gdzie tytan jest używany w samolotach
ZastosowanieKucie tytanu AMS 6931w przemyśle lotniczym dzieli się na stop tytanu konstrukcji samolotu i stop tytanu konstrukcji silnika. W przemyśle lotniczym stopy tytanu stosowane są głównie jako konstrukcje i pojemniki dla rakiet, pocisków rakietowych i statków kosmicznych. Stopy tytanu do konstrukcji lotniczych są na ogół stosowane w temperaturach poniżej 350 stopni i muszą mieć wysoką wytrzymałość właściwą, dobrą wytrzymałość, doskonałą odporność na zmęczenie i dobrą wydajność procesu spawania. Od stopów tytanu do silników wymaga się wysokiej wytrzymałości właściwej, dobrej stabilności termicznej, odporności na utlenianie, odporności na pełzanie i innych właściwości. Oprócz wymagań eksploatacyjnych stawianych stopom tytanu w przemyśle lotniczym, pojazdy lotnicze wymagają również odporności na wysoką temperaturę i promieniowanie.
Części konstrukcyjne statków powietrznych ze stopu tytanu to główne części podwozia, ramy, belki, poszycia kadłuba, osłony termiczne itp. Rosyjski samolot Il{{{0}} wykorzystuje do produkcji kluczowych komponentów wysokowytrzymały stop tytanu BT22 takie jak podwozie i belki nośne. Materiał belki transmisyjnej głównego podwozia Boeinga 747 to Ti-6Al-4V. Odkuwka ma 6,20 m długości, 0,95 m szerokości i masę 1545 kg. W kluczowych częściach poziomego wału stabilizatora samolotu C-17 zastosowano stop tytanu Ti-62222S o wysokiej wytrzymałości i wytrzymałości. Tylna część kadłuba, w której znajduje się silnik samolotu F-22, oraz tylna osłona termiczna zostały zaprojektowane jako cienkościenne konstrukcje ze stopu tytanu o dobrej odporności na temperaturę.
Jeśli chodzi o silniki lotnicze, obszary zastosowań materiałów ze stopów tytanu obejmują tarcze, łopatki, bębny sprężarek, wirniki sprężarek wysokociśnieniowych, obudowy sprężarek itp. Około 30% masy konstrukcyjnej nowoczesnych silników turbinowych wykonane jest ze stopów tytanu. Zastosowanie stopów tytanu obniża jakość łopatek sprężarek i wentylatorów, jednocześnie wydłużając żywotność podzespołów i okresy między przeglądami. Krawędź natarcia i końcówka łopatek wentylatora silnika Boeing 747-8GENX są wyposażone w tuleje ochronne ze stopu tytanu, które w ciągu 10-letniego okresu serwisowego były wymieniane tylko trzy razy.
Odkuwki ze stopów tytanu lotniczego muszą przejść przez odlewanie wlewków, wytwarzanie kęsów, kucie matrycowe, obróbkę skrawaniem i inne procesy w celu uzyskania wymaganej struktury materiału i właściwości, i są często wykorzystywane do produkcji głównych elementów łożysk szkieletu samolotu i wirników silnika. Według HB5024-1989 średnica zewnętrzna dużych odkuwek wynosi nie mniej niż 500 mm. Wraz z rozwojem samolotów i silników odkuwki lotnicze mają coraz wyższe wymagania jakościowe, większe rozmiary i bardziej skomplikowane kształty. Kształt części konstrukcyjnych samolotu jest złożony, a stopień wykorzystania materiału na ogół nie przekracza 10%. Materiał czterech wielkogabarytowych ram wzmacniających główne łożyska samolotu F-22 to Ti-6Al-4V ELI, a rzutowana powierzchnia odkuwek matrycowych wynosi 4.{{ 8}},67 metrów kwadratowych. W ostatnich latach w moim kraju znacznie udoskonalono specjalistyczne urządzenia do kucia stopów tytanu lotniczego w moim kraju i obecnie możliwa jest produkcja integralnych odkuwek ze stopów tytanu o powierzchni 5 metrów kwadratowych.
Statki kosmiczne pracują w ekstremalnych warunkach, takich jak bardzo wysoka temperatura, bardzo niska temperatura, wysoka próżnia, duże naprężenia i silna korozja. Oprócz wymagania doskonałej technologii projektowania konstrukcji, zależy to również od doskonałych właściwości i funkcji materiałów. Stopy tytanu są zwykle stosowane w produkcji zbiorników magazynujących paliwo, obudów silników rakietowych, prowadnic dysz rakietowych i obudów satelitów.
