Titanāja sakausējumi aviācijā

Gaisa transports ir kļuvis par neatņemamu ikdienas dzīves sastāvdaļu — vai nu caur gaisa kravu loģistiku, vai arī ceļojot ar lidmašīnu. Kad mēs paceļam acis uz debesīm un vērojam lidmašīnas, kas lido augšup, rodas dabiskā jautājums: no kādiem materiāliem tiek būvētas lidmašīnas, lai tās varētu pārvadāt tik milzīgas kravas un darboties augstās altitūdās?
Apskatīsim materiālus, kas stāv šīs izcilās spējas pamatā.

Titanāja pārskats

1948. gadā DuPont veiksmīgi sasniedza putu titāna rūpniecisko ražošanu, izmantojot magnija redukcijas procesu, kas bija būtisks milzīgs solis titāna materiālu vēsturē. Kopš tā laika titāna sakausējumi tiek plaši izmantoti dažādās nozarēs, jo tiem piemīt izcilas fizikālās īpašības, tostarp augsta īpatnējā stiprība, lieliska korozijas izturība un augsta karstumizturība .

Interesanti, ka titāns ir bagātīgs elements Zemes garozā, kur tas aizņem devīto vietu pēc kopējās izplatības , kas ir daudz vairāk nekā parastajiem metāliem, piemēram, varš, cinks un alva. Tas ir plaši izplatīts dažādu veidu akmeņos, īpaši smiltīs un mālā, kur rezerves ir īpaši lielas.

Titāna īpašības

Titānam piemīt vairākas izcilas īpašības, tostarp augsta stiprība, augsta termiskā stiprība, lieliska korozijas izturība, izcilas zemtemperatūras ekspluatācijas īpašības un spēcīga ķīmiskā aktivitāte .

Precīzi sakot, titāna izturība ir daudz augstāka nekā alumīnija sakausējumu, magnija sakausējumu un nerūsējošā tērauda, tāpēc tas ir viens no izcilākajiem konstrukcijas metāliem. Titāna sakausējumi arī ļoti labi darbojas augstās temperatūrās, to ekspluatācijas temperatūras ir ievērojami augstākas nekā alumīnija sakausējumu, un tie spēj uzturēt ilgstošu darbību pie 450–500 °C .

Turklāt titāns izrāda lielisku pretestību skābēm, sārmiem un atmosfēriskai korozijai, īpaši izcilu pretestību punktu korozijai un stresa korozijas plaisāšanai zemās temperatūrās titāna sakausējumi, piemēram, TA7 saglabā labu plastiskumu un mehāniskās īpašības pat temperatūrās līdz –253 °C .

Tomēr titāns augstās temperatūrās izrāda augstu ķīmisko reaktivitāti un viegli reaģē ar gaisā esošiem gāzveida elementiem, piemēram, ūdeņradi un skābekli, veidojot cietinātas virsmas kārtas. Turklāt titāna sakausējumiem ir salīdzinoši zema siltumvadītspēja — aptuveni ¼ no niķeļa, 1/5 no dzelzs un 1/14 no alumīnija —kamēr to elastības modulis ir aptuveni puse no tērauda . Šīs īpašības padara titānu neatņemamu daudzās modernās inženierzinātnes jomās.

Titanija sakausējumu klasifikācija un pielietojums

Titanija sakausējumus pēc to pielietojuma var klasificēt kā karstumizturīgos sakausējumus, augstas izturības sakausējumus, korozijai izturīgos sakausējumus (piemēram, Ti-Mo un Ti-Pd sakausējumus), zema temperatūra izturīgos sakausējumus , un speciālos funkcionālos sakausējumus , tostarp titāna–dzelzs ūdeņraža uzglabāšanas materiālus un titāna–niķeļa formas atgūšanas sakausējumus.

Lai arī titāna sakausējumu pielietojuma vēsture ir salīdzinoši īsa, to izcilās īpašības ir nodrošinājušas daudzas atzinības, no kurām viena ir nosaukums „kosmosa metāls.” Šis nosaukums ir radies no to viegluma, augstās izturības un lieliskās izturības pret augstām temperatūrām, kas padara tās par ideāliem materiāliem lidmašīnām un kosmosa kuģiem.

Pašlaik aptuveni trīs ceturtdaļas no pasaules titāna un titāna sakausējumu ražošanas tiek izmantotas aviācijas un kosmosa nozarē , un daudzi komponenti, kuri agrāk tika izgatavoti no alumīnija sakausējumiem, tagad tiek aizvietoti ar titāna sakausējumiem.

Aviācijas pielietojumi

Titāna sakausējumi ir būtiski materiāli lidmašīnu un dzinēju ražošanā. To plaši izmanto kaltos ventilatora komponentos, kompresora disku un lāpstiņu daļās, dzinēja korpusos, izplūdes sistēmās , kā arī strukturāli komponenti, piemēram, rāmji un starpsienas .

Aerosaimniecības pielietojumos titāna saklāju augstā īpatnējā izturība, korozijas izturība un zemtemperatūras ekspluatācijas īpašības tos padara ideālus spiediena traukiem, degvielas tvertnēm, skrūvēm, instrumentu stiprinājumiem, strukturāliem rāmjiem un raķešu korpusiem titāna saklāju loksnes metinājumi ir plaši izmantoti mākslīgajos pavadoņos, Mēness moduļos, apdzīvotajos kosmosa aparātos un kosmosa raķetēs .

