Сплавי טיטניום באביאציה

הטיסה הפכה לחלק בלתי נפרד מחיינו היומיומיים — בין אם דרך לוגיסטיקת מטענים או בנסיעה במטוס. כשאנחנו מסתכלים לשמיים ורואים מטוסים עפים מעלינו, עולה שאלה טבעית: אילו חומרים משמשים לבניית המטוסים שיכולים לשאת עומסים כה עצומים ולפעול בגבהים גבוהים?
בואו נחקור את החומרים שעומדים מאחורי יכולת יוצאת דופן זו.

סקירה כללית של טיטניום

ב-1948 הצליחה חברת דופונט לייצר טיטניום ספוגי בתהליך הידרוכן המגנזיום בייצור תעשייתי, מה שסימן ציון דרך חשוב בהיסטוריה של חומרי הטיטניום. מאז, יישומים של סגסוגות טיטניום התפשטו ברוב תחומי התעשייה בשל תכונות הפיזיות המרשימות שלהן, כולל עוצמה סגולית גבוהה, עמידות קורוזיבית מעולה ועמידות حرارية מمتازה .

לשם הבהרה, הטיטניום הוא יסוד נפוץ בקרום כדור הארץ, ועומד במקום התשיעי מבחינת הנפוצה הכוללת , מה שמעל פי כמה ממתכות נפוצות כמו נחושת, אבץ וקרש. הוא מופץ באופן רגיל בסוגים רבים של סלעים, ובמיוחד בחול ובחמר, שבהם כמויות המאגרים הן גדולות במיוחד.

מאפייני הטיטניום

לטיטניום יש טווח תכונות יוצאות דופן, ביניהן עוצמה גבוהה, עמידות حرارية גבוהה, עמידות קורוזיבית מעולה, ביצועים מצוינים בטמפרטורות נמוכות ופעילות כימית חזקה .

במיוחד, עוצמת הטיטניום עולה בהרבה על זו של סגסוגות אלומיניום, סגסוגות מגנזיום ופלדות נירוסטה, מה שהופך אותו לאחד המתכות המבניות המרשימות ביותר. סגסוגות טיטניום מפגינות גם ביצועים יוצאי דופן בטמפרטורות גבוהות, כאשר טמפרטורת הפעולה שלהן גבוהה משמעותית מזו של סגסוגות אלומיניום, ויוכלו לשמור על ביצועים יציבים לאורך זמן ב 450–500° צלזיוס .

בנוסף, הטיטניום מפגין התנגדות מעולה לחומצות, לבסיסים ולתהליך הקורוזיה האטמוספרית, ובמיוחד מפגין התנגדות חזקה ל קורוזיה קווית (Pitting Corrosion) ולקריסת קורוזיה תחת מתח (Stress Corrosion Cracking) . בטמפרטורות נמוכות, סגסוגות טיטניום כגון TA7 משמרות דקיקות טובה ותכונות מכניות טובות, אפילו בטמפרטורות נמוכות כמו 253-° צלזיוס .

עם זאת, הטיטניום מפגין ריאקטיביות כימית גבוהה בטמפרטורות גבוהות, ויכול להגיב בקלות עם גזים כגון מימן וחמצן באוויר, תוך יצירת שכבות שטח קשה. יתרה מכך, לקoeffיציינט הולכה החום של סגסוגות טיטניום ערך נמוך יחסית — בערך רבע מזה של ניקל, חמישית מזה של ברזל וארבעה עשריות מזה של אלומיניום —בעוד מודולוס האלסטי שלהם הוא בערך מחצית מזה של פלדה . מאפיינים אלו הופכים את הטיטניום ללא חלופי בתחומים רבים של יישומי הנדסה מתקדמים.

סיווג ויישומים של סגסוגות טיטניום

סגסוגות טיטניום ניתן לסווג לפי היישומים שלהן ל- сплавы, مقاومים לחום, ספליות בעוצמה גבוהה, ספליות עמידות לקלקול (כגון סגסוגות Ti-Mo ו-Ti-Pd), סגסוגות לטמפרטורות נמוכות , ו סגסוגות פונקציונליות מיוחדות ,כולל חומרי אחסון מימן טיטניום–ברזל וספיגות זיכרון צורה של טיטניום–ניקל.

