Titaaniseokset ilmailussa

Ilmaliikenne on muodostunut olennaiseksi osaksi arkipäiväämme – joko ilmakuljetuslogistiikan tai lentokoneellisen matkustamisen kautta. Kun katselemme taivasta ja näemme yläilmailussa lentäviä lentokoneita, herää luonnollinen kysymys: mitä materiaaleja käytetään lentokoneiden rakentamiseen, jotta ne voivat kantaa niin suuria kuormia ja toimia korkealla ilmakehässä?
Tutkitaan tätä merkittävää ominaisuutta mahdollistavien materiaalien taustaa.

Titaanin yleiskatsaus

Vuonna 1948 DuPont onnistui saavuttamaan magnesiumreduktiomenetelmällä teollisen tuotannon kermamaisesta titaanista, mikä merkitsi tärkeää etappia titaanimateriaalien historiassa. Siitä lähtien titaaniseoksia on käytetty laajalti eri teollisuudenaloilla niiden erinomaisten fysikaalisten ominaisuuksien vuoksi, mukaan lukien korkea ominaislujuus, erinomainen korroosionkestävyys ja erinomainen kuumuudenkestävyys .

Huomattavaa on, että titaani on runsas alkuaine maankuorella, jossa sen yleisyys sijoittuu yhdeksännelle sijalle , mikä on huomattavasti enemmän kuin yleisesti käytettyjen metallien, kuten kuparin, sinkin ja tinan, yleisyys. Sitä esiintyy laajalti monenlaisissa kivissä, erityisesti hiekassa ja saveissa, joissa varannot ovat erityisen suuret.

Titaanin ominaisuudet

Titaani omaa useita poikkeuksellisia ominaisuuksia, mukaan lukien korkea lujuus, korkea kuumuuslujuus, erinomainen korroosionkestävyys, erinomainen alhaisen lämpötilan suorituskyky ja voimakas kemiallinen reaktiokyky .

Erityisesti titaanin lujuus ylittää huomattavasti alumiiniseosten, magnesiumseosten ja ruostumattomien terästen lujuuden, mikä tekee siitä yhden merkittävimmistä rakennemetalleista. Titaaniseokset toimivat myös erinomaisesti korkeissa lämpötiloissa, ja niiden käyttölämpötilat ovat huomattavasti korkeammat kuin alumiiniseosten, ja ne voivat säilyttää pitkäaikaista suorituskykyä lämpötiloissa 450–500 °C .

Lisäksi titaani osoittaa erinomaista vastustuskykyä happoille, emäksille ja ilmastokorroosiolle, erityisesti se kestää hyvin pistekorroosiota ja jännityskorroosiorakentumaa kylmissä olosuhteissa titaaniseokset, kuten TA7 säilyttävät hyvän muovautuvuuden ja mekaaniset ominaisuudet, jopa lämpötiloissa –253 °C .

Tästä huolimatta titaani on kemiallisesti erittäin reaktiivinen korkeissa lämpötiloissa ja voi helposti reagoida ilman vety- ja happikaasuilla, muodostaen kovettuneita pintakerroksia. Lisäksi titaaniseosten lämmönjohtavuus on suhteellisen alhainen – noin neljäsosa nikkelin, viidesosa raudan ja neljätoistaosaa alumiinin määrästä — kun taas niiden kimmoisuusmoduuli on noin puolet teräksen kimmoisuusmoduulista . Nämä ominaisuudet tekevät titaanista välttämättömän monissa edistyneissä insinöörisovelluksissa.

Titaaniseosten luokittelu ja sovellukset

Titaaniseoksia voidaan luokitella käyttötarkoituksen mukaan lämpökestäviin seoksiin, korkealujuusseoksiin, korrosiosta kestäviin seoksiin (kuten Ti-Mo- ja Ti-Pd-seokset), alhaisen lämpötilan seoksiin , ja erityisfunktionaalisiksi seoksiksi , mukaan lukien titaani–rauta-vesi-ainetta varastoivia materiaaleja ja titaani–nikkeli-muodonmuistoseoksia.