1950. gadā ASV pirmoreiz izmantoja titāna saklājus F-84 cīnītāj-bumbmetējā , izmantojot tos neslogojošiem komponentiem, piemēram, aizmugurējā korpusa karstuma aizsargiem, gaisa kanāliem un astes pārklājumiem. No 1960. gadiem titāna saklāji tika paplašināti no aizmugurējā korpusa lietojumiem uz vidējo korpusu, daļēji aizstājot konstrukcijas tēraudu starpsienās, sijās un spārnu lāpstiņu vadītājos .

1970. gados, ar civilo lidaparātu, piemēram, Boeing 747 , masveidīgo ražošanu titāna izmantošana dramatiski pieauga. Vienīgi Boeing 747 izmantoja vairāk nekā 3640 kg titāna , kas veido aptuveni 28 % no lidaparāta konstruktīvās masas . Titāna sakausējumi kļuva arī plaši izmantoti raķetēs, pavadoņos un kosmosa kuģos.

Titāna sakausējumu apstrādes īpašības

Pirmkārt, titāna sakausējumiem ir salīdzinoši zema siltumvadītspēja — tikai aptuveni ceturtdaļa no tērauda, viena trešdaļa no alumīnija un viena divdesmitpiektā daļa no vara apstrādē siltuma izvadīšana un dzesēšana tāpēc ir neefektīva, kas rada augstas temperatūras, kas koncentrējas griešanas zonā . Tas var izraisīt apstrādājamās detaļas deformāciju un elastīgo atjaunošanos, palielināt griešanas momentu, paātrināt rīka asmeņa nodilumu un ievērojami samazināt rīka kalpošanas laiku.

Otrkārt, tā kā griešanas siltums koncentrējas tuvu griešanas malai un nevar ātri izvadīties, priekšējās virsmas berze palielinās, kas padara strupu izvadīšanu grūtāku un vēl vairāk paātrina rīka nodilumu.

Beidzot, augstākās temperatūrās titāna sakausējumu ķīmiskā aktivitāte ievērojami palielinās. Tie tendē reaģēt ar rīka materiāliem, radot līmēšanos, difūziju un uzkrāto malu veidošanos . Šie parādības var izraisīt rīka pielipšanu, pārkarsēšanos vai lūšanu, būtiski ietekmējot apstrādes kvalitāti un efektivitāti.

Apstrādes centru priekšrocības

Apstrādes centri var apstrādāt vairākus komponentus vienlaikus, tādējādi ievērojami uzlabojot ražošanas efektivitāti. To augstā precizitāte nodrošina lielisku produkta vienveidību, un, izmantojot rīku kompensācijas funkcijas, mašīnas rīka iebūvēto precizitāti var pilnībā izmantot.

Apstrādes centri piedāvā arī spēcīgu pielāgojamību un elastīgumu , viegli apstrādājot loka formas virsmas, fasējumus un noapaļotus pārejas posmus. Vēl ievērojamāk ir tas, ka tie atbalsta daudzfunkcionālas operācijas , tostarp frēzēšanu, urbšanu, caurumu paplašināšanu un vītņošanu — visu vienā mašīnā.

No izmaksu kontroles viedokļa apstrādes centri ļauj veikt precīzu izmaksu uzskaiti un ražošanas plānošanu, novērš specializētu stiprinājumu nepieciešamību, samazina kopējās izmaksas un saīsina ražošanas ciklus. Tie arī būtiski samazina darba intensitāti un var bez šķēršļiem integrēties ar CAM programmatūru, piemēram, UG (NX) veikt daudzassu apstrādi.

Griešanas instrumentu un dzesēšanas šķidrumu izvēle

Titanija sakausējumu apstrādē ļoti svarīga ir piemērotu griešanas instrumentu un dzesēšanas šķidrumu izvēle. Instrumentu materiāliem jābūt ar augsta cietība un nodilumizturība lai nodrošinātu efektīvu materiāla noņemšanu. Dzesēšanas šķidruma izvēle tieši ietekmē apstrādes kvalitāti un efektivitāti — pareizi dzesēšanas šķidrumi samazina berzi un griešanas siltumu, pagarinot instrumentu kalpošanas laiku un uzlabojot apstrādes precizitāti.

1. Instrumentu materiāla prasības

• Instrumentu cietībai jābūt ievērojami augstākai nekā titanija sakausējumiem, lai būtu iespējama efektīva griešana.
• Instrumentiem jābūt pietiekami stipriem un izturīgiem, lai izturētu augstus vērpes momentus un griešanas spēkus.
• Ņemot vērā titanija sakausējumu augsto izturību, griešanas malām jāpaliek asām; tāpēc nepieciešama lieliska nodilumizturība, lai minimizētu materiāla sacietēšanu.

2. Galvgriežu ģeometrijas izvēle

Ņemot vērā titanija sakausējumu unikālās apstrādes īpašības, galvgriežu ģeometrija atšķiras ievērojami no parastajiem instrumentiem.
A mazāks spirāles leņķis (β) ir ieteicams, lai palielinātu urbuma tilpumu, uzlabotu skapju izvadīšanu un uzlabotu siltuma izkliedi.

3. Griešanas parametru izvēle

Apstrādājot titāna sakausējumus, jāizmanto zemākas griešanas ātrums kopā ar piemērotiem padziņas ātrumiem, racionāliem griešanas dziļumiem un kontrolētiem nobeiguma pieskaitījumiem.

4. Dzesētāja izvēle un lietošana

Jāizvairās no dzesētājiem, kas satur hloru, lai novērstu toksisko vielu veidošanos un ūdeņraža krišanu, kā arī samazinātu sprieguma korozijas plaisu risku augstās temperatūrās.
Ieteicams izmantot sintētiskas ūdenī šķīstošas emulsijas vai īpaši izstrādāti dzesētāji, kas piemēroti titāna sakausējumu apstrādei.