Titanlegeringer i luftfart

Lufttransport har blitt en integrert del av vårt daglige liv – enten gjennom luftfraktlogistikk eller reiser med fly. Når vi ser opp mot himmelen og ser fly som svever over hodet vårt, dukker det naturligvis opp et spørsmål: hvilke materialer brukes til å bygge fly som kan bære så massive laster og operere ved høye høyder?
La oss utforske materialene bak denne bemerkelsesverdige evnen.

Oversikt over titan

I 1948 lykkes DuPont med å oppnå industriell produksjon av svampet titan ved hjelp av magnesiumreduksjonsprosessen, noe som markerte en viktig milepæl i historien til titanmaterialer. Siden da har titanlegeringer blitt bredt anvendt i ulike industrier på grunn av deres fremragende fysiske egenskaper, inkludert høy spesifikk styrke, utmerket korrosjonsbestandighet og fremragende varmebestandighet .

Merkelig nok er titan et rikelig forekommende grunnstoff i jordkronen og rangerer på niende plass når det gjelder total forekomst , langt over vanlig brukte metaller som kobber, sink og tinn. Det er vidt utbredt i mange typer bergarter, spesielt i sand og leire, der reservene er spesielt omfattende.

Egenskaper til titan

Titan viser en rekke bemerkelsesverdige egenskaper, inkludert høy styrke, høy termisk styrke, utmerket korrosjonsbestandighet, fremragende lavtemperaturytelse og stor kjemisk reaktivitet .

Spesielt er styrken til titan langt høyere enn den til aluminiumlegeringer, magnesiumlegeringer og rustfritt stål, noe som gjør det til ett av de mest fremragende strukturmetallene. Titanlegeringer presterer også utmerket ved økte temperaturer, med driftstemperaturer som er betydelig høyere enn de til aluminiumlegeringer, og kan opprettholde langvarig ytelse ved 450–500 °C .

I tillegg viser titan utmerket motstand mot syrер, baser og atmosfærisk korrosjon, og viser spesielt sterk motstand mot punktformet korrosjon og spenningskorrosjonsrevner . Ved lave temperaturer beholder titanlegeringer som TA7 god duktilitet og mekaniske egenskaper, selv ved temperaturer så lave som –253 °C .

Titan viser imidlertid høy kjemisk reaktivitet ved økte temperaturer og kan lett reagere med gasser som hydrogen og oksygen i luften, og derved danne herdede overflateflater. Videre har titanlegeringer en relativt lav varmeledningsevne – omtrent en fjerdedel av det til nikkel, en femtedel av det til jern og en fjortendedel av det til aluminium —mens deres elastisitetsmodul er omtrent halvparten av stålets . Disse egenskapene gjør titan uunnværlig i mange avanserte ingeniøranvendelser.

Klassifisering og anvendelser av titanlegeringer

Titanlegeringer kan klassifiseres etter bruksområde i varmebestandige legeringer, høyfesteg legeringer, korrosjonsbestandige legeringer (for eksempel Ti-Mo- og Ti-Pd-legeringer), lavtemperaturlegeringer , og spesielle funksjonelle legeringer , inkludert titanium-jern-hydrogenlagringsmaterialer og titanium-nikkel-formminnelegeringer.

Selv om bruken av titanlegeringer har en relativt kort historie, har deres fremragende egenskaper innbrakt dem mange utmerkelser, blant annet tittelen «rommetallet». Denne betegnelsen skyldes deres lave vekt, høye fasthet og utmerkede motstandsevne ved høye temperaturer, noe som gjør dem til ideelle materialer for luftfartøy og romfartøy.

I dag utgjør ca. tre-firedeles av den globale produksjonen av titan og titanlegeringer anvendelsen i luft- og romfartssektoren , og mange komponenter som tidligere ble fremstilt av aluminiumslegeringer erstattes nå av titanlegeringer.

Anvendelse innen luftfart

Titanlegeringer er kritiske materialer i produksjonen av luftfartøy og motorer. De brukes mye i smiede ventilkomponenter, kompressorskiver og -blader, motorkarosserier og utslippsystemer , samt strukturelle komponenter som rammer og tverrskott .

I luft- og romfartsanvendelser gjør den høye spesifikke fastheten, korrosjonsbestandigheten og lavtemperaturytelsen til titanlegeringer dem ideelle for trykkbeholdere, drivstofftanker, festeskruer, instrumentbånd, strukturelle rammer og rakettskall . Sveisede konstruksjoner av titanlegeringsplater brukes omfattende i kunstige satellitter, månelandingsmoduler, bemannede romfartøy og romferger .

I 1950 brukte USA for første gang titanlegeringer på F-84-jaktbombeflyet , der de ble brukt til ikke-bærende komponenter som varmeskjold for bakre fuselasje, luftkanaler og strømlinjeformete belegg for halen. Fra 1960-tallet utvidet bruken av titanlegeringer seg fra applikasjoner i bakre fuselasje til midtfuselasje, hvor de delvis erstattet strukturstål i tverrskott, bjelker og klafflager .