Vaikka titaaniseosten käyttöhistoria on suhteellisen lyhyt, niiden erinomainen suorituskyky on tuonut niille lukuisia tunnustuksia, joista yksi on nimitys ”avaruusmetalli”. Tämä nimitys johtuu niiden keveydestä, korkeasta lujuudesta ja erinomaisesta kuumuudenkestävyydestä, mikä tekee niistä ihanteellisia materiaaleja lentokoneisiin ja avaruusalustoihin.

Tällä hetkellä noin kolme neljäsosaa maailman titaanin ja titaaniseosten tuotannosta käytetään ilmailu- ja avaruusteollisuudessa , ja monet komponentit, jotka aiemmin valmistettiin alumiiniseoksista, on nykyisin korvattu titaaniseoksilla.

Ilmailusovellukset

Titaaniseokset ovat ratkaisevan tärkeitä materiaaleja lentokoneiden ja moottorien valmistuksessa. Niitä käytetään laajalti kovametallimuovattuihin tuulimyllykomponentteihin, puristinkiekkoihin ja -siipiin, moottorikoteloihin ja pakokaasujärjestelmiin , sekä rakenteellisia komponentteja, kuten kehiköitä ja erottavia seinämiä .

Ilmailusovelluksissa titaaniseosten korkea ominaislujuus, korrosiivisuuden kestävyys ja alhaisen lämpötilan suorituskyky tekevät niistä ihanteellisia paineastioita, polttoainetankkeja, kiinnitysosia, mittalaitteiden kiinnikkeitä, rakenteellisia kehiköitä ja rakettikuoria . Titaaniseoksesta valmistettuja levyhitsausosia käytetään laajalti teko­satelliiteissa, kuunmoduuleissa, miehitetyissä avaruusaluksissa ja avaruussuljettuissa kuljetusaluksissa .

Vuonna 1950 Yhdysvallat otti ensimmäisenä käyttöön titaaniseoksia F-84-hävittäjäpommittajassa , jossa niitä käytettiin ei-kantavia komponentteja, kuten takaosan rungon lämmönsuojaa, ilmakanavia ja takaosan verhoilua. 1960-luvulta lähtien titaaniseokset laajenivat takaosan rungon sovelluksista keskiosan rungoon ja korvasivat osittain rakenneterästä erottavissa seinämissä, palkkeissa ja siipien liukureissa .

1970-luvulle mennessä siviili-ilma-alusten, kuten Boeing 747 , sarjatuotannon myötä titaanin käyttö lisääntyi merkittävästi. Yksi Boeing 747 -kone käytti yli 3 640 kg titaania , mikä vastaa noin 28 %:a koneen rakenteellisesta painosta . Titaaniseoksia alettiin käyttää myös laajalti raketeissa, satelliiteissa ja avaruusalustoissa.

Titaaniseosten koneistusominaisuudet

Ensinnäkin titaaniseoksilla on suhteellisen alhainen lämmönjohtavuus – noin neljäsosa teräksen, kolmaskymmenesneljäsosa alumiinin ja viidessadasosa kuparin lämmönjohtavuudesta koneistuksen aikana lämmön poisto ja jäähdytys ovat siten tehottomia, mikä johtaa korkeisiin lämpötiloihin, jotka keskittyvät leikkuualueelle . Tämä voi aiheuttaa työkappaleen muodonmuutoksen ja kimmoisen palautumisen, lisätä leikkuuvääntömomenttia, kiihdyttää työkalun leikkuureunan kulumista ja vähentää merkittävästi työkalun käyttöikää.

Toiseksi, koska leikkuulämpö keskittyy leikkuureunan läheisyyteen eikä se pääse hajaantumaan nopeasti, puristuspinnan kitka kasvaa, mikä vaikeuttaa lastun poistoa ja kiihdyttää työkalun kulumista entisestään.

