Titaanialliidid lennunduses

Õhutransport on muutunud meie igapäevaelu lahutamatuks osaks – kas õhukaubanduse logistikas või reisides lennukiga. Kui me tõstame pilgu taeva poole ja vaatame üle pea lendavaid lennukuid, tekib loomulik küsimus: milliseid materjale kasutatakse lennukite ehitamiseks, et need suudaksid kanda nii suuri koormaid ja töötada kõrgel õhuruumis?
Uurime selle väga suure võimekuse taga olevaid materjale.

Titaani ülevaade

Aastal 1948 saavutas DuPont magneesiumi redutseerimismeetodil edukalt süsinikvahelise titaani tööstusliku tootmise, mis oli oluline samm titaanmaterjalide ajaloos. Alates sellest ajast on titaanisulamid laialdaselt kasutusel erinevates tööstusharudes nende eriliste füüsiliste omaduste tõttu, sealhulgas kõrge eritugevus, suurepärane korrosioonikindlus ja ülitugev kuumakindlus .

Tähelepanuväärne on see, et titaan on Maakoore üsna levinud element, mille esinemissagedus on üheksas kogu esinemissageduses , mis on palju suurem kui tavaliselt kasutatavate metallide, näiteks vase, tsink ja tina, esinemissagedus. Titaan on laialdaselt levinud mitmesugustes kivimites, eriti liivas ja savis, kus varud on eriti suured.

Titaani omadused

Titaanil on mitmeid erilisi omadusi, sealhulgas kõrge tugevus, kõrge soojuskindlus, suurepärane korrosioonikindlus, väga hea madalatemperatuuriline töökindlus ja tugev keemiline aktiivsus .

Täpsemalt ületab titaani tugevus oluliselt alumiiniumi, magneesiumi sulamite ja roostevaba terase tugevust, mistõttu on see üks kõige silmapaistvamaid konstruktsioonimetalle. Titaanisulamid näitavad eriti hea käitumist kõrgematel temperatuuridel – nende töötlemistemperatuurid on oluliselt kõrgemad kui alumiiniumsulamitel, ja nad suudavad säilitada pikaajalist töökindlust 450–500 °C .

Lisaks näitab titaan erinat vastupanu hapetele, alusetele ja atmosfäärkorrosioonile, eriti tugevat vastupanu aukude tekkumisele ja pingekorrosioonile kuid titaanisulamid, näiteks TA7 säilitavad head venuvust ja mehaanilisi omadusi ka väga madalatel temperatuuridel, isegi temperatuuril –253 °C .

Siiski on titaanil kõrgematel temperatuuridel suur keemiline reageerivsus ning see võib lihtsasti reageerida õhus leiduvate gaasidega, näiteks vesinikuga ja hapnikuga, moodustades kõvade pinna kihi. Lisaks on titaanisulamitel suhteliselt madal soojusjuhtivus – umbes veerand nikli, viiendik rauast ja neliteistkümnendik alumiiniumist —samal ajal kui nende elastsusmodul on umbes poole väärtus terasest . Need omadused teevad titaani oluliseks paljude täppisinseneritehnoloogiate rakendustes.

Titaanilegerite liigitus ja rakendused

Titaanilegirid saab liigitada nende rakenduste järgi järgmiselt: soojuskindlad legerid, kõrgtugevuslikud legerid, korrosioonikindlad legerid (nt Ti-Mo ja Ti-Pd legerid), madalatemperatuurilised legerid , ja erifunktsionaalsed legerid , sealhulgas tiitani–raud vesiniku salvestamise materjalid ja tiitani–nikkel kuju-mälu sulamid.

Tiitani sulamite kasutamise ajalugu on suhteliselt lühike, kuid nende esilepüüdvad omadused on neile taganud mitmeid auhindu, sealhulgas nimetuse „kosmosemetall”. See nimetus põhineb nende väiksel kaalul, kõrgel tugevusel ja erinumal kõrgtemperatuuril vastupidavusel, mis teeb neist ideaalsed materjalid lennukite ja kosmosesõidukite jaoks.

Hetkel kasutatakse umbes kolm neljandikku maailmas toodetud tiitani ja tiitani sulamitest lennundus- ja kosmosetööstuses , kus paljud komponendid, mida varem valmistati alumiiniumsulamitest, on nüüd asendatud tiitani sulamitega.

Lennunduslikud rakendused

Tiitani sulamid on olulised materjalid lennukite ja mootorite tootmisel. Neid kasutatakse laialdaselt kõvaks löödud ventilaatorikomponentidena, kompressorplaatidena ja -lõikelaterena, mootorikorpustena ning väljatõmbesüsteemides , samuti struktuurikomponendid, nagu raamid ja ülesehitused .

Aerospace-rakendustes sobivad tiitiumi sulamid eriti hästi surveanumate, kütusetankide, kinnituskinnitusete, instrumentide riputusribade, struktuuriraamide ja rakettide korpuste valmistamiseks . Tiitiumi sulamilehtmete keevitusühendid kasutatakse laialdaselt tehisatellitites, kuumoodulites, inimesi veavates kosmoselaevades ja kosmosesõidukites .

