Stopy tytanu w lotnictwie

Transport lotniczy stał się nieodłączną częścią naszego codziennego życia — niezależnie od logistyki towarów lotniczych czy podróży samolotem. Gdy patrzymy w niebo i obserwujemy przelatujące nad nami samoloty, rodzi się naturalne pytanie: z jakich materiałów wykonane są samoloty, które potrafią przenosić tak ogromne ładunki i funkcjonować na dużych wysokościach?
Zbadajmy materiały stojące za tą wyjątkową zdolnością.

Przegląd tytanu

W 1948 roku firma DuPont pomyślnie osiągnęła przemysłową produkcję gąbczastego tytanu metodą redukcji magnezem, co stanowiło ważny kamień milowy w historii materiałów tytanowych. Od tego czasu stopy tytanu znajdują szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu dzięki swoim wyjątkowym właściwościom fizycznym, w tym wysokiej wytrzymałości właściwej, doskonałej odporności na korozję oraz nadzwyczajnej odporności termicznej .

Warto zauważyć, że tytan jest pierwiastkiem powszechnie występującym w skorupie ziemskiej, zajmując dziewiąte miejsce pod względem ogólnej obfitości , co znacznie przekracza ilość powszechnie stosowanych metali, takich jak miedź, cynk czy cyna. Występuje szeroko w wielu rodzajach skał, szczególnie w piaskach i glinach, gdzie jego zasoby są szczególnie duże.

Właściwości tytanu

Tytan charakteryzuje się szeregiem wyjątkowych cech, w tym wysoką wytrzymałością, wysoką wytrzymałością termiczną, doskonałą odpornością na korozję, wyróżniającą się wydajnością w niskich temperaturach oraz silną aktywnością chemiczną .

W szczególności wytrzymałość tytanu znacznie przewyższa wytrzymałość stopów aluminium, stopów magnezu oraz stali nierdzewnych, co czyni go jednym z najwybitniejszych metali konstrukcyjnych. Stopy tytanu charakteryzują się również wyjątkowo dobrą wydajnością w podwyższonych temperaturach – temperatury pracy są znacznie wyższe niż w przypadku stopów aluminium i pozwalają na utrzymanie długotrwałej wydajności przy 450–500 °C .

Ponadto tytan wykazuje doskonałą odporność na korozję kwasową, zasadową oraz atmosferyczną, szczególnie silną odporność na korozję punktową i pękanie naciskowe spowodowane korozją . W niskich temperaturach stopy tytanu, takie jak TA7 zachowują dobrą kruchość i właściwości mechaniczne nawet przy temperaturach aż do –253 °C .

Jednak tytan wykazuje wysoką aktywność chemiczną w podwyższonych temperaturach i łatwo reaguje z gazami obecnymi w powietrzu, takimi jak wodór i tlen, tworząc zahartowane warstwy powierzchniowe. Ponadto przewodność cieplna stopów tytanu jest stosunkowo niska – wynosi mniej więcej ¼ niklu, ⅕ żelaza i 1⁄14 glinu —podczas gdy ich moduł sprężystości wynosi mniej więcej połowę modułu stali . Te cechy czynią tytan niezastąpionym w wielu zaawansowanych zastosowaniach inżynierskich.

Klasyfikacja i zastosowania stopów tytanu

Stopy tytanu można klasyfikować według ich zastosowań jako stopy odporno na wysokie temperatury, stopy o wysokiej wytrzymałości, stopy odporno na korozję (np. stopy Ti-Mo i Ti-Pd), stopy do niskich temperatur , oraz specjalne stopy funkcyjne , w tym materiały do przechowywania wodoru na bazie tytanu i żelaza oraz stopy pamięci kształtu tytanu i niklu.

Choć historia zastosowań stopów tytanu jest stosunkowo krótka, ich wyjątkowe właściwości zapewniły im wiele wyróżnień, wśród których znajduje się m.in. tytuł „metal kosmiczny”. Nazwa ta wynika z ich niskiej masy, dużej wytrzymałości oraz doskonałej odporności na wysokie temperatury, co czyni je idealnymi materiałami do konstrukcji samolotów i pojazdów lotniczo-kosmicznych.

Obecnie około trzy czwarte światowej produkcji tytanu i jego stopów przeznaczane jest na potrzeby przemysłu lotniczo-kosmicznego , przy czym wiele elementów, które wcześniej wykonywano ze stopów aluminium, zastępuje się obecnie stopami tytanu.

Zastosowania lotnicze

Stopy tytanu są kluczowymi materiałami w produkcji samolotów i silników. Są one szeroko stosowane w kompresorach wentylatorowych wykonanych metodą kucia, tarczach i łopatkach sprężarek, obudowach silników oraz układach wydechowych , a także elementy konstrukcyjne takie jak ramy i przegrody .

W zastosowaniach lotniczo-kosmicznych wysoka wytrzymałość właściwa, odporność na korozję oraz dobre właściwości w niskich temperaturach stopów tytanu czynią je idealnym materiałem do zbiorników ciśnieniowych, zbiorników paliwa, elementów łączących, taśm mocujących przyrządów pomiarowych, ram konstrukcyjnych oraz obudów rakiet . Spawane elementy z blachy ze stopów tytanu są szeroko stosowane w sztucznych satelitach, modułach księżycowych, załogowych statkach kosmicznych oraz wahadłowcach kosmicznych .

W 1950 roku Stany Zjednoczone po raz pierwszy zastosowały stopy tytanu w samolocie F-84 (bombowiec-myśliwiec) , wykorzystując je w elementach nienośnych, takich jak osłony cieplne tylnej części kadłuba, kanały powietrzne oraz osłony ogona. Od lat 60. XX wieku zakres zastosowań stopów tytanu rozszerzył się od tylnej części kadłuba na jego środkową część, zastępując częściowo stal konstrukcyjną w przegrodach, belkach oraz prowadnicach klap .

