Aliaje de titan în aviație

Transportul aerian a devenit o parte integrantă a vieții noastre de zi cu zi — fie prin logistica de marfă aeriană, fie prin călătoriile cu avionul. Când privim în sus, spre cer, și observăm avioanele care zboară deasupra noastră, apare în mod natural o întrebare: din ce materiale sunt construite avioanele care pot transporta astfel de sarcini masive și pot opera la altitudini mari?
Să explorăm materialele care stau la baza acestei capacități remarcabile.

Prezentare generală a titanului

În 1948, DuPont a reușit producția industrială a titanului poros folosind procesul de reducere cu magneziu, marcând un moment important în istoria materialelor pe bază de titan. De atunci, aliajele de titan au fost utilizate pe scară largă în diverse industrii datorită proprietăților lor fizice remarcabile, printre care: rezistență specifică ridicată, rezistență excelentă la coroziune și rezistență termică superioară .

Este de remarcat faptul că titanul este un element abundent în scoarța terestră, ocupând poziția nouă în ceea ce privește abundența totală , depășind în mod semnificativ metalele uzual utilizate, cum ar fi cuprul, zincul și staniul. Este răspândit pe scară largă în multe tipuri de roci, în special în nisipuri și argile, unde rezervele sunt deosebit de consistente.

Caracteristici ale titanului

Titanul prezintă o serie de proprietăți excepționale, printre care: rezistență ridicată, rezistență termică ridicată, rezistență excelentă la coroziune, performanță remarcabilă la temperaturi scăzute și activitate chimică intensă .

Mai exact, rezistența titanului depășește în mod semnificativ pe cea a aliajelor de aluminiu, a aliajelor de magneziu și a oțelurilor inoxidabile, făcându-l unul dintre cele mai remarcabile metale structurale. 450–500°C .

În plus, titanul demonstrează o rezistență excelentă la acizi, baze și coroziune atmosferică, în special o rezistență ridicată la coroziunea localizată (pitting) și fisurarea prin coroziune sub tensiune . La temperaturi scăzute, aliajele de titan, cum ar fi TA7 păstrează o ductilitate bună și proprietăți mecanice satisfăcătoare, chiar și la temperaturi coborâte până la –253°C .

Cu toate acestea, titanul prezintă o reactivitate chimică ridicată la temperaturi înalte și poate reacționa ușor cu gaze precum hidrogenul și oxigenul din aer, formând straturi superficiale îndurite. În plus, aliajele de titan au o conductivitate termică relativ scăzută — aproximativ ¼ față de nichel, ⅕ față de fier și 1/14 față de aluminiu —în timp ce modulul lor de elasticitate este aproximativ jumătate din cel al oțelului . Aceste caracteristici fac din titan un material indispensabil în numeroase aplicații avansate de inginerie.

Clasificarea și aplicațiile aliajelor de titan

Aliajele de titan pot fi clasificate, în funcție de aplicațiile lor, în aliaje rezistente la căldură, aliaje cu rezistență ridicată, aliaje rezistente la coroziune (cum ar fi aliajele Ti-Mo și Ti-Pd), aliaje pentru temperaturi joase și aliaje funcționale speciale , inclusiv materiale de stocare a hidrogenului pe bază de titan–fier și aliaje cu memorie de formă pe bază de titan–nichel.

Deși istoricul aplicațiilor aliajelor de titan este relativ scurt, performanța lor remarcabilă le-a adus numeroase distincții, una dintre acestea fiind titlul „metal spațial.” Această denumire provine din greutatea lor redusă, rezistența ridicată și excelenta rezistență la temperaturi înalte, făcându-le materiale ideale pentru aeronave și vehicule aero-spațiale.

În prezent, aproximativ trei pătrimi din producția globală de titan și aliaje de titan sunt utilizate în sectorul aero-spațial , iar multe componente care erau anterior fabricate din aliaje de aluminiu sunt acum înlocuite cu aliaje de titan.

Aplicații aeronautice

Aliajele de titan sunt materiale esențiale în fabricarea aeronavelor și a motoarelor. Acestea sunt utilizate pe scară largă în componente forjate pentru ventilatoare, discuri și palete de compresor, carcase de motoare și sisteme de evacuare , precum și componente structurale, cum ar fi cadre și pereteți etanși .

În aplicațiile aeronautice și spațiale, rezistența specifică ridicată, rezistența la coroziune și performanța la temperaturi scăzute ale aliajelor de titan le fac ideale pentru rezervoare de presiune, rezervoare de combustibil, elemente de fixare, curele pentru instrumente, cadre structurale și carcase de rachete . Sudurile din foi de aliaje de titan sunt utilizate pe scară largă în sateliții artificiali, modulele lunare, navele spațiale cu echipaj și navetele spațiale .

În 1950, Statele Unite au aplicat pentru prima dată aliajele de titan la avionul de luptă și bombardament F-84 , folosindu-le pentru componente care nu suportă sarcini, cum ar fi plăcile de protecție termică ale fuselajului posterior, conductele de aer și acoperișurile cozi. Începând cu anii 1960, utilizarea aliajelor de titan s-a extins de la aplicațiile din fuselajul posterior la cel mijlociu, înlocuind parțial oțelul structural în pereteții etanși, grinzile și mecanismele de comandă ale flapsurilor .

