سبائك التيتانيوم في الطيران

أصبح النقل الجوي جزءًا لا يتجزأ من حياتنا اليومية—سواءً عبر لوجستيات الشحن الجوي أو السفر بالطائرة. وعندما نرفع أعيننا إلى السماء ونشاهد الطائرات تحلق فوق رؤوسنا، يطرأ سؤالٌ طبيعيٌّ: ما المواد التي تُستخدم في بناء الطائرات القادرة على حمل أحمالٍ ضخمة كهذه والعمل على ارتفاعاتٍ عالية؟
فلنستكشف المواد الكامنة وراء هذه القدرة الاستثنائية.

نظرة عامة على التيتانيوم

في عام ١٩٤٨، نجحت شركة دو بونت بنجاح في إنجاز الإنتاج الصناعي للكبريتيد الإسفنجي باستخدام عملية اختزال المغنيسيوم، مُسجِّلةً بذلك معلَّمةً كبرى في تاريخ مواد التيتانيوم. ومنذ ذلك الحين، وُظِفت سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في مختلف الصناعات نظراً لخصائصها الفيزيائية الممتازة، ومن بينها القوة النوعية العالية، ومقاومة التآكل الممتازة، والمقاومة الحرارية الفائقة .

ويُذكر أن التيتانيوم عنصر وافر نسبياً في قشرة الأرض، حيث يحتل المرتبة التاسعة من حيث الوفرة الكلية ، وهي مرتبة تفوق بكثير وفرة المعادن الشائعة الاستخدام مثل النحاس والزنك والقصدير. وهو موزَّعٌ على نطاق واسع في العديد من أنواع الصخور، وبخاصة في الرمال والطين، حيث تكون احتياطيَّاته وفيرةً جداً.

خصائص التيتانيوم

يتمتَّع التيتانيوم بمجموعة من الخصائص الاستثنائية، ومن بينها القوة العالية، والمتانة الحرارية العالية، ومقاومة التآكل الممتازة، والأداء الممتاز عند درجات الحرارة المنخفضة، والنشاط الكيميائي القوي .

وبشكل خاص، فإن مقاومة التيتانيوم تفوق بكثير مقاومة سبائك الألومنيوم وسبائك المغنيسيوم والفولاذ المقاوم للصدأ، ما يجعله أحد أبرز المعادن البنائية. كما تُظهر سبائك التيتانيوم أداءً استثنائيًّا عند درجات الحرارة المرتفعة، حيث تصل درجات حرارة التشغيل فيها إلى مستويات أعلى بكثير من تلك الخاصة بسبائك الألومنيوم، ويمكنها الحفاظ على أدائها على المدى الطويل عند ٤٥٠–٥٠٠°م .

وبالإضافة إلى ذلك، يتمتّع التيتانيوم بمقاومة ممتازة للأحماض والقلويات والتآكل الجوي، ويظهر مقاومة قوية بشكل خاص لـ التآكل النقطي وتشقق التآكل الإجهادي وعند درجات الحرارة المنخفضة، تحتفظ سبائك التيتانيوم مثل تا7 بمرونة جيدة وخصائص ميكانيكية ممتازة، حتى عند درجات حرارة منخفضة جدًّا تبلغ −٢٥٣°م .

ومع ذلك، يظهر التيتانيوم تفاعلًا كيميائيًّا عاليًا عند درجات الحرارة المرتفعة، ويمكنه التفاعل بسهولة مع غازات مثل الهيدروجين والأكسجين الموجودة في الهواء، مكوِّنًا طبقات سطحية صلبة. علاوةً على ذلك، تمتلك سبائك التيتانيوم موصلية حرارية منخفضة نسبيًّا — وتبلغ تقريبًا ربع كمية النيكل، وخمس كمية الحديد، ورابع عشر كمية الألومنيوم — بينما معامل مرونتها يساوي تقريبًا نصف معامل المرونة الفولاذي . وتُجعل هذه الخصائص التيتانيوم عنصرًا لا غنى عنه في العديد من تطبيقات الهندسة المتقدمة.

تصنيف سبائك التيتانيوم وتطبيقاتها

يمكن تصنيف سبائك التيتانيوم وفقًا لتطبيقاتها إلى سبائك مقاومة للحرارة، وسبائك عالية القوة، وسبائك مقاومة للتآكل (مثل سبائك التيتانيوم-الموليبدينوم والتيتانيوم-البالاديوم)، سبائك تعمل عند درجات حرارة منخفضة , و سبائك وظيفية خاصة ، بما في ذلك مواد تخزين الهيدروجين المصنوعة من التيتانيوم والحديد وسبائك الذاكرة الشكلية المصنوعة من التيتانيوم والنيكل.

