Κράματα Τιτανίου στην Αεροπλοΐα

Η αεροπορική μεταφορά έχει καταστεί αναπόσπαστο τμήμα της καθημερινής μας ζωής—είτε μέσω της λογιστικής αεροπορικών φορτίων είτε με ταξίδια με αεροπλάνο. Όταν κοιτάζουμε προς τον ουρανό και παρατηρούμε αεροσκάφη να πετούν πάνω από το κεφάλι μας, ανακύπτει φυσιολογικά το ερώτημα: ποια υλικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αεροπλάνων που μπορούν να μεταφέρουν τέτοια τεράστια φορτία και να λειτουργούν σε υψηλά υψόμετρα;
Ας εξερευνήσουμε τα υλικά που βρίσκονται πίσω από αυτήν την εκπληκτική δυνατότητα.

Επισκόπηση του Τιτανίου

Το 1948, η DuPont επέτυχε με επιτυχία τη βιομηχανική παραγωγή σφουγγώδους τιτανίου με τη διαδικασία αναγωγής με μαγνήσιο, σηματοδοτώντας ένα σημαντικό ορόσημο στην ιστορία των υλικών τιτανίου. Από τότε, οι κράματα τιτανίου έχουν εφαρμοστεί ευρέως σε διάφορους τομείς λόγω των εξαιρετικών φυσικών τους ιδιοτήτων, συμπεριλαμβανομένων υψηλής ειδικής αντοχής, εξαιρετικής αντοχής στη διάβρωση και ανώτερης αντοχής στη θερμότητα .

Αξιοσημείωτο είναι ότι το τιτάνιο είναι ένα πλούσιο στοιχείο στον φλοιό της Γης, καταλαμβάνοντας τη ένατη θέση ως προς τη συνολική αφθονία του , πολύ περισσότερο από ό,τι τα συνηθισμένα μέταλλα όπως το χαλκός, το ψευδάργυρος και το κασσίτερος. Διανέμεται ευρέως σε πολλά είδη πετρωμάτων, ιδιαίτερα σε άμμους και αργίλους, όπου οι αποθέματά του είναι ιδιαίτερα μεγάλα.

Χαρακτηριστικά του Τιτανίου

Το τιτάνιο παρουσιάζει μια σειρά εξαιρετικών ιδιοτήτων, συμπεριλαμβανομένων υψηλής αντοχής, υψηλής θερμικής αντοχής, εξαιρετικής αντοχής στη διάβρωση, εξαιρετικής απόδοσης σε χαμηλές θερμοκρασίες και ισχυρής χημικής δραστικότητας .

Συγκεκριμένα, η αντοχή του τιτανίου υπερβαίνει κατά πολύ αυτήν των κραμάτων αλουμινίου, των κραμάτων μαγνησίου και των ανοξείδωτων χαλύβων, καθιστώντάς το ένα από τα πιο εξέχοντα δομικά μέταλλα. Τα κράματα τιτανίου επιδεικνύουν επίσης εξαιρετική απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες, με θερμοκρασίες λειτουργίας σημαντικά υψηλότερες από αυτές των κραμάτων αλουμινίου, και μπορούν να διατηρούν την απόδοσή τους για μεγάλο χρονικό διάστημα σε 450–500°C .

Επιπλέον, το τιτάνιο παρουσιάζει εξαιρετική αντίσταση σε οξέα, βάσεις και διάβρωση από την ατμόσφαιρα, εμφανίζοντας ιδιαίτερα ισχυρή αντίσταση σε διάβρωση από πόρους (pitting corrosion) και διάβρωση λόγω τάσης (stress corrosion cracking) σε χαμηλές θερμοκρασίες, κράματα τιτανίου όπως το TA7 διατηρούν καλή ελαστικότητα και μηχανικές ιδιότητες, ακόμη και σε θερμοκρασίες ως και –253°C .