Lopuksi korkeissa lämpötiloissa titaaniseosten kemiallinen aktiivisuus kasvaa merkittävästi. Ne pyrkivät reagoimaan työkalumateriaalien kanssa, mikä johtaa liimaantumiseen, diffuusioon ja kertymäleikkuureunan muodostumiseen . Nämä ilmiöt voivat aiheuttaa työkalun tarttumisen, poltumisen tai murtumisen ja vaikuttaa vakavasti koneistuslaatuun ja -tehokkuuteen.

Koneistuskeskusten edut

Työstökeskukset voivat työstää useita komponentteja samanaikaisesti, mikä parantaa merkittävästi tuotannon tehoa. Niiden korkea tarkkuus takaa erinomaisen tuotteiden yhdenmukaisuuden, ja työkalukorjaustoimintojen avulla koneen luonnollinen tarkkuus voidaan hyödyntää täysimittaisesti.

Työstökeskukset tarjoavat myös vahvan sopeutumiskyvyn ja joustavuuden , joilla voidaan helposti suorittaa kaarityöstöä, terävien kulmien pyöristystä ja pyöristettyjä siirtymiä. Vaikutusvaltaisemmin ne tukevat monitoimisia toimintoja , kuten jyrsintää, porausta, laajennuspurausta ja kierreporauksen – kaikki yhdellä koneella.

Kustannusten hallinnan näkökulmasta työstökeskukset mahdollistavat tarkan kustannustilinpidon ja tuotannon aikataulutuksen, poistavat erikoispidinten tarpeen, vähentävät kokonaiskustannuksia ja lyhentävät tuotantokausia. Ne myös vähentävät merkittävästi työvoiman rasitusta ja voidaan integroida saumattomasti CAM-ohjelmistoihin, kuten UG (NX) suorittaa moniakselista koneistusta.

Työkalujen ja jäähdytysnesteiden valinta

Sopivien työkalujen ja jäähdytysnesteiden valinta on ratkaisevan tärkeää titaaniseosten koneistamisessa. Työkalumateriaalien on oltava korkea Kovaus ja Kulumusvastaus varmistaakseen tehokkaan materiaalin poiston. Jäähdytysnesteiden valinta vaikuttaa suoraan koneistuslaatuun ja -tehokkuuteen – oikeat jäähdytysnesteen vähentävät kitkaa ja leikkuulämpöä, pidentävät työkalun käyttöikää ja parantavat koneistustarkkuutta.

1. Työkalumateriaalin vaatimukset

• Työkalun kovuuden on oltava huomattavasti korkeampi kuin titaaniseosten, jotta leikkuu voidaan suorittaa tehokkaasti.
• Työkalujen on oltava riittävän lujuudeltaan ja sitkeydeltään kestääkseen korkeat vääntömomentit ja leikkuuvoimat.
• Koska titaaniseokset ovat erityisen sitkeitä, leikkuuterän on pysyttävä terävänä; siksi vaaditaan erinomaista kulumiskestävyyttä työn kovettumisen vähentämiseksi.

2. Päätyhylsyn geometrian valinta

Titaaniseosten ainutlaatuiset koneistusominaisuudet vaikuttavat siihen, että päätyhylsyn geometria eroaa merkittävästi perinteisistä työkaluista.
A pienempi kierre kulma (β) suositellaan kourun tilavuuden kasvattamiseksi, lastunpoiston parantamiseksi ja lämmön poistokyvyn tehostamiseksi.

3. Leikkuuparametrien valinta

Titaaniseosten koneistuksessa alhaisempia leikkuunopeuksia tulee käyttää yhdessä sopivien syöttönopeuksien, kohtalaisien leikkuusyvyysarvojen ja ohjattujen viimeistelyvarojen kanssa.

4. Jäähdytteen valinta ja käyttö

Klooria sisältäviä jäähdytteitä tulisi välttää myrkyllisten aineiden muodostumisen, vetyhaurastumisen sekä korkeissa lämpötiloissa jännityskorroosiorakentumisen riskin vähentämiseksi.
Suositellaan käytettäväksi synteettisiä vesisoluuisia emulsioita tai erityisesti titaaniseosten käsittelyyn soveltuviksi suunnitelluiksi jäähdytysnesteiksi.