Titánötvözetek a légi közlekedésben

A légi közlekedés ma már szerves része mindennapi életünknek—legyen szó légi áruszállítási logisztikáról vagy repülőgéppel történő utazásról. Amikor felnézünk az égre, és megfigyeljük a felettünk elrepülő repülőgépeket, természetes kérdés merül fel: milyen anyagokból készülnek azok a repülőgépek, amelyek ilyen hatalmas tömegeket tudnak szállítani, és magas repülési magasságokon is működnek?
Vizsgáljuk meg ezen figyelemre méltó képesség mögött rejtőző anyagokat.

A titán áttekintése

1948-ban a DuPont sikeresen elérte a szivacs-titán ipari gyártását a magnézium-kontakt redukciós eljárással, ami egy fontos mérföldkő volt a titán anyagok történetében. Ezt követően a titánötvözeteket kiváló fizikai tulajdonságaik miatt széles körben alkalmazzák különféle iparágakban, többek között magas fajlagos szilárdság, kiváló korrózióállóság és kiváló hőállóság .

Érdekes módon a titán egy gyakori elem a Föld kérgében, mely a kilencedik leggyakoribb elem , sokkal gyakoribb, mint a gyakran használt fémek, például a réz, cink és ón. Széles körben elterjedt számos kőzet típusban, különösen a homokokban és agyagokban, ahol a készletek különösen nagyok.

A titán jellemzői

A titán számos kiváló tulajdonsággal rendelkezik, többek között magas szilárdsággal, magas hőállósággal, kiváló korrózióállósággal, kiváló alacsony hőmérsékleti teljesítménnyel és erős kémiai aktivitással .

Pontosabban fogalmazva a titán szilárdsága messze meghaladja az alumínium- és magnéziumötvözetek, valamint az austenites rozsdamentes acélok szilárdságát, így a titán az egyik legkiválóbb szerkezeti fém. 450–500 °C .

Ezen felül a titán kiváló ellenállást mutat savak, lúgok és légköri korrózióval szemben, különösen erős ellenállást mutat a lyukasodási korróziónak és a feszültségkorrodálódásnak a titánötvözetek, például a TA7 jó nyúlás- és mechanikai tulajdonságokat őriznek meg akár a –253 °C .

Azonban a titán magas hőmérsékleten nagy kémiai reaktivitást mutat, és könnyen reagálhat a levegőben lévő gázokkal, például a hidrogénnel és az oxigénnel, keményített felületi rétegek képződése közben. Továbbá a titánötvözetek viszonylag alacsony hővezetőképességgel rendelkeznek – körülbelül a nikkel negyede, a vas ötöde és az alumínium tizennegyede —míg rugalmassági modulusuk körülbelül a acél felével egyenlő . Ezek a tulajdonságok teszik a titán szükségszerűvé számos fejlett mérnöki alkalmazásban.

A titánötvözetek osztályozása és alkalmazása

A titánötvözeteket alkalmazásuk szerint osztályozhatjuk: hőálló ötvözetek, nagyszilárdságú ötvözetek, korrózióálló ötvözetek (pl. Ti-Mo és Ti-Pd ötvözetek), alacsony hőmérsékleten használható ötvözetek , és speciális funkcionális ötvözetek , beleértve a titán–vas hidrogénraktározó anyagokat és a titán–nikkel alakemlékező ötvözeteket.

Bár a titánötvözetek alkalmazásának története viszonylag rövid, kiváló teljesítményük számos elismerést hozott számukra, köztük a cím „űrközponti fém”. Ez a megnevezés súlyuk könnyűségéből, nagy szilárdságukból és kiváló magas hőmérséklet-állóságukból ered, amelyek miatt ideális anyagok repülőgépekhez és űrhajókhoz.

Jelenleg kb. a világ titán- és titánötvözet-termelésének háromnegyede az űrkutatási és légi közlekedési szektorban kerül felhasználásra , és számos olyan alkatrész, amelyet korábban alumíniumötvözetekből gyártottak, ma már titánötvözetekből készül.

Légi alkalmazások

A titánötvözetek kritikus anyagok a repülőgépek és motorok gyártásában. Széles körben használják őket kovácsolt ventilátoralkatrészek, kompresszorlapátok és -tárcsák, motorkarok, kipufogórendszerek , valamint szerkezeti alkatrészek, mint például vázak és merevítőfalak .

A repülő- és űrkutatási alkalmazásokban a titánötvözetek kiváló fajlagos szilárdsága, korrózióállósága és alacsony hőmérsékleten való jól viselkedése ideálissá teszi őket nyomástartó edények, üzemanyagtartályok, rögzítőelemek, műszercsatlakozó szíjak, szerkezeti vázak és rakétaházak gyártására. A titánötvözet lemezhegesztések széles körben használatosak mesterséges holdakban, holdmodulokban, személyzetet szállító űrhajókban és űrsiklókban .

1950-ben az Egyesült Államok először alkalmazta a titánötvözeteket a F-84 harci bombázó repülőgépen , ahol nem teherhordó alkatrészekre, például a hátsó törzs hőpajzsára, levegővezetékekbe és farokburkolatokba használták őket. A 1960-as évektől kezdve a titánötvözetek alkalmazása a hátsó törzsről a középső törzsre terjedt ki, részben kiváltva a szerkezeti acélt a merevítőfalakban, gerendákban és zárólap-felfüggesztési mechanizmusokban .