Ωστόσο, το τιτάνιο εμφανίζει υψηλή χημική δραστικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και μπορεί να αντιδρά εύκολα με αέρια όπως το υδρογόνο και το οξυγόνο της ατμόσφαιρας, σχηματίζοντας σκληρές επιφανειακές στοιβάδες. Επιπλέον, τα κράματα τιτανίου έχουν σχετικά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα — περίπου 1/4 του νικελίου, 1/5 του σιδήρου και 1/14 του αλουμινίου —ενώ το μέτρο ελαστικότητάς τους είναι περίπου το μισό του χάλυβα . Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν το τιτάνιο αναντικατάστατο σε πολλές προχωρημένες μηχανικές εφαρμογές.

Ταξινόμηση και εφαρμογές των κραμάτων τιτανίου

Τα κράματα τιτανίου μπορούν να ταξινομηθούν, βάσει των εφαρμογών τους, σε κράματα ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες, κράματα υψηλής αντοχής, κράματα ανθεκτικά στη διάβρωση (όπως τα κράματα Ti-Mo και Ti-Pd), κράματα για χαμηλές θερμοκρασίες , και και ειδικά λειτουργικά κράματα , συμπεριλαμβανομένων υλικών αποθήκευσης υδρογόνου βασισμένων σε τιτάνιο–σίδηρο και κραμάτων μνήμης σχήματος τιτανίου–νικελίου.

Παρόλο που η ιστορία εφαρμογής των κραμάτων τιτανίου είναι σχετικά σύντομη, η εξαιρετική τους απόδοση τους έχει χαρίσει πολλές διακρίσεις, μία από τις οποίες είναι ο τίτλος «μέταλλο του διαστήματος». Αυτή η ονομασία προέρχεται από το ελαφρύ βάρος, την υψηλή αντοχή και την εξαιρετική αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες τους, καθιστώντάς τα ιδανικά υλικά για αεροσκάφη και διαστημικά οχήματα.

Σήμερα, περίπου τα τρία τέταρτα της παγκόσμιας παραγωγής τιτανίου και κραμάτων τιτανίου χρησιμοποιούνται στον αεροδιαστημικό τομέα , ενώ πολλά εξαρτήματα που παλαιότερα κατασκευάζονταν από κράματα αλουμινίου αντικαθίστανται σήμερα από κράματα τιτανίου.

Εφαρμογές στην Αεροπορία

Τα κράματα τιτανίου αποτελούν κρίσιμα υλικά στην κατασκευή αεροσκαφών και κινητήρων. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε κατεργασμένα εξαρτήματα ανεμιστήρα, δίσκους και πτερύγια συμπιεστή, περιβλήματα κινητήρων και συστήματα εξάτμισης , καθώς και δομικά στοιχεία όπως πλαίσια και διαχωριστικοί τοίχοι .

Εφαρμογές αεροδιαστημικής: Η υψηλή ειδική αντοχή, η αντίσταση στη διάβρωση και η καλή απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες των κραμάτων τιτανίου τα καθιστούν ιδανικά για δοχεία υψηλής πίεσης, δεξαμενές καυσίμου, συνδετήρες, ιμάντες οργάνων, δομικά πλαίσια και περιβλήματα πυραύλων . Τα συγκολλημένα φύλλα κραμάτων τιτανίου χρησιμοποιούνται εκτενώς σε τεχνητούς δορυφόρους, σεληνιακά μόδιουλα, ενδρομικά διαστημόπλοια και διαστημικά λεωφορεία .

Το 1950, οι Ηνωμένες Πολιτείες εφάρμοσαν για πρώτη φορά κράματα τιτανίου στο Μαχητικό-βομβαρδιστικό F-84 , χρησιμοποιώντας τα για μη φορτοφέροντα στοιχεία, όπως θωρακίσματα αντιθέρμανσης στο οπίσθιο τμήμα του καμπινιού, αεραγωγούς και αεροδυναμικά περιβλήματα της ουράς. Από τη δεκαετία του 1960 και μετά, τα κράματα τιτανίου επεκτάθηκαν από εφαρμογές στο οπίσθιο τμήμα του καμπινιού στο μεσαίο τμήμα του καμπινιού, αντικαθιστώντας εν μέρει το δομικό χάλυβα σε διαχωριστικούς τοίχους, δοκούς και οδηγούς πτερύγιων .

