História aplikácií titánu v letectve sa začala v roku 1953 prvým použitím titánu v krytoch motora a firewalloch DC-T vyrobených spoločnosťou Douglas v Spojených štátoch. Od tej doby sa titán používa v lietadlách už takmer 50 rokov. Pretože má množstvo prospešných vlastností, ktoré sú vhodné pre letecké aplikácie, je titán široko používaný v letectve. O potrebe titánu budeme diskutovať v dnešnej diskusii o leteckých materiáloch.
1.Úvod titánu
Prvá priemyselná výroba titánovej špongie alebo titánu sa začala až v roku 1948, keď americká spoločnosť DuPont vyrobila tony titánovej špongie horčíkovým procesom. Vzhľadom k svojej vysokej špecifickej pevnosti, vynikajúcej odolnosti proti korózii a vysokej tepelnej odolnosti sa titánová zliatina vo veľkej miere využíva v rôznych priemyselných odvetviach. Titán je na desiatom mieste, pokiaľ ide o množstvo v zemskej kôre, oveľa viac ako bežné kovy ako meď, zinok a cín. Piesok a íl sú dva typy hornín, kde je obzvlášť hojný titán.
2. vlastnosti titánu
Vysoká pevnosť: 1,3-krát väčšia ako zliatina hliníka, 1,6-krát väčšia ako zliatina horčíka a 3,5-krát väčšia ako nehrdzavejúca oceľ, šampión medzi kovovými materiálmi.
Vysoká tepelná pevnosť: teplota použitia je o niekoľko stoviek stupňov vyššia ako teplota hliníkovej zliatiny a môže pracovať dlhú dobu pri teplote 450 až 500 stupňov.
Dobrá odolnosť proti korózii: odolná voči kyselinovej, alkalickej a atmosférickej korózii, obzvlášť silná proti bodovej a stresovej korózii.
Dobré vlastnosti pri nízkych teplotách: titánová zliatina TA7 s veľmi nízkymi intersticiálnymi prvkami si môže zachovať určitý stupeň plasticity pri -253 stupni.
Vysoká chemická aktivita: vysoká chemická aktivita pri vysokých teplotách, ľahko chemicky reagujúci s plynnými nečistotami, ako je vodík a kyslík vo vzduchu, za vzniku vytvrdenej vrstvy.
Malá tepelná vodivosť, malý modul pružnosti: tepelná vodivosť je asi 1/4 niklu, 1/5 železa a 1/14 hliníka, pričom tepelná vodivosť rôznych zliatin titánu je asi o 50 percent nižšia ako u titánu. Modul pružnosti zliatin titánu je asi 1/2 modulu pružnosti ocele.
3.Klasifikácia a použitie zliatin titánu
Žiaruvzdorné zliatiny, vysokopevnostné zliatiny, zliatiny odolné voči korózii (zliatiny titánu a molybdénu, zliatiny titánu a paládia atď.), nízkoteplotné zliatiny a jedinečné funkčné zliatiny sú niektoré kategórie pre zliatiny titánu na základe ich zamýšľaného použitia ( titánovo-železné materiály na ukladanie vodíka a titán-niklové pamäťové zliatiny). Napriek tomu, že titán a jeho zliatiny sa veľmi dlho nepoužívali, získali už množstvo významných ocenení za svoje výnimočné kvality. Vďaka svojej pevnosti, nízkej hmotnosti a odolnosti voči vysokým teplotám sa obzvlášť dobre hodí na výrobu rôznych kozmických lodí a lietadiel. Letecký sektor v súčasnosti využíva približne 75 percent titánu a titánových zliatin vyrobených na celom svete. Existuje niekoľko komponentov, ktoré boli pôvodne vyrobené zo zliatin titánu, ale pôvodne boli vyrobené zo zliatin hliníka.
4. zliatina titánu pre letecké aplikácie
Zliatina titánu sa používa hlavne v materiáloch na výrobu lietadiel a motorov, ako sú kované titánové ventilátory, kotúče a lopatky kompresorov, kryty motora, výfukové zariadenia a iné časti, ako aj rozpera lúčov lietadla a iné časti konštrukcie. Umelé družice Zeme, mesačné moduly, kozmické lode s ľudskou posádkou a raketoplány tiež používajú zvárané diely z titánovej zliatiny.
