gdje se titan koristi u zrakoplovima
Primjena odAMS 6931 Kovanje titanau zrakoplovnoj industriji dijeli se na strukturu zrakoplova od legure titana i strukture motora od legure titana. U zrakoplovstvu se legure titana uglavnom koriste kao strukture i spremnici za rakete, projektile i svemirske letjelice. Legure titana za konstrukcije zrakoplova općenito se moraju koristiti na temperaturama ispod 350 stupnjeva, te moraju imati visoku specifičnu čvrstoću, dobru žilavost, izvrsnu otpornost na zamor i dobre performanse procesa zavarivanja. Titanove legure za motore moraju imati visoku specifičnu čvrstoću, dobru toplinsku stabilnost, otpornost na oksidaciju, otpornost na puzanje i druga svojstva. Uz zahtjeve za performansama legura titana u svemiru, zrakoplovna vozila također zahtijevaju otpornost na visoke temperature i radijaciju.
Dijelovi glavne primjene strukturnih dijelova zrakoplova od legure titana su dijelovi stajnog trapa, okviri, grede, oplate trupa, toplinski štitovi itd. Ruski zrakoplov Il{{0}} koristi leguru titana visoke čvrstoće BT22 za proizvodnju ključnih komponenti kao što su stajni trap i nosive grede. Materijal prijenosne grede glavnog stajnog trapa Boeinga 747 je Ti-6Al-4V. Otkovak je dugačak 6,20 metara, širok 0,95 metara i ima masu od 1545 kilograma. Ti-62222S legura titana visoke čvrstoće i žilavosti koristi se u ključnim dijelovima osovine horizontalnog stabilizatora zrakoplova C-17. Područje stražnjeg trupa gdje se nalazi motor zrakoplova F-22 i repni toplinski štit dizajnirani su kao strukture od legure titana tankih stijenki s dobrom temperaturnom otpornošću.
Što se tiče zrakoplovnih motora, područja primjene materijala od legura titana uključuju kompresorske diskove, lopatice, bubnjeve, rotore visokotlačnih kompresora, kućišta kompresora itd. Oko 30% strukturne težine modernih turbinskih motora izrađeno je od legura titana. Primjena legura titana smanjuje kvalitetu lopatica kompresora i lopatica ventilatora, a produljuje životni vijek komponenti i intervale pregleda. Prednji rub i vrh lopatica ventilatora motora Boeing 747-8GENX opremljeni su zaštitnim rukavcima od titanijske legure, koji su zamijenjeni samo tri puta tijekom 10-godišnjeg servisnog perioda.
Zračni otkovci od legure titana moraju proći kroz lijevanje ingota, izradu gredica, kovanje, strojnu obradu i druge procese kako bi se dobila potrebna struktura materijala i svojstva, a često se koriste za proizvodnju komponenti glavnih ležajeva kostura zrakoplova i rotora motora. Prema HB5024-1989, vanjski promjer velikih otkovaka nije manji od 500 mm. S razvojem zrakoplova i motora, zrakoplovni otkovci imaju sve veće zahtjeve za kvalitetom, sve većim veličinama i složenijim oblicima. Oblik konstrukcijskih dijelova zrakoplova je složen, a stopa iskorištenja materijala općenito nije veća od 10%. Materijal četiriju velikih nosivih okvira za pojačanje F-22 zrakoplova je Ti-6Al-4V ELI, a projektirana površina kalupnih otkovaka je 4.{{ 8}}.67 četvornih metara. Posljednjih godina, specijalizirana oprema za kovanje titanovih legura u zrakoplovstvu u mojoj je zemlji uvelike poboljšana i sada je moguće proizvoditi integralne otkivke titanovih legura od 5 kvadratnih metara.