אף על פי שהתולדות של יישום סגסוגות הטיטניום הן יחסית קצרות, הביצועים המרשימים שלהן הכניסו אותן למספר רב של תחומים מיוחדים, אחד מהם הוא הכינוי „מתכת חלל.” כינוי זה נובע ממשקלם הקל, חוזקם הגבוה והתנגדותם המمتازה לטמפרטורות גבוהות, מה שהופך אותן לחומרים אידיאליים למטוסים ולכלי רכב חלליים.

בזמן זה, כ- שלושת רבעי ייצור הטיטניום והסגסוגות שלו ברחבי העולם משמשים בתחום האסטרונאוטיקה , ורבים מהרכיבים שהיו בעבר עשויים מסגסוגות אלומיניום מוחלפים כיום בסגסוגות טיטניום.

יישומים באווירנאות

סגסוגות טיטניום הן חומרים קריטיים בייצור מטוסים ומנועים. הן בשימוש נרחב ב- רכיבי מאוורר מוצקים, דיסקות ולהבי מדחס, גופי מנוע, מערכות פליטה , וכן רכיבי מבנה כגון מסגרות ומחיצות .

בישומים באסטרונאוטיקה, העוצמה הספציפית הגבוהה, התנגדות הקורוזיה והביצועים בטמפרטורות נמוכות של סגסוגות הטיטניום הופכים אותן למתאימות במיוחד ל מיכלים לחץ, מיכלי דלק, חיבורים, רצועות מכשירים, מסגרות מבניות ומעטפות טילים . רכיבי ריתוך של דפי סגסוגת טיטניום משמשים בקנה מידה רחב ב לוויינים מלאכותיים, מודולים ירחיים, חלליות מאוישות ואוטובוסי חלל .

ב-1950, ארצות הברית הכניסה לראשונה סגסוגות טיטניום ל המפציץ-לוחם F-84 , ושימשה אותן ברכיבים שאינם נושאים עומס, כגון מגנים נגד חום בחלק האחורי של גוף המטוס, צינורות אויר ומכסים זנביים. החל משנות ה-60 של המאה העשרים, התרחבה תחום השימוש בסגסוגות טיטניום מהחלק האחורי של גוף המטוס אל חלק הגוף האמצעי, ובמקביל החלו להחליף באופן חלקי את הפלדה המבנית ב מחיצות, קרשים ומסלולי כנפיים .

עד שנות ה-70 של המאה העשרים, עם ייצור ההמוניות של מטוסים אזרחיים כגון ה בוינג 747 , עלה השימוש בטיטניום באופן דרמטי. לבדו, הבוינג 747 השתמש במעל 3,640 ק"ג טיטניום , מה שהוותר כ- 28% ממשקל המבנה של המטוס . סגסוגות טיטניום הפכו גם הן לשימוש נרחב בחלקי רקטות, לוויינים וחלליות.

מאפייני עיבוד סגסוגות טיטניום

ראשית, לסגסוגות הטיטניום יש מוליכות תרמית יחסית נמוכה — רק כ- רבע ממוליכות התרמית של פלדה, אחד עשר עשרה ממוליכות התרמית של אלומיניום, ואחד עשרים וחמישה ממוליכות התרמית של נחושת . במהלך הפעולה המיכון, פיזור החום והקירור אינם יעילים, מה שמוביל ל טמפרטורות גבוהות המרוכזות באזור החיתוך . מצב זה עלול לגרום לעיוות של החלק המעובד ולשיקום אלסטי, להגביר את מומנט החיתוך, להאיץ את ההתעכבות של שפת הכלים, ולפחת באופן משמעותי את משך חייו של הכלי.

שנית, מאחר שחום החיתוך מרוכז ליד שפת החיתוך ולא יכול להתפזר במהירות, החיכוך על פני השטח הקדמי של הכלי עולה, מה שהופך את הסילוק של הגרגרים לקשה יותר ומאיץ עוד יותר את ההתעכבות של הכלי.