Μέχρι τη δεκαετία του 1970, με τη μαζική παραγωγή εμπορικών αεροσκαφών όπως το Boeing 747 , η χρήση τιτανίου αυξήθηκε δραματικά. Μόνο το Boeing 747 χρησιμοποιούσε περισσότερα από 3.640 kg τιτανίου , αντιπροσωπεύοντας περίπου 28% του δομικού βάρους του αεροσκάφους . Οι κράματα τιτανίου χρησιμοποιήθηκαν επίσης εκτενώς σε πυραύλους, δορυφόρους και διαστημόπλοια.

Χαρακτηριστικά κατεργασίας των κραμάτων τιτανίου

Πρώτον, τα κράματα τιτανίου έχουν σχετικά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα — μόνο περίπου ένα τέταρτο αυτής του χάλυβα, ένα δέκατο τρίτο αυτής του αλουμινίου και ένα εικοστό πέμπτο αυτής του χαλκού κατά την κατεργασία, η απομάκρυνση της θερμότητας και η ψύξη είναι συνεπώς αναποτελεσματικές, με αποτέλεσμα υψηλές θερμοκρασίες που συγκεντρώνονται στη ζώνη κοπής . Αυτό μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση του τεμαχίου εργασίας και ελαστική ανάκαμψη, να αυξήσει τη ροπή κοπής, να επιταχύνει τη φθορά της ακμής του εργαλείου και να μειώσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του εργαλείου.

Δεύτερον, επειδή η θερμότητα κοπής συγκεντρώνεται κοντά στην ακμή κοπής και δεν μπορεί να απομακρυνθεί γρήγορα, αυξάνεται η τριβή στην επιφάνεια πρόσωπου του εργαλείου, καθιστώντας δυσκολότερη την απομάκρυνση των σωματιδίων κοπής και επιταχύνοντας περαιτέρω τη φθορά του εργαλείου.

Τέλος, σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η χημική δραστικότητα των κραμάτων τιτανίου αυξάνεται σημαντικά. Τείνουν να αντιδρούν με τα υλικά των εργαλείων, με αποτέλεσμα πρόσφυση, διάχυση και σχηματισμό συσσωματώματος στην ακμή κοπής . Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να οδηγήσουν σε κόλλημα, καύση ή σπάσιμο του εργαλείου, επηρεάζοντας σοβαρά την ποιότητα και την αποδοτικότητα της κατεργασίας.

Πλεονεκτήματα των Κέντρων Κατεργασίας

Τα κέντρα κατεργασίας μπορούν να επεξεργάζονται πολλά εξαρτήματα ταυτόχρονα, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση της παραγωγής. Η υψηλή τους ακρίβεια διασφαλίζει εξαιρετική συνέπεια των προϊόντων, ενώ, με τις λειτουργίες αντιστάθμισης εργαλείων, μπορεί να αξιοποιηθεί πλήρως η εγγενής ακρίβεια του μηχανήματος.

Τα κέντρα κατεργασίας προσφέρουν επίσης ισχυρή προσαρμοστικότητα και ευελιξία , επεξεργαζόμενα εύκολα τόξα, υποταμιεύσεις (chamfering) και μεταβάσεις με στρογγυλεμένες ακμές (fillets). Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι ότι υποστηρίζουν πολυλειτουργικές εργασίες , συμπεριλαμβανομένων της φρεζαριστικής, της διάτρησης, της ανοιγματικής κατεργασίας (boring) και της ενσφηνώσεως (tapping) — όλες σε ένα και μόνο μηχάνημα.