Aastal 1950 kasutas Ameerika Ühendriigid tiitiumi sulameid esmakordselt F-84 lõkkepommilennukis , kasutades neid koormust ei taluvates osades, näiteks tagumises kere soojuskaitsekihis, õhukanalites ja sabaülekattedes. 1960. aastatest alates laienes tiitiumi sulamite kasutus tagumisest kereosast keskmisele kereosale, asendades osaliselt konstruktsiooniterasi ülesehitustes, palkides ja labapaelades .

1970. aastateks, mil tsiviilõhukorraldati massiliselt, näiteks Boeing 747 , suurenes tiitani kasutamine dramaatiliselt. Üksnes Boeing 747 kasutas rohkem kui 3640 kg tiitaani , mis moodustas ligikaudu 28% lennuki konstruktsioonikaalast . Tiitani sulamid said ka laialdaselt kasutusele rakettides, satelliitides ja kosmosesõidukites.

Tiitani sulamite töötlemisomadused

Esimeseks on tiitani sulamitel suhteliselt madal soojusjuhtivus – umbes neljandik terase, üksteistkümnendik alumiiniumi ja kahekümneviies osa vasest töötlemisel on seetõttu soojusjuhtivus ja jahutus ebaefektiivsed, mis viib kõrgesse temperatuuri kogunemisse lõikepiirkonnas . See võib põhjustada töödeldava detaili deformatsiooni ja elastset taastumist, suurendada lõikepingut, kiirendada tööriista serva kulutumist ning oluliselt vähendada tööriista eluiga.

Teiseks, kuna lõikesoojus koguneb lõikeserva lähedale ja ei suuda kiiresti laguneda, suureneb tera eespoolel hõõrdumine, mis raskendab õlgade eemaldamist ja kiirendab veelgi tööriista kulutumist.

Lõpuks suureneb kõrgematel temperatuuridel tiitiumi sulgude keemiline aktiivsus oluliselt. Nad on kalduvad reageerima tööriista materjalidega, mille tulemusena tekib liimumine, difusioon ja kogunenud serva moodustumine . Need nähtused võivad põhjustada tööriista kinnijäämist, põlemist või murdumist ning mõjutada tõsiselt töötlemise kvaliteeti ja efektiivsust.

Materjalitöötluskeskuste eelised

Töötluskeskused suudavad töödelda mitut komponenti samaaegselt, mis oluliselt parandab tootmise efektiivsust. Nende kõrge täpsus tagab suurepärase toodete ühtlasuse ning tööriistade kompensatsioonifunktsioonide abil saab täielikult kasutada masinatooli sisemist täpsust.

Töötluskeskused pakuvad ka tugevat kohanduvust ja paindlikkust , võimaldades lihtsalt kaare-, terituse- ja üleminekukaare-töötlemist. Veel muljetavaldavam on see, et nad toetavad mitmefunktsionaalseid operatsioone , sealhulgas freeseerimist, puurimist, põhjustamist ja sisekäärimist – kõike ühel masinal.

Kulude kontrolli vaatepunktist võimaldavad töötluskeskused täpset kuluarvestust ja tootmisplaneerimist, kõrvaldavad eraldi fikseerimisvahendite vajaduse, vähendavad kogukulusid ja lühendavad tootmistseid. Nad vähendavad oluliselt tööjõu koormust ja saavad sujuvalt integreeruda CAM-tarkvaraga, näiteks UG (NX) mitme telje töötlemise tegemiseks.

Puurimis- ja lõikepuuride ning jahutusvedelike valik

Titaanisulamite töötlemisel on sobivate lõikepuuride ja jahutusvedelike valik kriitiliselt tähtis. Tööriistade materjalid peavad omama kõrge kõva ja ausuvustus tagamaks tõhusa materjali eemaldamise. Jahutusvedelike valik mõjutab otseselt töötlemise kvaliteeti ja tõhusust – sobivad jahutusvedelikud vähendavad hõõrdumist ja lõike soojust, pikendades tööriistade eluiga ning parandades töötlemise täpsust.

1. Tööriistade materjali nõuded

• Tööriistade kõvadus peab olema oluliselt kõrgem kui titaanisulamite oma, et võimaldada tõhusat lõikamist.
• Tööriistadel peab olema piisav tugevus ja vastupidavus, et taluda kõrges pöördemomendis ja lõikejõududes.
• Arvestades titaanisulamite kõrgemat vastupidavust, peavad lõike servad säilitama teravnemise; seepärast on vajalik väga hea kulumiskindlus, et vähendada töödeldava materjali kõvastumist.

2. Freesipuuri geomeetria valik

Titaanisulamite eripärase töötlemise omaduste tõttu erineb freesipuuri geomeetria oluliselt tavapärastest tööriistadest.
A väiksem kerisnurk (β) soovitatakse tõstma tera ruumi, parandada ribade eemaldamist ja suurendada soojuslahutust.

3. Lõikeparameetrite valik

Titaanisulamite töötlemisel tuleb kasutada madalamaid lõikekiirusi koos sobivate söötmispeedide, mõistlike lõike sügavustega ja kontrollitud pinnatöötlemise lubatud tolerantsidega.

4. Külmaväri valik ja kasutamine

Kloori sisaldavaid külmaveeaineid tuleb vältida, et takistada mürgiste ainete teket ja vesiniku kahjustust ning vähendada rõhukorrosiooni purunemise ohtu kõrgematel temperatuuridel.
Soovitatakse kasutada sünteetilisi vees lahustuvaid emulsioone või eriliselt titanialliidide töötlemiseks mõeldud jahutusvedelikud.