ورغم أن تاريخ تطبيق سبائك التيتانيوم قصير نسبيًّا، فإن أدائها المتميز قد كسبها العديد من التميُّزات، ومن أبرزها اللقب «معدن الفضاء». ويُعزى هذا التسمية إلى خفّة وزنها وقوّتها العالية وقدرتها الاستثنائية على مقاومة درجات الحرارة المرتفعة، ما يجعلها موادًا مثالية لتصنيع الطائرات والمركبات الجوية والفضائية.

وحاليًّا، يُستخدم نحو ثلاثة أرباع إنتاج التيتانيوم وسبائكه عالميًّا في القطاع الجوي والفضائي ، حيث يجري استبدال العديد من المكونات التي كانت تُصنع سابقًا من سبائك الألومنيوم بسبائك التيتانيوم.

التطبيقات الجوية

تُعد سبائك التيتانيوم موادًا بالغة الأهمية في تصنيع الطائرات والمحركات، وتُستخدم على نطاق واسع في مكونات المراوح المصنوعة بالطرق، وأقراص الضواغط وشفراتها، وغلاف المحرك، وأنظمة العادم ، وكذلك المكونات الهيكلية مثل الإطارات والجدران العرضية .

في التطبيقات الجوية والفضائية، تجعل الخصائص الممتازة لسبيكة التيتانيوم — ومنها قوتها النوعية العالية ومقاومتها للتآكل وأداؤها الجيد عند درجات الحرارة المنخفضة — منها مادة مثالية لـ أوعية الضغط، وخزانات الوقود، والوصلات، وأشرطة الأجهزة، والإطارات الهيكلية، وغلاف الصواريخ وتُستخدم لحامات صفائح سبيكة التيتانيوم على نطاق واسع في الأقمار الصناعية الاصطناعية، ووحدات الهبوط على القمر، والمراكب الفضائية المأهولة، ومركبات الفضاء المكوكية .

وفي عام ١٩٥٠، طبَّقت الولايات المتحدة سبائك التيتانيوم لأول مرة في طائرة F-84 المقاتلة القاذفة مستخدمةً إياها في المكونات غير الحاملة للأحمال مثل دروع الحرارة في الجزء الخلفي من جسم الطائرة، وقنوات الهواء، وتغطيات الذيل. وابتداءً من ستينيات القرن العشرين، توسع استخدام سبائك التيتانيوم ليشمل الجزء الأوسط من جسم الطائرة بدلًا من الجزء الخلفي فقط، مع استبدال الفولاذ الهيكلي جزئيًّا في الجدران العرضية، والعوارض، ومسارات الألواح المتحركة .

بحلول سبعينيات القرن العشرين، ومع الإنتاج الضخم للطائرات المدنية مثل بوينغ 747 ، ازداد استخدام التيتانيوم بشكل كبير. فلقد استخدمت طائرة البوينغ 747 وحدها أكثر من ٣٦٤٠ كجم من التيتانيوم ، أي ما يعادل نحو ٢٨٪ من الوزن الهيكلي للطائرة . كما أصبحت سبائك التيتانيوم تُستخدم على نطاق واسع في الصواريخ والقمرات الصناعية والمسبارات الفضائية.

خصائص تشغيل سبائك التيتانيوم

أولاً، تتميّز سبائك التيتانيوم بموصلية حرارية منخفضة نسبياً— وهي لا تتجاوز ربع موصلية الفولاذ، وثلثَ عشر موصلية الألومنيوم، وخمسَ عشْر موصلية النحاس . أثناء التشغيل الآلي، تكون إزالة الحرارة والتبريد غير فعّالين، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة المركزة في منطقة القطع . وقد يتسبب ذلك في تشوه قطعة العمل والانتعاش المرن لها، وزيادة عزم القطع، وتسريع تآكل حافة الأداة، والحد بشكل كبير من عمر الأداة الافتراضي.

ثانياً، وبما أن حرارة القطع تتركز بالقرب من حافة القطع ولا يمكن تبديدها بسرعة، فإن الاحتكاك على السطح الأمامي (سطح التغذية) يزداد، ما يجعل إخراج الر Chips أكثر صعوبة ويُسرّع تآكل الأداة بشكل أكبر.