Svemirske letjelice rade u ekstremnim uvjetima kao što su ultravisoke temperature, ultraniske temperature, visoki vakuum, veliki stres i jaka korozija. Osim što zahtijeva vrhunsku strukturnu tehnologiju projektiranja, također ovisi o izvrsnim karakteristikama i funkcijama materijala. Legure titana obično se koriste u proizvodnji spremnika za skladištenje goriva, kućišta raketnih motora, vodilica raketnih mlaznica i kućišta satelita.
Zbog izvrsnih svojstava materijala od legura titana, neki ključni dijelovi zrakoplova također su izrađeni od materijala od legura titana. Na primjer, rub usisnog otvora je dio izrađen od materijala od legure titana 3D printanjem, čime se ostvaruje integrirani dizajn i proizvodnja strukturnih dijelova i funkcionalnih dijelova.
Spojni elementi od legure titana koji se obično koriste u zrakoplovnoj industriji uglavnom uključuju zakovice, vijke i posebne spojne elemente.
Pričvršćivači od legure titana koji se koriste na zrakoplovima F-22 u Sjedinjenim Državama uključuju: vijke od legure titana visoke čvrstoće, čavle s prstenastim utorima, vijke s visokim učvršćenjem za konus poliranog štapa, samostezne vijke, zakovice od titan niobija i matice za spajanje . Domaći komercijalni zrakoplov C919, koji je prvi put letio u mojoj zemlji 2014., koristio je više od 200000 komada pričvršćivača od legure titana za jedan zrakoplov. Razvoj i primjena spojnih elemenata od legura titana daje mogućnost daljnjeg smanjenja mase konstrukcije zrakoplova. Strukturna težina zrakoplova Boeing 747 smanjena je za 1814 kg nakon zamjene čelika titanom. Ruski zrakoplov Il-96 koristio je 142 000 spojna elementa i zamijenio čelik titanom kako bi smanjio svoju težinu za 600 kilograma.
Legura titana ima izvrsnu otpornost na koroziju, a njezin pozitivni potencijal odgovara onom kompozitnih materijala od karbonskih vlakana, koji mogu učinkovito spriječiti potencijalnu koroziju spojnih elemenata. Ti45Nb legura je materijal za zakovice koji se široko koristi u zrakoplovnoj industriji u Sjedinjenim Državama. Materijal ima dobra vlačna svojstva i čvrstoću na smicanje u žarenom stanju, te može zamijeniti zakovice od čistog titana. Materijal Ti45Nb također ima visoku plastičnost i pogodan je za spajanje zakovica za izradu kompozitnih materijala.
Posljednjih godina, vijak visoke čvrstoće od legure titana Timeta1555 koji je razvila Alcoa ima vlačnu čvrstoću veću od 1300 MPa nakon starenja otopine, dvostruku čvrstoću na smicanje veću od 745 MPa i istezanje veće od 10%. Kako bi održali korak s razvojnim trendom međunarodnih vrhunskih pričvršćivača od titanijske legure, Xigong University Chaojing Co., Ltd. i Xinyang Aerospace Standard Parts Factory zajednički su razvili TB8 šipke i žice od titanijske legure za pričvršćivače i vlačnu čvrstoću izrađenih vijaka od njih je čak 1280MPa. Istraživanje i razvoj spojnih elemenata od legura titana vrlo je složen i dugotrajan posao.
Pravac razvoja industrije titanovih legura
Potražnja za legurama titana za buduće zrakoplove trebala bi biti veća čvrstoća, veća žilavost, veća učinkovitost oštećenja i veća otpornost na visoke temperature. Smjer primjene i razvoja materijala od legura titana bit će: nove strukturne legure titana visoke čvrstoće, legure titana visokih performansi otporne na oštećenja, jeftine legure titana otporne na zamor, nove strukturne legure titana za visoke temperature, napredne titanove legure materijali, kompozitni materijali na bazi titana itd. .