לבסוף, בטמפרטורות גבוהות, הפעילות הכימית של סגסוגות הטיטניום עולה באופן משמעותי. הן נוטות לתקשר עם חומרי הכלים, מה שמביא ל הדבקה, דיפוזיה ויצירת קצה מחוספס . תופעות אלו עלולות לגרום לדביקות הכלים, לשריפה או לשבירה, ולהשפיע קשות באיכות וביעילות הפעולה המיכון.

יתרונות מרכזי המיכון

מרכזי עיבוד יכולים לעבד מספר רכיבים בו זמנית, מה שמשפר משמעותית את יעילות הייצור. הדיוק הגבוה שלהם מבטיח עקביות מעולה של המוצרים, ובאמצעות פונקציות היערכות הכלים ניתן לנצל במלואו את הדיוק הפנימי של מכונת העיבוד.

מרכזי עיבוד מציעים גם התאמה וגמישות חזקות , ויכולים להתמודד בקלות עם עיבוד קשתות, קציצה (שיפועי קצוות) ומעבר לקליפות מעוגלות. מרשימים אף יותר הם התמיכה שלהם ב- פעולות רב-פונקציונליות , כולל חריטה, קידוח, הרחבה וחריצת חוט — כולם על מכונה אחת.

מנקודת מבט של בקרת עלויות, מרכזי עיבוד מאפשרים חשבונאות מדויקת של עלויות ותכנון ייצור, מסירים את הצורך בתבניות מיוחדות, מקטינים את העלויות הכוללות ומקצרים את מחזורי הייצור. בנוסף, הם מקטינים במידה רבה את עוצמת העבודה האנושית ומתוכנים להשתלב ללא הפרעה עם תוכנות CAM כגון UG (NX) לבצע עיבוד רב-צירי.

בחירת כלים חותכים ונוזלי קירור

בחירת כלים חותכים ונוזלי קירור מתאימים היא קריטית בעת עיבוד סגסוגות טיטניום. חומרי הכלים חייבים להפגין קשיות גבוהה ועמידות בפני שחיקה כדי לאפשר הסרה יעילה של חומר. בחירת נוזל הקירור משפיעה ישירות על איכות ויעילות העיבוד — נוזלי קירור מתאימים מפחיתים את החיכוך ואת חום החיתוך, מאריכים את חיי הכלים ושופרים את דיוק העיבוד.

1. דרישות לחומר הכלים

• קשיחות הכלים חייבת להיות גבוהה בהרבה מקשיחות סגסוגות הטיטניום כדי לאפשר חיתוך יעיל.
• הכלים חייבים להפגין חוזק ועמידות מספיקים כדי לעמוד במומנט גבוה וכוחות החיתוך.
• בשל העמידות הגבוהה של סגסוגות הטיטניום, שפת החיתוך חייבת להישאר חדה; לפיכך נדרשת עמידות מעולה לבלאי כדי למזער את הקשיחות המושרית בעיבוד.

2. בחירת גאומטריית מסר חיתוך

בשל מאפייני העיבוד הייחודיים של סגסוגות טיטניום, הגאומטריה של מסרי החיתוך שונה באופן מהותי מכלי החיתוך הרגילים.
א זווית הליקס קטנה יותר (β) מומלצת כדי להגדיל את נפח החריצים, לשפר את הסילוק של הגרגרים ולשפר את פיזור החום.

3. בחירת פרמטרי חיתוך

בעת עיבוד סגסוגות טיטניום, سرعات חיתוך נמוכות אמורים לשמש בשילוב עם קצב הזנה מתאימה, עומק חיתוך סביר ומרחיק גימור מבוקר.

4. בחירת נוזל קירור והחלת אותו

יש להימנע משימוש בנוזלי קירור שמכילים כלור, כדי למנוע היווצרות חומרים רעילים וריכוך מימני, וכן כדי להפחית את הסיכון לתקיעת קורוזיה מתחית בטמפרטורות גבוהות.
מומלץ להשתמש ב- אמולסיות סינטטיות מסיסות במים או נוזלי קירור מיוחדים שפותחו במיוחד לעיבוד סגסוגות טיטניום.