της ποσότητας τιτανίου, ο κινητήρας F119 με 39 τοις εκατό της ποσότητας τιτανίου, είναι αυτή τη στιγμή η υψηλότερη ποσότητα αεροσκαφών τιτανίου.
5. Λόγοι για τους οποίους τα κράματα τιτανίου χρησιμοποιούνται σε μεγάλους αριθμούς στην αεροπορία
Η μέγιστη ταχύτητα των σύγχρονων αεροσκαφών έχει φτάσει πάνω από 2,7 φορές την ταχύτητα του ήχου. Μια τόσο γρήγορη υπερηχητική πτήση θα κάνει το αεροσκάφος να τρίβεται στον αέρα και να δημιουργεί πολλή θερμότητα. Όταν η ταχύτητα πτήσης φτάσει 2,2 φορές την ταχύτητα του ήχου, τα κράματα αλουμινίου δεν αντέχουν πλέον. Πρέπει να χρησιμοποιούνται κράματα τιτανίου ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες.
Όταν η αναλογία ώθησης προς βάρος του αεροκινητήρα αυξάνεται από 4-6 σε 8-10, η θερμοκρασία της εξόδου του συμπιεστή αυξάνεται αντίστοιχα από 200-300 βαθμό σε 500-600 βαθμό , ο αρχικός δίσκος συμπιεστή χαμηλής πίεσης και η λεπίδα από αλουμίνιο πρέπει να αλλάξουν σε κράμα τιτανίου.
Τα τελευταία χρόνια οι επιστήμονες στο ερευνητικό έργο απόδοσης κράματος τιτανίου, συνεχίζουν να σημειώνουν νέα πρόοδο. Το αρχικό κράμα τιτανίου που αποτελείται από τιτάνιο, αλουμίνιο, βανάδιο, η υψηλότερη θερμοκρασία εργασίας 550 μοίρες ~ 600 μοίρες, και το πρόσφατα αναπτυγμένο κράμα αλουμινίου τιτανίου (TiAl), η υψηλότερη θερμοκρασία εργασίας έχει αυξηθεί στους 1040 βαθμούς.
Η χρήση κραμάτων τιτανίου αντί του ανοξείδωτου χάλυβα για την κατασκευή δίσκων και λεπίδων συμπιεστή υψηλής πίεσης μπορεί να μειώσει το βάρος της δομής. Για κάθε μείωση βάρους κατά 10 τοις εκατό σε ένα αεροσκάφος, μπορεί να επιτευχθεί εξοικονόμηση καυσίμου 4 τοις εκατό. Για πυραύλους, κάθε μείωση βάρους κατά 1 κιλό μπορεί να αυξήσει την εμβέλεια κατά 15 χιλιόμετρα.
6. ανάλυση χαρακτηριστικών μηχανικής κατεργασίας κράματος τιτανίου
Πρώτα απ 'όλα, η θερμική αγωγιμότητα του κράματος τιτανίου είναι χαμηλή, μόνο το 1/4 του χάλυβα, το αλουμίνιο 1/13, ο χαλκός 1/25. λόγω της αργής απαγωγής θερμότητας στην περιοχή κοπής, δεν ευνοεί τη θερμική ισορροπία, στη διαδικασία κοπής, η απαγωγή θερμότητας και το αποτέλεσμα ψύξης είναι πολύ κακή, εύκολο να σχηματιστεί υψηλή θερμοκρασία στην περιοχή κοπής, μετά την επεξεργασία των εξαρτημάτων ανακάμπτει η παραμόρφωση, με αποτέλεσμα σε εργαλείο κοπής αυξημένης ροπής, γρήγορη φθορά των άκρων, μειωμένη αντοχή.
Δεύτερον, η θερμική αγωγιμότητα του κράματος τιτανίου είναι χαμηλή, έτσι ώστε η θερμότητα κοπής να συσσωρεύεται στη μικρή περιοχή κοντά στο εργαλείο κοπής δεν είναι εύκολο να διασκορπιστεί, η τριβή της μπροστινής επιφάνειας του εργαλείου αυξάνεται, δεν είναι εύκολο να θρυμματιστεί, η θερμότητα κοπής δεν διαχέεται εύκολα, επιταχύνεται φθορά εργαλείων. Τέλος, η χημική δραστηριότητα του κράματος τιτανίου είναι υψηλή, η επεξεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες είναι εύκολο να αντιδράσει με το υλικό του εργαλείου, ο σχηματισμός διαλυτών, η διάχυση, με αποτέλεσμα κολλώδες μαχαίρι, μαχαίρι καύσης, σπασμένο μαχαίρι και άλλα φαινόμενα.