V roku 1950 Spojené štáty prvýkrát použili stíhací bombardér F-84 ako tepelný štít zadnej časti trupu, veterný štít, zadný kryt a ďalšie nenosné komponenty. V 60-tych rokoch sa začali používať diely zo zliatiny titánu od zadnej časti trupu až po trup, čiastočne namiesto konštrukčnej ocele vyrábali rozpery, nosníky, posúvače klapiek a ďalšie dôležité nosné komponenty. V 70-tych rokoch začali civilné lietadlá vo veľkých množstvách používať zliatinu titánu, ako napríklad osobné lietadlo Boeing 747 s titánom predstavovalo 3640 Viac ako 28 percent hmotnosti lietadla. S rozvojom technológie spracovania sa v raketách, umelých satelitoch a kozmických lodiach používalo aj veľké množstvo zliatin titánu.
Čím je lietadlo vyspelejšie, tým viac sa používa titán. Americké stíhacie lietadlá F-14používajú zliatinu titánu, ktorá predstavuje približne 25 percent hmotnosti lietadla; F-15stíhacie lietadlo za 25,8 percenta; štvrtá generácia amerických bojových lietadiel so 41 percentami titánu, jej motor F119 s 39 percentami titánu, je v súčasnosti najvyšším množstvom titánových lietadiel.
5. Dôvody, prečo sa zliatiny titánu vo veľkom používajú v letectve
Maximálna rýchlosť plavby moderných lietadiel dosiahla viac ako 2,7-násobok rýchlosti zvuku. Takýto rýchly nadzvukový let spôsobí, že sa lietadlo bude trieť o vzduch a vytvorí veľké množstvo tepla. Keď rýchlosť letu dosiahne 2,2-násobok rýchlosti zvuku, hliníkové zliatiny to už nevydržia. Musia sa použiť zliatiny titánu odolné voči vysokým teplotám.
Keď sa pomer ťahu k hmotnosti leteckého motora zvýši z 4-6 na 8-10, teplota na výstupe kompresora sa zodpovedajúcim spôsobom zvýši z 200-300 stupňov na 500-600 stupňa , pôvodný kotúč a čepeľ nízkotlakového kompresora z hliníka sa musia vymeniť za zliatinu titánu.
V posledných rokoch vedci na výskume výkonu zliatiny titánu pokračujú v dosahovaní nového pokroku. Pôvodná zliatina titánu zložená z titánu, hliníka, vanádu, najvyššia pracovná teplota 550 stupňov ~ 600 stupňov a novo vyvinutá zliatina titánového hliníka (TiAl), najvyššia pracovná teplota bola zvýšená na 1040 stupňov.
Použitie zliatin titánu namiesto nehrdzavejúcej ocele na výrobu kotúčov a lopatiek vysokotlakového kompresora môže znížiť hmotnosť konštrukcie. Na každých 10 percent zníženia hmotnosti lietadla možno dosiahnuť úsporu paliva 4 percentá. V prípade rakiet môže každé zníženie hmotnosti o 1 kg zvýšiť dolet o 15 km.
6. analýza obrábacích charakteristík titánovej zliatiny
Po prvé, tepelná vodivosť zliatiny titánu je nízka, iba 1/4 ocele, hliníka 1/13, medi 1/25. kvôli pomalému odvodu tepla v oblasti rezu neprispieva k tepelnej rovnováhe, v procese rezania je odvod tepla a chladiaci účinok veľmi slabý, ľahko sa vytvára vysoká teplota v oblasti rezu, po spracovaní dielov sa deformácia odrazí, čo má za následok v reznom nástroji so zvýšeným krútiacim momentom, rýchle opotrebenie hrán, znížená životnosť.
Po druhé, tepelná vodivosť titánovej zliatiny je nízka, takže rezné teplo akumulované v malej oblasti v blízkosti rezného nástroja nie je ľahké rozptýliť, trenie predného povrchu nástroja sa zvyšuje, nie je ľahké odštiepiť, rezné teplo nie je ľahké rozptýliť, zrýchľuje sa opotrebovanie nástroja. Nakoniec, chemická aktivita titánovej zliatiny je vysoká, spracovanie pri vysokých teplotách ľahko reaguje s materiálom nástroja, vytvára sa rozpustná, difúzia, čo vedie k lepkavému nožu, horiacemu nožu, zlomenému nožu a iným javom.
