Історія застосування титану в авіації почалася в 1953 році з першого використання титану в корпусах двигуна та брандмауерах DC-T, виготовлених Douglas у Сполучених Штатах. З того часу титан використовується в літаках майже 50 років. Оскільки він має численні корисні якості, які підходять для застосування в літаках, титан широко використовується в авіації. Ми обговоримо необхідність титану в сьогоднішній дискусії про авіаційні матеріали.
1. Введення титану
Перше промислове виробництво титанової губки, або титану, почалося лише в 1948 році, коли американська компанія DuPont виготовила тонни губчастого титану, використовуючи магнієвий процес. Завдяки високій питомій міцності, чудовій стійкості до корозії та високій термостійкості титановий сплав широко використовується в різних галузях промисловості. Титан посідає десяте місце за кількістю в земній корі, набагато більше, ніж такі звичайні метали, як мідь, цинк і олово. Пісок і глина є двома типами гірських порід, у яких особливо багато титану.
2. характеристики титану
Висока міцність: у 1,3 рази більше, ніж у алюмінієвого сплаву, в 1,6 рази, ніж у магнієвого сплаву, і в 3,5 рази, ніж у нержавіючої сталі, чемпіона серед металевих матеріалів.
Висока термічна міцність: температура використання на кілька сотень градусів вища, ніж у алюмінієвого сплаву, і може працювати протягом тривалого часу при температурі від 450 до 500 градусів.
Хороша корозійна стійкість: стійка до кислотної, лужної та атмосферної корозії, особливо стійка до точкової та стресової корозії.
Хороші низькотемпературні властивості: титановий сплав TA7 з дуже низьким вмістом інтерстиціальних елементів може підтримувати певний ступінь пластичності при -253 ступені.
Висока хімічна активність: висока хімічна активність при високих температурах, легко вступає в хімічну реакцію з газоподібними домішками, такими як водень і кисень у повітрі, утворюючи затверділий шар.
Мала теплопровідність, малий модуль пружності: теплопровідність становить приблизно 1/4 нікелю, 1/5 заліза та 1/14 алюмінію, тоді як теплопровідність різних титанових сплавів приблизно на 50 відсотків нижча, ніж у титану. Модуль пружності титанових сплавів становить приблизно 1/2 модуля пружності сталі.
3.Класифікація та застосування титанових сплавів
Жаростійкі сплави, високоміцні сплави, корозійно-стійкі сплави (титан-молібденові сплави, титан-паладієві сплави тощо), низькотемпературні сплави та унікальні функціональні сплави є деякими категоріями титанових сплавів на основі їх цільового використання ( титано-залізні матеріали для накопичення водню та титано-нікелеві сплави пам'яті). Незважаючи на те, що титан і його сплави не використовувалися дуже довго, вони вже отримали численні великі нагороди за свої виняткові якості. Завдяки своїй міцності, малій вазі та стійкості до високих температур він особливо добре підходить для виготовлення різних космічних кораблів і літаків. Аерокосмічний сектор наразі використовує близько 75 відсотків титану та титанових сплавів, вироблених у всьому світі. Є кілька компонентів, які раніше були виготовлені з титанових сплавів, але спочатку виготовлені з алюмінієвих сплавів.
4. титановий сплав авіаційного застосування
Титановий сплав в основному використовується в матеріалах для виробництва літаків і двигунів, таких як кування титанових вентиляторів, компресорних дисків і лопатей, капотів двигунів, вихлопних пристроїв та інших частин, а також прокладок балки літака та інших структурних деталей каркаса. Штучні супутники Землі, місячні модулі, пілотовані космічні кораблі та космічні човники також використовують зварні пластини з титанового сплаву.
У 1950 році Сполучені Штати вперше представили винищувач-бомбардувальник F-84 у вигляді теплового щита задньої частини фюзеляжу, вітрового щита, хвостового капота та інших ненесучих компонентів. У 60-х роках почали використовувати деталі з титанового сплаву від задньої частини фюзеляжу до фюзеляжу, частково замість конструкційної сталі для виготовлення прокладок, балок, закрилків та інших важливих несучих компонентів. Починаючи з 70-х років, цивільні літаки почали використовувати титановий сплав у великих кількостях, наприклад, пасажирський літак Boeing 747 із титаном становив 3640 понад 28 відсотків ваги літака. З розвитком технології обробки в ракетах, штучних супутниках і космічних кораблях також використовується велика кількість титанового сплаву.
Чим досконаліший літак, тим більше титану використовується. Винищувачі США F-14A використовують титановий сплав, на який припадає приблизно 25 відсотків ваги літака; F-15винищувач на 25,8%; четверте покоління винищувачів США з 41 відсотком кількості титану, його двигун F119 з 39 відсотками кількості титану, наразі є найбільшою кількістю титанових літаків.
5. Причини масового використання титанових сплавів в авіації
Максимальна швидкість сучасного літака в 2,7 рази перевищує швидкість звуку. Такий швидкий надзвуковий політ спричинить тертя літака об повітря та виділення великої кількості тепла. Коли швидкість польоту в 2,2 рази перевищує швидкість звуку, алюмінієві сплави вже не можуть цього витримувати. Необхідно використовувати стійкі до високих температур титанові сплави.
Коли відношення тяги до ваги авіаційного двигуна збільшується від 4-6 до 8-10, температура на виході компресора відповідно підвищується від 200-300 градусів до 500-600 ступеня, оригінальний диск компресора низького тиску та лопаті, виготовлені з алюмінію, необхідно замінити на титановий сплав.
Останніми роками вчені з титанових сплавів досліджують продуктивність, продовжують досягати нових успіхів. Оригінальний титановий сплав, що складається з титану, алюмінію, ванадію, найвища робоча температура 550 градусів ~ 600 градусів, і нещодавно розроблений титано-алюмінієвий (TiAl) сплав, найвища робоча температура була збільшена до 1040 градусів.
Використання титанових сплавів замість нержавіючої сталі для виготовлення дисків і лопатей компресора високого тиску дозволяє зменшити вагу конструкції. На кожні 10 відсотків зменшення ваги літака можна досягти економії палива на 4 відсотки. Для ракет кожне зменшення ваги на 1 кг може збільшити радіус дії на 15 км.
6. Аналіз характеристик обробки титанового сплаву
Перш за все, теплопровідність титанового сплаву низька, лише 1/4 сталі, алюмінію 1/13, міді 1/25. через повільне розсіювання тепла в зоні різання, це не сприяє тепловому балансу, у процесі різання розсіювання тепла та ефект охолодження дуже погані, легко утворити високу температуру в зоні різання, після обробки деталей деформація відскакує, в результаті чого у ріжучому інструменті з підвищеним крутним моментом, кромка швидко зношується, довговічність знижується.
По-друге, теплопровідність титанового сплаву низька, тому тепло, що накопичується в невеликій зоні біля ріжучого інструменту, нелегко розсіювати, тертя передньої поверхні інструменту збільшується, нелегко відколоти, тепло різання нелегко розсіювати, прискорюючи знос інструменту. Нарешті, хімічна активність титанового сплаву висока, обробка при високих температурах легко вступає в реакцію з матеріалом інструменту, утворення розчинної речовини, дифузії, що призводить до липкого ножа, горіння ножа, зламаного ножа та інших явищ.
