Miks me peame kasutama titaanisulamit õhutranspordi õhusõidukite materjalina?

1. Titaani kasutuselevõtt

1948. aastal kasutas American DuPont Company magneesiumimeetodit tonnide titaankäsna tootmiseks- see tähistas titaankäsna tööstusliku tootmise algust. Titaani sulameid kasutatakse laialdaselt erinevates valdkondades nende kõrge spetsiifilise tugevuse, hea korrosioonikindluse ja kõrge kuumakindluse tõttu.　　 Titaan on maakoores rikkalik, sisu poolest üheksandal kohal, palju kõrgem kui tavalised metallid, nagu vask, tsink ja tina. Titaan on laialdaselt esindatud paljudes kivimites, eriti liivas ja savis.

2.Titaani omadused

Kõrge tugevus: 1,3 korda alumiiniumi sulamist, 1,6 korda magneesiumisulamist, 3,5 korda roostevabast terasest, metallmaterjalide meister.

Kõrge termiline tugevus: töötemperatuur on mitusada kraadi kõrgem kui alumiiniumsulamil ja see võib töötada pikka aega temperatuuril 450 kuni 500 °C.

Hea korrosioonikindlus: happekindlus, leelisekindlus, atmosfääri korrosioonikindlus, eriti tugev vastupidavus korrosioonile ja stressikorrosioonile.

Hea madalatemperatuuriline jõudlus: äärmiselt madala interstitsiaalsete elementidega titaanisulamist TA7 võib säilitada teatud plastilisuse taseme -253 °C juures.

Kõrge keemiline aktiivsus: Keemiline aktiivsus on kõrgel temperatuuril kõrge ja see reageerib kergesti gaasilisanditega, nagu vesinik ja hapnik õhus, et moodustada karastatud kiht.

Soojusjuhtivus on väike ja elastsuse moodul on väike: soojusjuhtivus on umbes 1/4 nilist, 1/5 rauast ja 1/14 alumiiniumist. Erinevate titaanisulamite soojusjuhtivus on umbes 50% madalam kui titaanil. Titaanisulami elastne moodul on umbes 1/2 terase omast.

3.Titaanisulamite klassifitseerimine ja kasutamine

Titaanisulamid võib jagada kuumakindlateks sulamiteks, kõrge tugevusega sulamiteks, korrosioonikindlateks sulamiteks (titaanmolübdeen, titaan-pallaadiumi sulamid jne), madalatemperatuurilisteks sulamiteks ja spetsiaalseteks funktsionaalseteks sulamiteks (titaan-raua vesiniku säilitusmaterjalid ja titaan-nikli mälusulamid) Oodake.　　 Kuigi titaani ja selle sulamite ajalugu ei ole pikk, kuid tänu oma suurepärasele jõudlusele on see võitnud palju auväärseid tiitleid. Esimene võidetud tiitel on "Space Metal". See on kerge kaaluga, tugev ja vastupidav kõrgetele temperatuuridele ning sobib eriti hästi õhusõidukite ja erinevate kosmoseaparaatide tootmiseks. Praegu kasutatakse kosmosetööstuses umbes kolmneljandikku maailmas toodetud titaani ja titaani sulamitest. Paljud osad, mis algselt kasutasid alumiiniumi sulameid, on muutunud titaani sulamiteks.

