Titaniumlegeringen in de luchtvaart

Luchttransport is een integraal onderdeel geworden van ons dagelijks leven — of dat nu via luchtvrachtlogistiek is of via reizen met het vliegtuig. Wanneer we naar de lucht kijken en vliegtuigen zien voorbijvliegen, rijst vanzelf de vraag: uit welke materialen zijn vliegtuigen gemaakt die zulke enorme ladingen kunnen vervoeren en op grote hoogte kunnen opereren?
Laten we de materialen onderzoeken die deze opmerkelijke capaciteit mogelijkmaken.

Overzicht van titanium

In 1948 slaagde DuPont erin om sponsvormig titanium op industriële schaal te produceren via het magnesiumreductieproces, wat een belangrijke mijlpaal vormde in de geschiedenis van titaanmaterialen. Sindsdien zijn titaanlegeringen vanwege hun uitstekende fysieke eigenschappen op grote schaal toegepast in diverse industrieën, waaronder hoge specifieke sterkte, uitstekende corrosieweerstand en superieure hittebestendigheid .

Opmerkelijk is dat titanium een veelvoorkomend element is in de aardkorst en op de negende plaats staat qua totale abundantie , wat ver boven ligt ten opzichte van veelgebruikte metalen zoals koper, zink en tin. Het komt wijdverspreid voor in vele soorten gesteenten, met name in zand en klei, waar de reserves bijzonder groot zijn.

Eigenschappen van titanium

Titanium vertoont een reeks uitzonderlijke eigenschappen, waaronder hoge sterkte, hoge thermische sterkte, uitstekende corrosieweerstand, voortreffelijke prestaties bij lage temperaturen en sterke chemische activiteit .

Specifiek is de sterkte van titanium verreweg hoger dan die van aluminiumlegeringen, magnesiumlegeringen en roestvast staal, waardoor het een van de meest uitmuntende constructiemetalen is. Titaniumlegeringen presteren ook uitzonderlijk goed bij verhoogde temperaturen, met bedrijfstemperaturen die aanzienlijk hoger zijn dan die van aluminiumlegeringen, en kunnen op lange termijn hun prestaties behouden bij 450–500 °C .

Bovendien toont titanium uitstekende weerstand tegen zuren, alkaliën en atmosferische corrosie, met name een sterke weerstand tegen putcorrosie en spanningscorrosiebreuk . Bij lage temperaturen behouden titaniumlegeringen zoals TA7 goede taaiheid en mechanische eigenschappen, zelfs bij temperaturen zo laag als –253 °C .

Titanium vertoont echter een hoge chemische reactiviteit bij verhoogde temperaturen en kan gemakkelijk reageren met gassen zoals waterstof en zuurstof in de lucht, waarbij geharde oppervlaktelagen ontstaan. Bovendien hebben titaniumlegeringen een relatief lage thermische geleidbaarheid—ongeveer één vierde van die van nikkel, één vijfde van die van ijzer en één veertiende van die van aluminium —terwijl hun elasticiteitsmodulus ongeveer de helft is van die van staal . Deze eigenschappen maken titanium onmisbaar in talloze geavanceerde technische toepassingen.

Indeling en toepassingen van titaniumlegeringen

Titaniumlegeringen kunnen op basis van hun toepassingen worden ingedeeld in hittebestendige legeringen, hoogsterkte-legeringen, corrosiebestendige legeringen (zoals Ti-Mo- en Ti-Pd-legeringen), lage-temperatuurlegeringen , en speciale functionele legeringen , inclusief titanium-ijzer waterstofopslagmaterialen en titanium-nikkel vormgeheugenlegeringen.

Hoewel de toepassingsgeschiedenis van titaniumlegeringen relatief kort is, heeft hun uitstekende prestaties hen talloze onderscheidingen opgeleverd, waaronder de titel „ruimtemetaal”. Deze benaming is gebaseerd op hun lage gewicht, hoge sterkte en uitstekende weerstand tegen hoge temperaturen, waardoor ze ideaal zijn als materiaal voor vliegtuigen en ruimtevaartuigen.

Momenteel wordt ongeveer drie kwart van de wereldwijde productie van titanium en titaniumlegeringen gebruikt in de lucht- en ruimtevaartsector , waarbij vele onderdelen die ooit van aluminiumlegeringen werden gemaakt, nu worden vervangen door titaniumlegeringen.

Toepassingen in de luchtvaart

Titaniumlegeringen zijn essentiële materialen bij de fabricage van vliegtuigen en motoren. Ze worden veelvuldig toegepast in gesmede ventilatoronderdelen, compressorplaten en -bladen, motorbehuizingen en uitlaatsystemen , evenals structurele onderdelen zoals frames en scheepswanden .

In lucht- en ruimtevaarttoepassingen maken de hoge specifieke sterkte, corrosiebestendigheid en prestaties bij lage temperaturen van titaniumlegeringen deze legeringen ideaal voor drukvaten, brandstoftanks, bevestigingsmiddelen, instrumentbanden, structurele frames en raketmantels . Lasverbindingen van titaniumlegeringsplaten worden op grote schaal gebruikt in kunstmatige satellieten, maanmodules, bemande ruimtevaartuigen en spaceshuttles .

In 1950 paste de Verenigde Staten titaniumlegeringen voor het eerst toe in de F-84 jachtbommenwerper , waarbij ze werden gebruikt voor niet-dragende onderdelen zoals warmteafscherming aan de achterzijde van het rompdeel, luchtkanalen en staartstromlijningen. Vanaf de jaren 1960 werden titaniumlegeringen uitgebreid van toepassingen in het achterste rompdeel naar het middenrompdeel, waarbij ze gedeeltelijk structureel staal vervangen in scheepswanden, balken en klepgeleidingen .