I 1970-årene, med masseproduksjonen av sivile fly som for eksempel Boeing 747 , økte bruken av titan kraftig. Kun Boeing 747 brukte mer enn 3 640 kg titan , noe som utgjorde ca. 28 % av flyets strukturelle vekt . Titanlegeringer ble også omfattende brukt i raketter, satellitter og romfartøyer.

Skråningskarakteristika for titanlegeringer

For det første har titanlegeringer en relativt lav varmeledningsevne – bare ca. en fjerdedel av stålets, en trettendedel av aluminiums og en tjuefemtedel av kobbers under bearbeiding er derfor varmeavledning og kjøling ineffektive, noe som fører til høye temperaturer konsentrert i skjæresonen . Dette kan føre til deformasjon av arbeidsstykket og elastisk gjenoppretting, øke skjærekraftmomentet, akselerere slitasje på verktøykanten og redusere verktøyets levetid betydelig.

For det andre øker friksjonen på fremsiden av verktøyet fordi skjærevarmen er konsentrert nær skjærekanten og ikke kan avledes raskt nok, noe som gjør spånutkastet vanskeligere og ytterligere akselererer verktøyslitasjen.

Til slutt øker den kjemiske aktiviteten til titanlegeringer betydelig ved høye temperaturer. De har en tendens til å reagere med verktøymaterialer, noe som fører til vedherding, diffusjon og dannelse av bygget opp kant . Disse fenomenene kan føre til at verktøyet fester seg, brener eller knuser, og påvirker alvorlig bearbeidingskvaliteten og -effektiviteten.

Fordeler med bearbeidingssentra

Maskinsenter kan behandle flere komponenter samtidig, noe som betydelig forbedrer produksjonseffektiviteten. Den høye nøyaktigheten sikrer utmerket produktkonsistens, og med verktøykompenseringsfunksjoner kan maskinverktøyets inneboende nøyaktighet utnyttes fullt ut.

Maskinsenter tilbyr også stark tilpasningsevne og fleksibilitet , og håndterer enkelt buemaskining, avfasning og rundhjørnoverganger. Enda mer imponerende er at de støtter flerfunksjonelle operasjoner , inkludert fresing, boremaskining, boring og gjering – alt på én enkelt maskin.

Fra et kostnadskontrollperspektiv tillater maskinsenter nøyaktig kostnadsberegning og produksjonsplanlegging, eliminerer behovet for spesialiserte fester, reduserer totalkostnadene og forkorter produksjonsperiodene. De reduserer også betydelig arbeidsbelastningen og kan nahtløst integreres med CAM-programvare som UG (NX) utføre flerakset bearbeiding.

Valg av skjæreværktøy og kjølevæske

Valget av passende skjæreværktøy og kjølevæske er kritisk ved bearbeiding av titanlegeringer. Verktøymaterialer må vise høy Hardhet og Slipmotstand for å sikre effektiv materialfjerning. Valg av kjølevæske påvirker direkte bearbeidingskvaliteten og -effektiviteten – riktige kjølevæsker reduserer friksjon og skjærevarme, forlenger verktøyets levetid og forbedrer bearbeidingsnøyaktigheten.

1. Krav til verktøymaterial

• Verktøyets hardhet må være betydelig høyere enn den til titanlegeringer for å muliggjøre effektiv skjæring.
• Verktøy må ha tilstrekkelig styrke og slagfasthet for å tåle høye dreiemomenter og skjærekrefter.
• På grunn av den høye toughheten til titanlegeringer må skjærekanter forbli skarpe; derfor kreves utmerket slitasjemotstand for å minimere arbeidsforharding.

2. Valg av fræsgeometri

På grunn av de unike bearbeidingsegenskapene til titanlegeringer skiller fræsgeometrien seg betydelig fra konvensjonelle verktøy.
En mindre heliksvinkel (β) anbefales for å øke spissvolumet, forbedre avføring av spåner og forbedre varmeavledning.

3. Valg av skjæreprametere

Ved bearbeiding av titanlegeringer lavere skjærehastigheter bør brukes i kombinasjon med passende fremføringshastigheter, rimelige skjæredybder og kontrollerte ferdigbearbeidingsfratrekk.

4. Valg og anvendelse av kjølevæske

Kjølevæsker som inneholder klor bør unngås for å hindre dannelse av giftige stoffer og hydrogenembrittlement, samt redusere risikoen for spenningskorrosjonsbrudd ved høyere temperaturer.
Det anbefales å bruke syntetiske vannløselige emulsjoner eller spesielt formulerte kjølevæsker egnet for bearbeiding av titanlegeringer.