Ze względu na doskonałe właściwości materiałów ze stopów tytanu, niektóre kluczowe części samolotów są również wykonane z materiałów ze stopów tytanu. Na przykład warga otworu wlotowego jest częścią wykonaną ze stopu tytanu metodą druku 3D, co realizuje zintegrowane projektowanie i produkcję części konstrukcyjnych i części funkcjonalnych.
Elementy złączne ze stopów tytanu powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym obejmują głównie nity, śruby i specjalne elementy złączne.
Elementy złączne ze stopu tytanu stosowane w samolocie F-22 w Stanach Zjednoczonych obejmują: śruby ze stopu tytanu o wysokiej wytrzymałości, gwoździe z rowkiem pierścieniowym, śruby wysokiego mocowania z polerowanym stożkiem pręta, śruby samozaciskowe, nity tytanowo-niobowe i nakrętki łączące . Krajowy samolot komercyjny C919, który po raz pierwszy poleciał do mojego kraju w 2014 r., zużył w jednym samolocie ponad 200000 sztuk elementów złącznych ze stopu tytanu. Rozwój i zastosowanie elementów złącznych ze stopów tytanu stwarza możliwość dalszej redukcji masy konstrukcji lotniczych. Masa konstrukcyjna samolotu Boeing 747 została zmniejszona o 1814 kg po wymianie stali na tytan. W rosyjskim samolocie Ił-96 zastosowano 142000 elementów złącznych i zastąpiono stal tytanem, aby zmniejszyć swoją masę o 600 kilogramów.
Stop tytanu ma doskonałą odporność na korozję, a jego dodatni potencjał dorównuje potencjałowi materiałów kompozytowych z włókna węglowego, co może skutecznie zapobiegać potencjalnej korozji elementów złącznych. Stop Ti45Nb jest materiałem nitowym szeroko stosowanym w przemyśle lotniczym w Stanach Zjednoczonych. Materiał ma dobre właściwości rozciągające i wytrzymałość na ścinanie w stanie wyżarzonym i może zastąpić nity z czystego tytanu. Materiał Ti45Nb charakteryzuje się również dużą plastycznością i nadaje się do łączenia nitów w produkcji materiałów kompozytowych.
W ostatnich latach opracowana przez firmę Alcoa śruba o wysokiej wytrzymałości ze stopu tytanu Timeta1555 uzyskała wytrzymałość na rozciąganie ponad 1300 MPa po starzeniu w roztworze, podwójną wytrzymałość na ścinanie ponad 745 MPa i wydłużenie ponad 10%. Aby nadążać za trendem rozwojowym międzynarodowych, wysokiej klasy elementów złącznych ze stopu tytanu, Uniwersytet Xigong Chaojing Co., Ltd. i Xinyang Aerospace Standard Parts Factory wspólnie opracowały pręty i druty ze stopu tytanu TB8 do elementów złącznych oraz wytrzymałość na rozciąganie wykonanych śrub z nich wynosi aż 1280 MPa. Badania i rozwój elementów złącznych ze stopów tytanu to praca bardzo złożona i długoterminowa.
Kierunki rozwoju przemysłu stopów tytanu
Zapotrzebowanie na stopy tytanu dla przyszłych samolotów powinno obejmować wyższą wytrzymałość, wyższą wytrzymałość, wyższą odporność na uszkodzenia i wyższą odporność na wysokie temperatury. Kierunkiem zastosowania i rozwoju materiałów ze stopów tytanu będą: nowe konstrukcyjne stopy tytanu o wysokiej wytrzymałości, wysokowydajne stopy tytanu odporne na uszkodzenia, tanie stopy tytanu odporne na zmęczenie, nowe wysokotemperaturowe konstrukcyjne stopy tytanu, zaawansowana technologia na bazie TiAl materiały kompozytowe na bazie tytanu itp. .