Tegen de jaren zeventig, met de massaproductie van civiele vliegtuigen zoals de Boeing 747 , nam het gebruik van titanium sterk toe. Alleen al de Boeing 747 gebruikte meer dan 3.640 kg titanium , wat ongeveer 28% van het structurele gewicht van het vliegtuig vertegenwoordigt. Titaniumlegeringen werden ook op grote schaal gebruikt in raketten, satellieten en ruimtevaartuigen.

Bewerkingskenmerken van titaniumlegeringen

Ten eerste hebben titaniumlegeringen een relatief lage thermische geleidbaarheid—slechts ongeveer één vierde van die van staal, één dertiende van die van aluminium en één vijfentwintigste van die van koper tijdens het bewerken is de warmteafvoer en koeling daarom ondoeltreffend, wat leidt tot hoge temperaturen die geconcentreerd zijn in de snijzone . Dit kan vervorming van het werkstuk en elastische terugveerkracht veroorzaken, het snijmoment verhogen, de slijtage van de snijkant van het gereedschap versnellen en de gereedschapslevensduur aanzienlijk verminderen.

Ten tweede neemt door de concentratie van snijwarmte nabij de snijkant — en de daardoor beperkte mogelijkheid tot snelle warmteafvoer — de wrijving op het spanvlak toe, waardoor de spaanafvoer moeilijker wordt en de gereedschapsverslet nog verder versneld wordt.

Ten slotte neemt de chemische activiteit van titaniumlegeringen bij verhoogde temperaturen sterk toe. Ze hebben de neiging om te reageren met het gereedschapsmateriaal, wat resulteert in aanhechting, diffusie en vorming van een opgebouwde snijkant . Deze verschijnselen kunnen leiden tot vastlopen, verbranding of breuk van het gereedschap en beïnvloeden de bewerkingskwaliteit en -efficiëntie ernstig negatief.

Voordelen van bewerkingscentra

Bewerkingscentra kunnen meerdere onderdelen gelijktijdig bewerken, wat de productie-efficiëntie aanzienlijk verbetert. Hun hoge precisie waarborgt uitstekende productconsistentie en dankzij functies voor gereedschapscompensatie kan de inherente nauwkeurigheid van de machine volledig worden benut.

Bewerkingscentra bieden ook sterke aanpasbaarheid en flexibiliteit , waardoor ze eenvoudig boogbewerkingen, afschuiningen en afrondingen kunnen uitvoeren. Indrukwekkender nog is dat ze multifunctionele bewerkingen ondersteunen, waaronder frezen, boren, boringen en taps maken — allemaal op één machine.

Vanuit een kostenbeheerperspectief stellen bewerkingscentra nauwkeurige kostprijsberekeningen en productieplanning in staat, elimineren ze de noodzaak van gespecialiseerde spanmiddelen, verlagen ze de totale kosten en verkorten ze de productiecycli. Ze verminderen de arbeidsintensiteit aanzienlijk en kunnen naadloos worden geïntegreerd met CAM-software zoals UG (NX) om bewerkingen met meerdere assen uit te voeren.

Selectie van snijgereedschappen en koelvloeistoffen

De selectie van geschikte snijgereedschappen en koelvloeistoffen is cruciaal bij de bewerking van titaniumlegeringen. De gereedschapsmaterialen moeten hoge Hardheid en Slijtageverzet om een efficiënte materiaalverwijdering te waarborgen. De keuze van de koelvloeistof heeft directe invloed op de kwaliteit en efficiëntie van de bewerking: geschikte koelvloeistoffen verminderen wrijving en snijwarmte, verlengen de levensduur van het gereedschap en verbeteren de nauwkeurigheid van de bewerking.

1. Eisen aan het gereedschapsmateriaal

• De hardheid van het gereedschap moet aanzienlijk hoger zijn dan die van titaniumlegeringen om effectief te kunnen snijden.
• De gereedschappen moeten voldoende sterkte en taaiheid bezitten om hoge koppel- en snijkrachten te weerstaan.
• Gezien de hoge taaiheid van titaniumlegeringen moet de snijkant scherp blijven; daarom is uitstekende slijtvastheid vereist om werkverharding tot een minimum te beperken.

2. Selectie van de geometrie van freesgereedschappen

Vanwege de unieke bewerkingskenmerken van titaniumlegeringen verschilt de geometrie van freesgereedschappen aanzienlijk van die van conventionele gereedschappen.
Een kleinere spiraalhoek (β) wordt aanbevolen om het freestandvolume te vergroten, de spaanafvoer te verbeteren en de warmteafvoer te verbeteren.

3. Keuze van snijparameters

Bij het bewerken van titaniumlegeringen lagere snijsnelheden moeten worden gebruikt, in combinatie met geschikte voedingssnelheden, redelijke snijdieptes en gecontroleerde afwerktoeslagen.

4. Keuze en toepassing van koelvloeistof

Koelvloeistoffen die chloor bevatten, moeten worden vermeden om de vorming van giftige stoffen en waterstofverbrokkeling te voorkomen, evenals om het risico op spanningscorrosiescheuring bij verhoogde temperaturen te verminderen.
Het wordt aanbevolen om synthetische wateroplosbare emulsies of speciaal geformuleerde koelvloeistoffen die geschikt zijn voor het bewerken van titaniumlegeringen.