Până în anii 1970, cu producția de masă a aeronavelor civile, cum ar fi Boeing 747 , utilizarea titanului a crescut dramatic. Doar avionul Boeing 747 a folosit peste 3.640 kg de titan , reprezentând aproximativ 28% din greutatea structurală a avionului . Aliajele de titan au devenit, de asemenea, larg utilizate în rachete, sateliți și nave spațiale.

Caracteristici ale prelucrării prin așchiere ale aliajelor de titan

În primul rând, aliajele de titan au o conductivitate termică relativ scăzută — doar aproximativ un sfert din cea a oțelului, o treisprezecime din cea a aluminiului și o douăzeci și cincime din cea a cuprului în timpul prelucrării, disiparea căldurii și răcirea sunt, așadar, ineficiente, determinând temperaturi ridicate concentrate în zona de tăiere . Aceasta poate provoca deformarea piesei prelucrate și recuperarea elastică, creșterea momentului de tăiere, accelerarea uzurii muchiei sculei și reducerea semnificativă a duratei de viață a sculei.

În al doilea rând, deoarece căldura generată la tăiere este concentrată în apropierea muchiei active și nu se poate disipa rapid, frecarea pe fața de degajare crește, ceea ce face evacuarea șpanului mai dificilă și accelerează în continuare uzura sculei.

În final, la temperaturi ridicate, activitatea chimică a aliajelor de titan crește semnificativ. Acestea tind să reacționeze cu materialele sculelor, ducând la aderență, difuziune și formarea muchiei acumulate . Aceste fenomene pot cauza lipirea sculei, arderea acesteia sau chiar ruperea ei, afectând grav calitatea și eficiența prelucrării.

Avantajele centrelor de prelucrare

Centralele de prelucrare pot procesa simultan mai multe componente, îmbunătățind în mod semnificativ eficiența producției. Precizia ridicată asigură o excelentă consistență a produselor, iar funcțiile de compensare a sculelor permit utilizarea integrală a preciziei intrinseci a mașinii-unelte.

Centralele de prelucrare oferă, de asemenea, o adaptabilitate și flexibilitate ridicate , gestionând ușor prelucrarea arcelor, teșiturilor și tranzițiilor cu racordare. Mai impresionant este faptul că susțin operații multifuncționale , inclusiv frezare, găurire, alezare și filetare — toate pe o singură mașină.

Din perspectiva controlului costurilor, centralele de prelucrare permit contabilizarea exactă a costurilor și planificarea producției, elimină necesitatea dispozitivelor specializate, reduc costurile totale și scurtază ciclurile de producție. De asemenea, ele reduc în mod semnificativ intensitatea muncii și pot fi integrate fără probleme cu software-ul CAM, cum ar fi UG (NX) pentru a efectua prelucrarea pe mai multe axe.

Selectarea sculelor de aşchiere şi a lichidelor de răcire

Selectarea sculelor de aşchiere şi a lichidelor de răcire adecvate este esenţială la prelucrarea aliajelor de titan. Materialele sculelor trebuie să prezinte obezitate ridicată și rezistență la uzură pentru a asigura o îndepărtare eficientă a materialului. Alegerea lichidului de răcire influenţează direct calitatea şi eficienţa prelucrării — lichidele de răcire adecvate reduc frecarea şi căldura generată la tăiere, prelungind durata de viaţă a sculelor şi îmbunătăţind precizia prelucrării.

1. Cerinţe privind materialul sculelor

• Dureitatea sculelor trebuie să fie semnificativ mai mare decât cea a aliajelor de titan, pentru a permite o tăiere eficientă.
• Sculele trebuie să aibă rezistenţă şi tenacitate suficiente pentru a rezista cuplurilor ridicate şi forţelor de tăiere.
• Având în vedere tenacitatea ridicată a aliajelor de titan, muchiile ascuţite ale sculelor trebuie să rămână bine ascuţite; prin urmare, se impune o rezistenţă excepţională la uzură, pentru a minimiza întărirea prin deformare plastică.

2. Selectarea geometriei frezelor frontale

Datorită caracteristicilor unice de prelucrare ale aliajelor de titan, geometria frezelor frontale diferă semnificativ de cea a sculelor convenţionale.
A unghi de înfășurare mai mic (β) este recomandat pentru a crește volumul canelurii, a îmbunătăți evacuarea așchiilor și a spori disiparea căldurii.

3. Selectarea parametrilor de așchiere

La prelucrarea aliajelor de titan, viteze de așchiere mai mici trebuie utilizate, combinate cu viteze de avans adecvate, adâncimi de așchiere raționale și adaosuri de finisare controlate.

4. Selectarea și aplicarea lichidului de răcire

Lichidele de răcire care conțin clor trebuie evitate pentru a preveni formarea de substanțe toxice și fragilizarea prin hidrogen, precum și pentru a reduce riscul de coroziune sub tensiune la temperaturi ridicate.
Se recomandă utilizarea emulsiilor sintetice solubile în apă sau lichide de răcire special formulate, potrivite pentru prelucrarea aliajelor de titan.