Dlaczego musimy używać stopu tytanu jako materiału samolotów transportu lotniczego?

1. Wprowadzenie tytanu

W 1948 roku amerykańska firma DuPont wykorzystała metodę magnezu do produkcji ton gąbki tytanowej- oznacza to początek przemysłowej produkcji gąbki tytanowej. Stopy tytanu są szeroko stosowane w różnych dziedzinach ze względu na ich wysoką wytrzymałość, dobrą odporność na korozję i wysoką odporność na ciepło.　　 Tytan jest obfity w skorupę ziemi, zajmując dziewiąte miejsce pod względem zawartości, znacznie wyższy niż zwykłe metale, takie jak miedź, cynk i cyna. Tytan jest szeroko obecny w wielu skałach, zwłaszcza piasku i gliny.

Właściwości tytanu

Wysoka wytrzymałość: 1,3 razy stopu aluminium, 1,6 razy stopu magnezu, 3,5 razy ze stali nierdzewnej, mistrz wśród materiałów metalowych.

Wysoka wytrzymałość termiczna: Temperatura robocza jest o kilkaset stopni wyższa niż w przypadku stopu aluminium i może pracować przez długi czas w temperaturze od 450 do 500 °C.

Dobra odporność na korozję: odporność na kwasy, odporność na alkaliczne, odporność na korozję w atmosferze, szczególnie silna odporność na korozję wżerową i korozję naprężeniową.

Dobra wydajność w niskich temperaturach: Stop tytanu TA7 z bardzo niskimi elementami śródmiąższowymi może utrzymać pewien stopień plastyczności w temperaturze -253°C.

Wysoka aktywność chemiczna: Aktywność chemiczna jest wysoka w wysokiej temperaturze i łatwo reaguje z zanieczyszczeń gazowych, takich jak wodór i tlen w powietrzu, tworząc warstwę utwardzoną.

Przewodność cieplna jest niewielka, a moduł sprężystości jest mały: przewodność cieplna wynosi około 1/4 niklu, 1/5 żelaza i 1/14 aluminium. Przewodność cieplna różnych stopów tytanu jest o około 50% niższa niż w przypadku tytanu. Moduł elastyczny stopu tytanu wynosi około 1/2 stali.

Klasyfikacja i stosowanie stopów tytanu

Stopy tytanu można podzielić na stopy żaroodporne, stopy o wysokiej wytrzymałości, stopy odporne na korozję (tytanowo-molibden, stopy tytanu i palladu itp.), stopy niskotemperaturowe i specjalne stopy funkcjonalne (materiały do przechowywania wodoru tytanu i molibdenu i stopy pamięci tytanowo-niklowej) Czekaj.　　 Chociaż historia tytanu i jego stopów nie jest długa, ale ze względu na jego doskonałą wydajność, zdobyła wiele zaszczytnych tytułów. Pierwszym zdobytym tytułem jest "Space Metal". Jest lekki, wytrzymały i odporny na wysokie temperatury i jest szczególnie odpowiedni do produkcji samolotów i różnych statków kosmicznych. Obecnie około trzech czwartych stopów tytanu i tytanu produkowanych na świecie jest wykorzystywanych w przemyśle lotniczym. Wiele części, które pierwotnie używane stopy aluminium zostały zmienione na stopy tytanu.