W latach 70. XX wieku, wraz z masową produkcją cywilnych statków powietrznych takich jak Boeing 747 , zużycie tytanu gwałtownie wzrosło. Sam tylko Boeing 747 zawierał ponad 3640 kg tytanu , co stanowiło około 28% masy konstrukcyjnej samolotu . Stopy tytanu znalazły również szerokie zastosowanie w rakietach, satelitach i statkach kosmicznych.

Charakterystyka obróbki skrawaniem stopów tytanu

Po pierwsze, stopy tytanu charakteryzują się stosunkowo niską przewodnością cieplną – wynosi ona jedynie około jednej czwartej przewodności stali, jednej trzynastej przewodności aluminium oraz jednej dwudziestej piątej przewodności miedzi podczas obróbki odprowadzanie ciepła i chłodzenie są zatem niewydolne, co prowadzi do wysokich temperatur skoncentrowanych w strefie cięcia . Może to powodować odkształcenia przedmiotu obrabianego oraz jego odzysk sprężysty, zwiększa moment skręcający podczas cięcia, przyspiesza zużycie krawędzi narzędzia i znacznie skraca trwałość narzędzia.

Po drugie, ponieważ ciepło generowane podczas cięcia skupia się w pobliżu krawędzi tnącej i nie może szybko się rozpraszać, tarcie na powierzchni przedniej wzrasta, co utrudnia usuwanie wiórków i dalsze przyspiesza zużycie narzędzia.

Wreszcie w podwyższonej temperaturze aktywność chemiczna stopów tytanu znacznie wzrasta. Tendencja ta powoduje reakcje z materiałami narzędzi, prowadzące do przyczepiania się, dyfuzji oraz powstawania grzbietu narostowego . Zjawiska te mogą prowadzić do przyklejania się narzędzia, jego przypalenia lub pęknięcia, co poważnie wpływa na jakość i wydajność obróbki.

Zalety centrów obróbkowych

Centra frezarskie mogą przetwarzać wiele komponentów jednocześnie, co znacznie zwiększa wydajność produkcji. Ich wysoka precyzja zapewnia doskonałą spójność produktów, a dzięki funkcjom kompensacji narzędzi można w pełni wykorzystać pierwotną dokładność obrabiarki.

Centra frezarskie oferują również silną adaptacyjność i elastyczność , łatwo realizując obróbkę łuków, fazowanie oraz przejścia zaokrąglone. Co więcej, obsługują wielofunkcyjne operacje , takie jak frezowanie, wiercenie, rozwiercanie i gwintowanie – wszystkie na jednej maszynie.

Z punktu widzenia kontroli kosztów centra frezarskie umożliwiają dokładne rozliczanie kosztów oraz planowanie produkcji, eliminują potrzebę stosowania specjalistycznych uchwytników, obniżają ogólne koszty i skracają cykle produkcyjne. Pozwalają również znacznie zmniejszyć intensywność pracy oraz mogą być bezproblemowo zintegrowane z oprogramowaniem CAM, takim jak UG (NX) do wykonywania obróbki wieloosiowej.

Wybór narzędzi skrawających i środków chłodząco-smarujących

Wybór odpowiednich narzędzi skrawających i środków chłodząco-smarujących jest kluczowy przy obróbce stopów tytanu. Materiały narzędziowe muszą charakteryzować się wysoka Twardość i Odporność na Znoszenie w celu zapewnienia efektywnego usuwania materiału. Dobór środka chłodząco-smarującego ma bezpośredni wpływ na jakość i wydajność obróbki — odpowiednie środki chłodząco-smarujące zmniejszają tarcie i temperaturę w strefie cięcia, wydłużając żywotność narzędzi oraz poprawiając dokładność obróbki.

1. Wymagania dotyczące materiału narzędzia

• Twardość narzędzia musi być znacznie wyższa niż twardość stopów tytanu, aby umożliwić skuteczną obróbkę.
• Narzędzia muszą posiadać wystarczającą wytrzymałość i odporność na uderzenia, aby wytrzymać wysokie momenty obrotowe i siły cięcia.
• Ze względu na dużą odporność na odkształcenia plastyczne stopów tytanu krawędzie tnące muszą pozostawać ostre; dlatego wymagana jest doskonała odporność na zużycie, mająca na celu minimalizację utwardzania powierzchniowego.

2. Dobór geometrii frezów czołowych

Ze względu na unikalne właściwości obróbkowe stopów tytanu geometria frezów czołowych różni się znacznie od geometrii narzędzi konwencjonalnych.
A mniejszy kąt śruby (β) jest zalecany w celu zwiększenia objętości rowków, poprawy usuwania wiórków oraz zwiększenia odprowadzania ciepła.

3. Dobór parametrów skrawania

Podczas obróbki stopów tytanu należy stosować niższe prędkości skrawania w połączeniu z odpowiednimi posuwami, uzasadnionymi głębokościami skrawania oraz kontrolowanymi nadmiarami na wykańczanie.

4. Dobór i zastosowanie chłodziwa

Należy unikać chłodziw zawierających chlor, aby zapobiec powstawaniu substancji toksycznych i kruchości wodorowej oraz zmniejszyć ryzyko pęknięć korozji naprężeniowej w podwyższonych temperaturach.
Zaleca się stosowanie syntetycznych emulsji wodnych lub specjalnie opracowane środki chłodzące odpowiednie do obróbki stopów tytanu.