Titanlegeringer i luftfart

Lufttransport er blevet en integreret del af vores dagligdag – enten gennem luftfragtlogistik eller rejser med fly. Når vi kigger op på himlen og ser flyvemaskinerne flyve forbi, rejser der sig naturligt et spørgsmål: hvilke materialer bruges til at bygge fly, der kan bære så massive laster og operere i store højder?
Lad os udforske materialerne bag denne bemærkelsesværdige kapacitet.

Oversigt over titan

I 1948 lykkedes det DuPont at opnå industriproduktion af svampeformet titan ved hjælp af magnesiumreduktionsprocessen, hvilket markerede en stor milepæl i historien for titanmaterialer. Siden da er titanlegeringer bredt anvendt inden for mange industrier på grund af deres fremragende fysiske egenskaber, herunder høj specifik styrke, fremragende korrosionsbestandighed og fremragende varmebestandighed .

Bemærkelsesværdigt er titan et rigeligt forekommende grundstof i jordkroppens skorpe, hvor det rangerer som nummer ni i alt sammenlignet med anden forekomst , langt over det, der findes af almindeligt anvendte metaller såsom kobber, zink og tin. Det forekommer bredt i mange typer bjergarter, især i sand og ler, hvor reserverne er særlig betydelige.

Egenskaber for titan

Titan udviser en række fremragende egenskaber, herunder høj styrke, høj termisk styrke, fremragende korrosionsbestandighed, fremragende lavtemperatur-egenskaber og stor kemisk aktivitet .

Specifikt overstiger styrken af titan langt den af aluminiumlegeringer, magnesiumlegeringer og rustfrie stålsorter, hvilket gør det til et af de mest fremragende konstruktionsmaterialer. Titanlegeringer yder også ekseptionelt godt ved høje temperaturer, hvor driftstemperaturerne er betydeligt højere end for aluminiumlegeringer, og kan opretholde langvarig ydelse ved 450–500 °C .

Desuden viser titan fremragende modstandsevne over for syrer, baser og atmosfærisk korrosion, især en stærk modstand mod prikkorrosion og spændingskorrosionsrevner . Ved lave temperaturer bibeholder titanlegeringer såsom TA7 god duktilitet og mekaniske egenskaber, selv ved temperaturer så lave som –253 °C .

Titan udviser dog høj kemisk reaktivitet ved høje temperaturer og kan let reagere med gasser som brint og ilt i luften, hvilket danner hårde overfladelag. Desuden har titanlegeringer en relativt lav varmeledningsevne – cirka 1/4 af nikkel, 1/5 af jern og 1/14 af aluminium —mens deres elasticitetsmodul er cirka halvdelen af ståls . Disse egenskaber gør titan uundværlig inden for mange avancerede ingeniøranvendelser.

Klassificering og anvendelser af titanlegeringer

Titanlegeringer kan klassificeres efter deres anvendelse i højtemperaturbestandige legeringer, højstyrkelegeringer, korrosionsbestandige legeringer (f.eks. Ti-Mo- og Ti-Pd-legeringer), lavtemperaturlegeringer , og specielle funktionelle legeringer , herunder titan-jern-brintlagringsmaterialer og titan-nikkel-formhukommelseslegeringer.

Selvom anvendelseshistorien for titanlegeringer er relativt kort, har deres fremragende egenskaber indbragt dem mange ærefulde titler, herunder betegnelsen „rummetallet“. Denne betegnelse skyldes deres lave vægt, høje styrke og fremragende modstandsdygtighed over for høje temperaturer, hvilket gør dem til ideelle materialer til fly og rumfartøjer.

I dag udgør ca. tre fjerdedele af den globale produktion af titan og titanlegeringer anvendelsen inden for luft- og rumfartssektoren , og mange komponenter, som tidligere blev fremstillet i aluminiumlegeringer, erstattes nu af titanlegeringer.

Anvendelse inden for luftfart

Titanlegeringer er kritiske materialer ved fremstilling af fly og motorer. De anvendes bredt i smiede ventilkomponenter, kompressorskiver og -skovle, motorkarrosserier, udstødningssystemer , samt strukturelle komponenter såsom rammer og tværskodder .

I luft- og rumfartsapplikationer gør den høje specifikke styrke, korrosionsbestandigheden og lavtemperatur-ydelsen af titanlegeringer dem ideelle til trykbeholdere, brændstoftanke, fastgørelsesmidler, instrumentremme, strukturelle rammer og raketskrøp . Svejste plader af titanlegeringer anvendes omfattende i kunstige satellitter, mådemoduler, bemandede rumfartøjer og rumfærger .

I 1950 anvendte USA første gang titanlegeringer på F-84-kampbombeflyet , hvor de brugtes til ikke-bærende komponenter såsom bagkropens varmeskærme, luftkanaler og halestrømningsskærme. Fra 1960'erne udvidedes anvendelsen af titanlegeringer fra bagkropsområdet til midtkroppen og erstattede delvist konstruktionsstål i tværskodder, bjælker og klappespore .