وأخيراً، عند ارتفاع درجات الحرارة، تزداد النشاط الكيميائي للسبيكات التيتانية بشكل ملحوظ. فهي تميل إلى التفاعل مع مواد الأداة، مما يؤدي إلى الالتصاق، والانتشار، وتكوّن الحافة المتراكمة . ويمكن أن تؤدي هذه الظواهر إلى التصاق الأداة أو احتراقها أو كسرها، ما يؤثر تأثيراً سلبياً شديداً على جودة وكفاءة عملية التشغيل الآلي.

مزايا مراكز التشغيل الآلي

يمكن لمراكز التشغيل الآلي معالجة مكونات متعددة في وقتٍ واحد، ما يحسّن كفاءة الإنتاج بشكلٍ كبير. ويضمن دقتها العالية اتساق المنتجات الممتاز، ومع وظائف تعويض الأدوات، يمكن الاستفادة الكاملة من الدقة المتأصلة في آلة التشغيل.

توفر مراكز التشغيل الآلي أيضًا قدرة تكيّف ومرونة قوية وتتعامل بسهولة مع عمليات تشغيل الأقواس والتجنيس والانحدارات الانتقالية. والأكثر إثارةً أنها تدعم عمليات متعددة الوظائف تشمل الطحن والثقب والتنميق والتصنيع بالخيوط — وكل ذلك على آلة واحدة.

ومن منظور التحكم في التكاليف، تتيح مراكز التشغيل الآلي حساب التكاليف بدقة وجدولة الإنتاج بدقة، كما تلغي الحاجة إلى التجهيزات الخاصة، وتقلل التكاليف الإجمالية وتقصر دورات الإنتاج. كما أنها تقلل شدة العمل اليدوي بشكل كبير ويمكن دمجها بسلاسة مع برامج CAM مثل UG (NX) لأداء التشغيل الآلي متعدد المحاور.

اختيار أدوات القطع والسوائل التبريدية

يُعد اختيار أدوات القطع والسوائل التبريدية المناسبة أمراً حاسماً عند تشغيل سبائك التيتانيوم. ويجب أن تمتلك مواد الأدوات خصائص صلادة عالية ومقاومة للتآكل لضمان إزالة المادة بكفاءة. ويؤثر اختيار السائل التبريدى تأثيراً مباشراً على جودة وكفاءة التشغيل — إذ تقلل السوائل التبريدية المناسبة الاحتكاك وحرارة القطع، مما يطيل عمر الأداة ويعزز دقة التشغيل.

١. متطلبات مادة الأداة

• ويجب أن تكون صلادة الأداة أعلى بكثير من صلادة سبائك التيتانيوم لتمكين عملية قطع فعّالة.
• ويجب أن تمتلك الأدوات مقاومة كافية للشد والمتانة لتحمل عزم الدوران العالي وقوى القطع.
• وبالنظر إلى المتانة العالية لسبائك التيتانيوم، يجب أن تظل حواف القطع حادة؛ ولذلك تتطلب مقاومة ممتازة للتآكل لتقليل ظاهرة التصلّد الناتج عن التشغيل الميكانيكي.

٢. اختيار هندسة القاطع النهائي (End Mill)

ونظراً للخصائص التشغيلية الفريدة لسبائك التيتانيوم، فإن هندسة القاطع النهائي تختلف اختلافاً كبيراً عن الأدوات التقليدية.
أ زاوية لولبية أصغر (β) يُوصى بها لزيادة حجم الأخاديد، وتحسين إخراج الر chips، وتعزيز تبديد الحرارة.

٣. اختيار معاملات القطع

عند تشغيل سبائك التيتانيوم، يجب استخدام سرعات قطع منخفضة مقترنة بمعدلات تغذية مناسبة، وأعماق قطع معقولة، ومسافات تشغيل نهائية مضبوطة.

٤. اختيار وتطبيق السوائل المبردة

يجب تجنّب السوائل المبردة التي تحتوي على الكلور لمنع تكوّن مواد سامة وحدوث هشاشة الهيدروجين، وكذلك للحد من خطر التآكل الإجهادي التآكلي عند درجات الحرارة المرتفعة.
يُوصى باستخدام مستحلبات مائية صناعية قابلة للذوبان أو سوائل تبريد مُصمَّمة خصيصًا ومناسبة لتشغيل سبائك التيتانيوم.