Zahtjevi za strukturnim smanjenjem mase modernih zrakoplova sve su hitniji. Uz materijale od legura titana, kompozitni materijali također su naširoko korišteni u strukturama leta. Korištenje kompozitnih materijala za zrakoplove Boeing 787 dosegnulo je 50%, a korištenje kompozitnih materijala za Airbus A380 također je doseglo 25%. Trenutno kompozitni materijali ne mogu u potpunosti zamijeniti metale, a metalni materijali su još uvijek nezamjenjivi. Moduli elastičnosti legure titana i kompozitnog materijala ojačanog ugljičnim vlaknima su usklađeni, a koeficijent toplinske ekspanzije je sličan; te ima dobru kemijsku kompatibilnost i nije sklon potencijalnoj koroziji. Spoj tijela krila F-18 "Bumblebee" koristio je dizajn stepenastog spajanja spojnih dijelova od legure titana i kompozitne kože. Nakon nekoliko godina testiranja, pouzdanost dizajna je potvrđena. S povećanjem količine kompozitnih materijala, količina materijala od legura titana dodatno će se povećati.
Može se vidjeti iz otvorenih izvora informacija posljednjih godina da su zahtjevi Sjedinjenih Država za konstrukcijskim materijalima za sljedeću generaciju zrakoplova lakši, učinkovitiji i da ih je moguće kontrolirati. Prema vrijednosti valute iz 2006., trošak jednog F-22 je oko 361 milijun američkih dolara. F-35 je u početku imao ciljani trošak od 35 milijuna dolara, koji je kasnije povećan na 138 milijuna dolara. Među ogromnim troškovima, visoka cijena proizvodnje legure titana je faktor koji se ne može zanemariti. Jeftine legure titana koriste Fe, O i druge elemente da zamijene skuplje V, Mo i druge elemente. Tvrtka Timetal iz Sjedinjenih Država razvila je leguru titana visoke čvrstoće i niske cijene Timetal-LCB dodavanjem Fe elementa u obliku jeftine Fe-Mo glavne legure umjesto skupog V elementa. Cilj je zamijeniti skuplju Ti- 10V-2Fe-3Al leguru.
Zavarivanje legure titana, oblikovanje blizu mreže, hladno oblikovanje itd. također su učinkoviti načini poboljšanja iskorištenja materijala i smanjenja troškova procesa. Napredne tehnologije zavarivanja kao što su zavarivanje elektronskim snopom i lasersko zavarivanje uspješno su primijenjene u nekim domaćim modelima. Skupina timova za lasersko oblikovanje poput Sveučilišta Beihang i Western University of Technology postigla je dobre rezultate u primjeni novih tehnologija legura titana.
U istraživanju novih legura titana za visoke temperature, na temelju legure titana za visoke temperature od 550 stupnjeva IMI829 u Ujedinjenom Kraljevstvu i legure titana za visoke temperature od 600 stupnjeva Ti-1100 u Sjedinjenim Državama, dodano je manje od 1% elemenata rijetke zemlje Gd i Y elemenata. Stvara okside rijetkih zemalja, pročišćava granice zrna, pročišćava zrna i poboljšava čvrstoću, puzanje i trajnost legura. TA12 (Ti55) je visokotemperaturna legura titana bliskog tipa koju su zajednički razvili Institut za istraživanje metala, Kineska akademija znanosti, Baoti grupa i Pekinški institut za zrakoplovne materijale. Dizajnirana temperatura je 550 stupnjeva. Trenutno je Ti55 materijal relativno zreo, a stabilan raspon radne temperature je od 550 do 600 stupnjeva. Dizajnirana temperatura materijala Ti65 je 600 stupnjeva -650 stupnjeva, a odgovarajući istraživački rad provodi se na uredan način.
Posljednjih godina, upotreba tehnologije brzog skrućivanja/metalurgije praha, kompozitnih materijala ojačanih vlaknima ili česticama za razvoj legura titana korištena je kao smjer razvoja visokotemperaturnih legura titana, tako da se radna temperatura legura titana može povećati na iznad 650 stupnjeva. Kompozitni materijal s titanskom matricom volframove jezgre koji je razvio Institut za istraživanje metala Kineske akademije znanosti primijenjen je u određenom rasponu.