I 1970'erne, med masseproduktionen af civile luftfartøjer såsom Boeing 747 , steg anvendelsen af titan dramatisk. Kun Boeing 747 brugte mere end 3.640 kg titan , hvilket udgjorde cirka 28 % af flyets strukturelle vægt . Titanlegeringer blev også omfattende anvendt i raketter, satellitter og rumfartøjer.

Bearbejdningsegenskaber for titanlegeringer

For det første har titanlegeringer en relativt lav varmeledningsevne – kun ca. en fjerdedel af stålets, en trettendedel af aluminiums og en femogtyvendedel af kobbers under bearbejdning er varmeafledning og køling derfor ineffektive, hvilket fører til høje temperaturer, der koncentreres i skærepinden . Dette kan forårsage deformation af værkdelen og elastisk genopretning, øge skærekraftmomentet, accelerere slid på værktøjskanten og betydeligt reducere værktøjets levetid.

For det andet øges friktionen på fremsiden af værktøjet, fordi skæreheden koncentrerer varmen nær skærekanten og ikke kan afledes hurtigt nok, hvilket gør spåneaftransporten mere besværlig og yderligere accelererer værktøjsslidet.

Endelig øges den kemiske aktivitet af titanlegeringer markant ved høje temperaturer. De har en tendens til at reagere med værktøjsmaterialer, hvilket resulterer i adhæsion, diffusion og dannelse af en opbygget kant . Disse fænomener kan føre til, at værktøjet sidder fast, brænder eller går i stykker, hvilket alvorligt påvirker bearbejdningskvaliteten og -effektiviteten.

Fordele ved bearbejdningscentre

Bearbejdningscentre kan bearbejde flere komponenter samtidigt, hvilket betydeligt forbedrer produktionseffektiviteten. Deres høje præcision sikrer fremragende produktkonsistens, og med værktøjskompenseringsfunktioner kan maskinværktøjets indbyggede nøjagtighed fuldt ud udnyttes.

Bearbejdningscentre tilbyder også stærk tilpasningsevne og fleksibilitet , og kan nemt håndtere buemaskinering, afskæring og afrundede overgangsformer. Endnu mere imponerende understøtter de flerfunktionelle operationer , herunder fræsning, boret, boring og gevindskæring – alt på én enkelt maskine.

Fra et omkostningskontrolperspektiv gør bearbejdningscentre det muligt at foretage præcis omkostningsberegning og produktionsplanlægning, eliminerer behovet for specialfikseringer, reducerer samlede omkostninger og forkorter produktionscykluser. De formindsker desuden arbejdskraftens fysiske belastning betydeligt og kan nahtløst integreres med CAM-software som UG (NX) udføre flerakse-bearbejdning.

Valg af skæreværktøjer og kølevæsker

Valget af passende skæreværktøjer og kølevæsker er afgørende ved bearbejdning af titanlegeringer. Værktøjsmaterialer skal udvise høj Hårdhed og Slipmodstand for at sikre effektiv materialeafhjælpning. Valget af kølevæske påvirker direkte bearbejdningens kvalitet og effektivitet – korrekte kølevæsker reducerer friktion og skærehed, forlænger værktøjets levetid og forbedrer bearbejdningsnøjagtigheden.

1. Krav til værktøjsmateriale

• Værktøjets hårdhed skal være betydeligt højere end titanlegeringernes for at muliggøre effektiv skæring.
• Værktøjerne skal besidde tilstrækkelig styrke og holdbarhed for at modstå høje drejningsmomenter og skærekræfter.
• På grund af titanlegeringernes høje holdbarhed skal skærekanterne forblive skarpe; derfor kræves fremragende slidstyrke for at minimere arbejdshærdning.

2. Valg af fræsgeometri

På grund af de unikke bearbejdningsegenskaber ved titanlegeringer adskiller fræsgeometrien sig betydeligt fra konventionelle værktøjer.
A mindre spiralvinkel (β) anbefales for at øge flutvolumen, forbedre spånevask og forbedre varmeafledning.

3. Valg af skæreparametre

Når der bearbejdes titanlegeringer, lavere skærehastigheder skal anvendes i kombination med passende fremføringshastigheder, rimelige skæredybder og kontrollerede efterbearbejdningsfratrukkninger.

4. Valg og anvendelse af kølevæske

Kølevæsker, der indeholder klor, bør undgås for at forhindre dannelse af giftige stoffer og hydrogenembrittlement samt mindske risikoen for spændingskorrosionsrevner ved høje temperaturer.
Det anbefales at bruge syntetiske vandopløselige emulsioner eller særligt formulerede kølevæsker, der er velegnede til bearbejdning af titanlegeringer.