4.Titaanisulamite kosmoserakendused

Titaani sulameid kasutatakse peamiselt õhusõidukite ja mootorite tootmismaterjalides, nagu sepistatud titaanist ventilaatorid, kompressorkettad ja terad, mootori kapotid, väljalaskeseadmed ja muud osad, samuti konstruktsiooniraami osad, nagu õhusõiduki kaelusega raamid. Kosmoseaparaat kasutab peamiselt titaanisulamite suurt spetsiifilist tugevust, korrosioonikindlust ja madalatemperatuurilisi takistusi erinevate surveanumate, kütusepaakide, kinnitusdetailide, instrumendirihmade, raamide ja raketikestade tootmiseks. Tehislikud maasatelliidid, kuumoodulid, mehitatud kosmoseaparaadid ja kosmosesüstikud kasutavad ka titaanist sulamist lehtkeetud osi.　　Miks me peame kasutama titaanisulamit õhutranspordilennukite materjali jaoks?　　 1950. aastal kasutasid Ameerika Ühendriigid seda esimest korda F-84 hävitajate-pommitajate puhul mittekandvate komponentidena, nagu tagumised kere soojuskilbid, tuule deflektorid ja sabakatted. Alates 1960. aastatest on titaanisulami kasutamine liikunud tagumisest kerest keskmise kere juurde, asendades osaliselt struktuurse terase, et valmistada olulisi kandekomponente, nagu vaheseinad, talad ja klapiliistud. Alates 1970. aastatel hakkasid tsiviilõhusõidukid suurtes kogustes kasutama titaani sulameid. Näiteks Boeing 747 reisilennukid kasutavad rohkem kui 3640 kilogrammi titaani, mis moodustab 28% õhusõiduki kaalust. Töötlemistehnoloogia arendamisega kasutatakse suurt hulka titaanisulamit ka rakettides, tehissatelliidides ja kosmoseaparaatides. Mida arenenum on õhusõiduk, seda rohkem kasutatakse titaani. Ameerika F-14A hävituslennukite kasutatav titaanisulam moodustab umbes 25% õhusõiduki kaalust; F-15A hävituslennukid moodustavad 25,8%; neljanda põlvkonna Ameerika hävituslennukid kasutavad 41% titaanist ja F119 mootor kasutab 39% titaanist. Suurima titaanikogusega õhusõiduk.

5.Põhjus, miks titaanisulamit kasutatakse lennunduses laialdaselt

Kaasaegsete õhusõidukite tippkiirus on jõudnud rohkem kui 2,7-kordse helikiiruseni. Selline kiire ülehelikiirusega lend põhjustab õhusõiduki hõõrumist vastu õhku ja tekitab palju soojust. Kui lennukiirus jõuab 2,2-kordse helikiiruseni, ei talu alumiiniumisulam seda. Kasutada tuleb kõrgetemperatuurikindlat titaanisulamit. Kui aeromootori tõukejõu ja kaalu suhe suureneb 4-6-lt 8-10-le ja kompressori väljalasketemperatuur tõuseb 200-300 °C-lt 500-600 °C-ni, tuleb originaalsed madala rõhu kompressorikettad ja alumiiniumist terad muuta titaanisulamiks. Viimastel aastatel on teadlased titaanisulamite omaduste uurimisel pidevalt uusi edusamme teinud. Titaanist, alumiiniumist ja vanaadumist koosneva algse titaanisulami maksimaalne töötemperatuur on 550°C kuni 600 °C, samas kui äsja välja töötatud titaanalumiiniumi (TiAl) sulami maksimaalne töötemperatuur on 1040 °C. Titaanisulami kasutamine roostevaba terase asemel kõrgsurvekompressoriketaste ja -terade tootmiseks võib vähendada konstruktsiooni kaalu. Iga 10% kaalu vähendamine õhusõiduki võib säästa 4% kütust. Raketi puhul võib iga 1kg kaalu vähendamine suurendada 15 km vahemikku.

6.Titaanisulami mehaaniliste omaduste analüüs

Esiteks on titaanisulamite soojusjuhtivus madal, ainult 1/4 terasest, 1/13 alumiiniumist ja 1/25 vasest. Aeglase soojuse hajumise tõttu lõikamispiirkonnas ei soodusta see soojuse tasakaalu. Lõikamisprotsessi ajal on soojuse hajumise ja jahutamise mõju väga halb ning lõikamispiirkonnas on lihtne moodustada kõrge temperatuur. Pärast töötlemist on osade deformatsioon ja tagasilöögid suured, põhjustades lõikeriista pöördemomendi suurenemist ja lõiketera kiiret kulumist. Vastupidavus väheneb. Teiseks muudab titaanisulami madal soojusjuhtivus lõikamissoojuse lõikamisvahendi lähedal väikeses piirkonnas raskeks. Rake näo hõõrdumine suureneb, kiibi eemaldamine ei ole lihtne ja lõikamissoojust on raske hajutada, mis kiirendab tööriista kulumist. Lõpuks on titaani sulamitel kõrge keemiline aktiivsus ja neid on lihtne reageerida tööriistamaterjalidega, kui neid töödeldakse kõrgel temperatuuril, moodustades lahustumise ja difusiooni, põhjustades noa kleepumist, põletamist ja purunemist.