Az 1970-es években, a polgári repülőgépek – például a Boeing 747 – tömeggyártásának megkezdésével a titán felhasználása drámaian megnőtt. Csak a Boeing 747-es típusnál több mint 3640 kg titán került felhasználásra, amely az egész repülőgép szerkezeti tömegének körülbelül 28%-át teszi ki . A titánötvözeteket széles körben kezdték el alkalmazni rakétákban, műholdakban és űrhajókban.

A titánötvözetek megmunkálási jellemzői

Először is, a titánötvözetek viszonylag alacsony hővezetőképességgel rendelkeznek – körülbelül csak a acél hővezetőképességének negyede, az alumíniuménak tizenharmada, illetve a rézének huszonötöde a megmunkálás során a hőelvezetés és hűtés ezért hatékonytalan, ami azt eredményezi, hogy magas hőmérséklet koncentrálódik a vágózónában ez deformációt és rugalmas visszaállást okozhat a megmunkálandó alkatrésznél, növeli a vágó nyomatékot, gyorsítja a szerszámél kopását, és jelentősen csökkenti a szerszám élettartamát.

Másodszor, mivel a vágási hő a vágóél közelében koncentrálódik, és nem tud gyorsan elvezetődni, a homlokfelületen lévő súrlódás megnő, nehezítve a forgácseltávolítást, és tovább gyorsítva a szerszám kopását.

Végül magasabb hőmérsékleten a titánötvözetek kémiai aktivitása jelentősen megnő. Hajlamosak reagálni a szerszám anyagával, aminek eredményeként ragadás, diffúzió és épített él képződése jön létre. Ezek a jelenségek szerszámragadáshoz, égéshez vagy töréshez vezethetnek, és súlyosan befolyásolják a megmunkálás minőségét és hatékonyságát.

A megmunkálóközpontok előnyei

A megmunkáló központok egyszerre több alkatrészt is feldolgozhatnak, ami jelentősen növeli a gyártási hatékonyságot. Nagy pontosságuk kiváló termék-egyformaságot biztosít, és a szerszámkiegyenlítési funkciók segítségével a gép saját pontossága teljes mértékben kihasználható.

A megmunkáló központok emellett erős alkalmazkodóképességgel és rugalmassággal rendelkeznek, és könnyedén kezelik az ívmegmunkálást, a lekerekítést és a lekerekített átmeneteket. Még lenyűgözőbb, hogy támogatják a többfunkciós műveleteket , például a marást, fúrást, furatmegmunkálást és menetkészítést – mindezt egyetlen gépen.

Költségkontroll szempontjából a megmunkáló központok lehetővé teszik a pontos költségszámítást és gyártástervezést, megszüntetik a speciális rögzítőberendezések szükségességét, csökkentik az összköltséget, és lerövidítik a gyártási ciklusokat. Emellett jelentősen csökkentik a munkaerő-terhelést és zavartalanul integrálhatók CAM-szoftverekkel, például a UG (NX) többtengelyes megmunkálás végzésére.

Vágószerszámok és hűtőfolyadékok kiválasztása

A megfelelő vágószerszámok és hűtőfolyadékok kiválasztása kritikus fontosságú a titánötvözetek megmunkálásakor. A szerszám anyagának rendelkeznie kell magas merevség és viszlasúrlódási ellenállás az hatékony anyagleválasztás biztosításához. A hűtőfolyadék kiválasztása közvetlenül befolyásolja a megmunkálás minőségét és hatékonyságát – a megfelelő hűtőfolyadékok csökkentik a súrlódást és a vágási hőt, ezzel meghosszabbítják a szerszám élettartamát és javítják a megmunkálás pontosságát.

1. Szerszám anyagára vonatkozó követelmények

• A szerszám keménységének lényegesen magasabbnak kell lennie, mint a titánötvözeteké, hogy hatékony vágás lehessen.
• A szerszámoknak elegendő szilárdsággal és ütésállósággal kell rendelkezniük a nagy nyomaték és vágóerők elviseléséhez.
• Mivel a titánötvözetek rendkívül kemények, a vágóéleknek éleseknek kell maradniuk; ezért kiváló kopásállóságra van szükség a munkadarab keményedésének minimalizálásához.

2. Marógeometria kiválasztása

A titánötvözetek egyedi megmunkálási jellemzői miatt a marógeometria lényegesen eltér a hagyományos szerszámokétól.
A kisebb csavarvonalszög (β) ajánlott a maróhorpadék térfogatának növelésére, a forgácseltávolítás javítására és a hőelvezetés fokozására.

3. Vágási paraméterek kiválasztása

A titánötvözetek megmunkálásakor alacsonyabb vágási sebességeket kell alkalmazni, megfelelő előtolásokkal, ésszerű vágásmélységekkel és szabályozott simítási hozzáadásokkal együtt.

4. Hűtőfolyadék kiválasztása és alkalmazása

Kloridot tartalmazó hűtőfolyadékok elkerülendők, mivel mérgező anyagok képződését, hidrogénkristálytörést és a magas hőmérsékleten fellépő feszültségkorrodíciós repedések kockázatát is csökkentik.
Ajánlott használni szintetikus vízbázisú emulziókat vagy speciálisan összeállított hűtőfolyadékok, amelyek alkalmasak a titánötvözetek megmunkálására.