4.Aerospace zastosowania stopów tytanu

Stopy tytanu są stosowane głównie w samolotach i materiałach produkcyjnych silników, takich jak kute wentylatory tytanowe, dyski sprężarki i łopatki, okapy silnika, układy wydechowe i inne części, a także części ramy konstrukcyjnej, takie jak ramy dźwigara lotniczego. Sonda wykorzystuje głównie wysoką wytrzymałość, odporność na korozję i niską odporność na temperaturę stopów tytanu do produkcji różnych zbiorników ciśnieniowych, zbiorników paliwa, łączników, pasków na instrumenty, ram i pocisków rakietowych. Sztuczne satelity ziemi, moduły księżycowe, załogowe statki kosmiczne i wahadłowce kosmiczne wykorzystują również części spawane ze stopu tytanu.　　Dlaczego musimy używać stopu tytanu do materiałów samolotów transportu lotniczego?　　 W 1950 roku Stany Zjednoczone po raz pierwszy użyły go na myśliwcach F-84 jako nienośnych komponentach, takich jak tylne osłony termiczne kadłuba, deflektory wiatrowe i pokrywy ogonowe. Od 1960 roku, stosowanie stopu tytanu przeniósł się z tylnego kadłuba do środkowego kadłuba, częściowo zastępując stal konstrukcyjną do ważnych elementów nośnych, takich jak grodzie, belki i prowadnice klapy. Od 1970 roku, cywilne samoloty zaczęły używać stopów tytanu w dużych ilościach. Na przykład samolot pasażerski Boeing 747 zużywa ponad 3640 kilogramów tytanu, co stanowi 28% wagi samolotu. Wraz z rozwojem technologii przetwarzania, duża ilość stopu tytanu jest również wykorzystywana w rakietach, sztucznych satelitach i statkach kosmicznych. Im bardziej zaawansowany samolot, tym więcej tytanu jest używany. Stop tytanu używany przez amerykańskie myśliwce F-14A stanowi około 25% wagi samolotu; myśliwce F-15A stanowią 25,8%; amerykańskie myśliwce czwartej generacji zużywają 41% tytanu, a silnik F119 zużywa 39% tytanu. Samolot z największą ilością tytanu.

5. Powód, dla którego stop tytanu jest szeroko stosowany w lotnictwie

Prędkość maksymalna nowoczesnych samolotów osiągnęła ponad 2,7 razy większą prędkość dźwięku. Tak szybki lot naddźwiękowy spowoduje, że samolot ociera się o powietrze i generuje dużo ciepła. Gdy prędkość lotu osiągnie 2,2 razy więcej dźwięku, stop aluminium nie jest w stanie wytrzymać. Należy stosować odporny na wysokie temperatury stop tytanu. Gdy stosunek ciągu do masy silnika aero wzrasta z 4-6 do 8-10, a temperatura wylotu sprężarki wzrasta z 200-300 °C do 500-600 ° C, oryginalne niskociśnieniowe tarcze sprężarki i łopatki wykonane z aluminium muszą zostać zmienione na stop tytanowy. W ostatnich latach naukowcy nieustannie poczynili nowe postępy w badaniach nad właściwościami stopów tytanu. Oryginalny stop tytanu składający się z tytanu, aluminium i wanadu ma maksymalną temperaturę roboczą od 550°C do 600°C, podczas gdy nowo opracowany stop aluminium tytanowego (TiAl) ma maksymalną temperaturę roboczą 1040°C. Używanie stopu tytanu zamiast stali nierdzewnej do produkcji wysokociśnieniowych tarcz sprężarek i ostrzy może zmniejszyć masę strukturalną. Każda redukcja masy samolotu o 10% pozwala zaoszczędzić 4% paliwa. Dla rakiety, co 1kg zmniejszenie masy może zwiększyć zasięg 15km.

Analiza charakterystyki obróbki stopu tytanu

Po pierwsze, przewodność cieplna stopów tytanu jest niska, tylko 1/4 stali, 1/13 aluminium i 1/25 miedzi. Ze względu na powolne rozpraszanie ciepła w strefie cięcia, nie sprzyja bilansowi cieplnemu. Podczas procesu cięcia, rozpraszanie ciepła i efekt chłodzenia jest bardzo słaby, i łatwo jest tworzyć wysoką temperaturę w strefie cięcia. Po przetworzeniu odkształcenie i odbicie części są duże, co powoduje wzrost momentu obrotowego narzędzia skrawającego i szybkie zużycie krawędzi skrawającej. Trwałość jest zmniejszona. Po drugie, niska przewodność cieplna stopu tytanu sprawia, że ciepło tnące jest trudne do rozproszenia na niewielkim obszarze w pobliżu narzędzia skrawającego. Tarcie powierzchni zgrabiarki wzrasta, usuwanie wiórów nie jest łatwe, a ciepło tnące jest trudne do rozproszenia, co przyspiesza zużycie narzędzia. Wreszcie stopy tytanu mają wysoką aktywność chemiczną i są łatwe do reagowania z materiałami narzędziowymi podczas przetwarzania w wysokich temperaturach, tworząc rozpuszczanie i dyfuzję, powodując przyklejanie, pieczenie i złamanie noża.