Από πλευράς ελέγχου κόστους, τα κέντρα κατεργασίας επιτρέπουν ακριβή λογιστική του κόστους και προγραμματισμό της παραγωγής, εξαλείφουν την ανάγκη ειδικών συγκρατητικών διατάξεων (fixtures), μειώνουν το συνολικό κόστος και συντομεύουν τους κύκλους παραγωγής. Επιπλέον, μειώνουν σημαντικά τη σωματική προσπάθεια του προσωπικού και μπορούν να ενσωματωθούν απρόσκοπτα με λογισμικό CAM, όπως το UG (NX) για την εκτέλεση πολυάξονων κατεργασιών.

Επιλογή κοπτικών εργαλείων και ψυκτικών υγρών

Η επιλογή κατάλληλων κοπτικών εργαλείων και ψυκτικών υγρών είναι κρίσιμη κατά την κατεργασία κραμάτων τιτανίου. Τα υλικά των εργαλείων πρέπει να παρουσιάζουν υψηλή Σκληρότητα και Αντοχή στη Μόνωση για να διασφαλιστεί αποτελεσματική αφαίρεση υλικού. Η επιλογή του ψυκτικού υγρού επηρεάζει άμεσα την ποιότητα και την αποδοτικότητα της κατεργασίας — τα κατάλληλα ψυκτικά υγρά μειώνουν την τριβή και τη θερμότητα κοπής, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής των εργαλείων και βελτιώνοντας την ακρίβεια της κατεργασίας.

1. Απαιτήσεις για το υλικό του εργαλείου

• Η σκληρότητα του εργαλείου πρέπει να είναι σημαντικά υψηλότερη από αυτήν των κραμάτων τιτανίου, προκειμένου να επιτευχθεί αποτελεσματική κοπή.
• Τα εργαλεία πρέπει να διαθέτουν επαρκή αντοχή και ταμπούρι (toughness) για να αντέχουν την υψηλή ροπή και τις δυνάμεις κοπής.
• Λόγω της υψηλής ταμπούρις (toughness) των κραμάτων τιτανίου, οι ακμές κοπής πρέπει να παραμένουν οξείες· επομένως, απαιτείται άριστη αντοχή στη φθορά για την ελαχιστοποίηση της εργασιακής ενσκλήρυνσης (work hardening).

2. Επιλογή γεωμετρίας του τελικού φρέζου (end mill)

Λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών κατεργασίας των κραμάτων τιτανίου, η γεωμετρία του τελικού φρέζου (end mill) διαφέρει σημαντικά από εκείνη των συμβατικών εργαλείων.
Α μικρότερη γωνία έλικας (β) συνιστάται για την αύξηση του όγκου των αυλακιών, τη βελτίωση της απομάκρυνσης των σωματιδίων κοπής και την ενίσχυση της απομάκρυνσης της θερμότητας.

3. Επιλογή Παραμέτρων Κοπής

Κατά την κατεργασία κραμάτων τιτανίου, χαμηλότερες ταχύτητες κοπής θα πρέπει να χρησιμοποιούνται, σε συνδυασμό με κατάλληλους ρυθμούς προώθησης, λογικά βάθη κοπής και ελεγχόμενα επιτρεπόμενα υπολείμματα τελικής κατεργασίας.

4. Επιλογή και Εφαρμογή Ψυκτικού Υγρού

Πρέπει να αποφεύγονται ψυκτικά υγρά που περιέχουν χλώριο, προκειμένου να αποτραπεί η δημιουργία τοξικών ουσιών και η υδρογονοεμβριθυνση, καθώς και να μειωθεί ο κίνδυνος διάβρωσης υπό τάση σε υψηλές θερμοκρασίες.
Συνιστάται η χρήση συνθετικών υδατικών εμουλσιών ή ειδικά διαμορφωμένα ψυκτικά κατάλληλα για την κατεργασία κραμάτων τιτανίου.