Zapotrzebowanie na zmniejszenie masy konstrukcyjnej nowoczesnych samolotów jest coraz pilniejsze. Oprócz materiałów ze stopów tytanu w konstrukcjach lotniczych szeroko stosowane są również materiały kompozytowe. Wykorzystanie materiałów kompozytowych w samolotach Boeing 787 osiągnęło 50%, a wykorzystanie materiałów kompozytowych w Airbusie A380 również osiągnęło 25%. Obecnie materiały kompozytowe nie są w stanie w pełni zastąpić metali, a materiały metalowe są w dalszym ciągu niezbędne. Moduł sprężystości stopu tytanu i materiału kompozytowego wzmocnionego włóknem węglowym są dopasowane, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest podobny; ma dobrą kompatybilność chemiczną i nie jest podatny na potencjalną korozję. W połączeniu korpusu skrzydła F-18 „Bumblebee” zastosowano konstrukcję stopniowego łączenia części przegubów ze stopu tytanu i poszycia kompozytowego. Po kilkuletnich testach eksploatacyjnych sprawdzono niezawodność konstrukcji. Wraz ze wzrostem ilości materiałów kompozytowych, ilość materiałów stopowych tytanu będzie dalej rosła.
Z informacji dostępnych w otwartych źródłach z ostatnich lat wynika, że wymagania Stanów Zjednoczonych dotyczące materiałów konstrukcyjnych samolotów nowej generacji są lżejsze, wydajniejsze i można je kontrolować pod względem kosztów. Według wartości waluty z 2006 roku koszt pojedynczego F-22 wynosi około 361 milionów dolarów amerykańskich. Początkowo docelowy koszt F-35 wynosił 35 milionów dolarów, który później został zwiększony do 138 milionów dolarów. Wśród ogromnych kosztów czynnikiem, którego nie można zignorować, jest wysoki koszt produkcji stopu tytanu. Tanie stopy tytanu wykorzystują Fe, O i inne pierwiastki w celu zastąpienia droższych V, Mo i innych pierwiastków. Firma Timetal ze Stanów Zjednoczonych opracowała wysokowytrzymały i tani stop tytanu Timetal-LCB poprzez dodanie pierwiastka Fe w postaci taniego stopu zaprawowego Fe-Mo zamiast drogiego pierwiastka V. Celem jest zastąpienie droższego stopu Ti- 10V-2Fe-3Al.
Spawanie stopów tytanu, formowanie prawie netto, formowanie na zimno itp. to także skuteczne sposoby poprawy wykorzystania materiału i zmniejszenia kosztów procesu. W niektórych krajowych modelach z powodzeniem zastosowano zaawansowane technologie spawania, takie jak spawanie wiązką elektronów i spawanie laserowe. Grupa zespołów zajmujących się formowaniem laserowym, takich jak Uniwersytet Beihang i Zachodni Uniwersytet Technologiczny, osiągnęła dobre wyniki w stosowaniu nowych technologii stopów tytanu.
W badaniach nowych wysokotemperaturowych stopów tytanu, w oparciu o wysokotemperaturowy stop tytanu o temperaturze 550 stopni IMI829 w Wielkiej Brytanii i wysokotemperaturowy stop tytanu Ti-1100 o temperaturze 600 stopni w Stanach Zjednoczonych, dodano odpowiednio mniej niż 1% pierwiastków ziem rzadkich, pierwiastków Gd i Y. Tworzy tlenki metali ziem rzadkich, oczyszcza granice ziaren, uszlachetnia ziarna oraz poprawia wytrzymałość, pełzanie i trwałość stopów. TA12 (Ti55) to podobny do wysokotemperaturowego stop tytanu opracowany wspólnie przez Instytut Badań Metali, Chińską Akademię Nauk, Grupę Baoti i Pekiński Instytut Materiałów Lotniczych. Temperatura projektowa wynosi 550 stopni. Obecnie materiał Ti55 jest stosunkowo dojrzały, a stabilny zakres temperatur roboczych wynosi od 550 stopni do 600 stopni. Projektowa temperatura materiału Ti65 wynosi 600 stopni -650 stopni, a odpowiednie prace badawcze są prowadzone w sposób uporządkowany.
W ostatnich latach zastosowanie technologii szybkiego krzepnięcia/metalurgii proszków, materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknami lub cząstkami do opracowania stopów tytanu zostało wykorzystane jako kierunek rozwoju wysokotemperaturowych stopów tytanu, dzięki czemu można zwiększyć temperaturę pracy stopów tytanu do powyżej 650 stopni. Materiał kompozytowy z rdzeniem wolframowym i tytanową osnową, opracowany przez Instytut Badań Metali Chińskiej Akademii Nauk, został zastosowany w pewnym zakresie.
