Титановые сплавы в авиации

Воздушный транспорт стал неотъемлемой частью нашей повседневной жизни — будь то логистика воздушных грузов или путешествия на самолёте. Когда мы поднимаем взгляд к небу и наблюдаем за самолётами, пролетающими над нами, естественно возникает вопрос: из каких материалов изготавливаются самолёты, способные перевозить столь массивные грузы и эксплуатироваться на больших высотах?
Давайте рассмотрим материалы, обеспечивающие эту выдающуюся функциональность.

Обзор титана

В 1948 году компания DuPont успешно освоила промышленное производство губчатого титана методом магниетермического восстановления, что стало важнейшей вехой в истории титановых материалов. С тех пор титановые сплавы широко применяются в различных отраслях промышленности благодаря своим выдающимся физическим свойствам, включая высокую удельную прочность, превосходную коррозионную стойкость и исключительную жаропрочность .

Примечательно, что титан — это распространённый элемент в земной коре, занимая девятое место по общему содержанию , что значительно превышает содержание таких широко используемых металлов, как медь, цинк и олово. Он широко распространён во многих типах горных пород, особенно в песках и глинах, где запасы особенно велики.

Свойства титана

Титан обладает рядом исключительных свойств, включая высокую прочность, высокую жаропрочность, превосходную коррозионную стойкость, отличные низкотемпературные характеристики и высокую химическую активность .

В частности, прочность титана значительно превышает прочность алюминиевых и магниевых сплавов, а также нержавеющих сталей, что делает его одним из самых выдающихся конструкционных металлов. Титановые сплавы также демонстрируют исключительно высокие эксплуатационные характеристики при повышенных температурах: их рабочая температура существенно выше, чем у алюминиевых сплавов, и они способны сохранять стабильные эксплуатационные свойства в течение длительного времени при 450–500 °C .

Кроме того, титан обладает превосходной стойкостью к воздействию кислот, щелочей и атмосферной коррозии, особенно проявляя высокую устойчивость к питтинговой коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением при низких температурах титановые сплавы, такие как ТА7 сохраняют хорошую пластичность и механические свойства даже при температурах, достигающих –253 °C .

Однако при повышенных температурах титан проявляет высокую химическую активность и легко вступает в реакцию с газами воздуха, такими как водород и кислород, образуя упрочнённые поверхностные слои. Кроме того, теплопроводность титановых сплавов относительно невысока — примерно четверть от никеля, пятая часть от железа и одна четырнадцатая от алюминия — в то время как их модуль упругости составляет примерно половину от стали . Эти характеристики делают титан незаменимым во многих передовых инженерных областях применения.

Классификация и области применения титановых сплавов

Титановые сплавы можно классифицировать по областям их применения на жаропрочные сплавы, высокопрочные сплавы, коррозионностойкие сплавы (например, сплавы Ti–Mo и Ti–Pd), низкотемпературные сплавы , и специальные функциональные сплавы , включая титаново-железные материалы для хранения водорода и титаново-никелевые сплавы с памятью формы.

Хотя история применения титановых сплавов сравнительно коротка, их выдающиеся эксплуатационные характеристики обеспечили им множество наград, одна из которых — звание «космический металл». Это название обусловлено их малой массой, высокой прочностью и превосходной жаростойкостью, что делает их идеальными материалами для самолётов и космических аппаратов.

В настоящее время примерно три четверти мирового производства титана и титановых сплавов используются в аэрокосмической отрасли , причём многие компоненты, ранее изготавливавшиеся из алюминиевых сплавов, сейчас заменяются титановыми сплавами.

Применение в авиации

Титановые сплавы являются критически важными материалами при производстве самолётов и двигателей. Они широко применяются в кованых элементах вентиляторов, дисках и лопатках компрессоров, корпусах двигателей, выхлопных системах , а также конструкционные компоненты, такие как рамы и переборки .

В аэрокосмической отрасли высокая удельная прочность, коррозионная стойкость и работоспособность при низких температурах титановых сплавов делают их идеальными для баллонов высокого давления, топливных баков, крепёжных элементов, кронштейнов для приборов, конструкционных рам и корпусов ракет . Сварные изделия из листов титановых сплавов широко применяются в искусственных спутниках Земли, лунных модулях, пилотируемых космических кораблях и космических челноках .

В 1950 году США впервые применили титановые сплавы в истребителе-бомбардировщике F-84 , используя их для ненагруженных компонентов, таких как теплозащитные экраны задней части фюзеляжа, воздушные каналы и обтекатели хвостовой части. Начиная с 1960-х годов титановые сплавы получили распространение не только в задней части фюзеляжа, но и в его средней части, частично заменив конструкционную сталь в переборках, балках и направляющих механизмах закрылков .

К 1970-м годам, с началом массового производства гражданских летательных аппаратов, таких как Boeing 747 , применение титана резко возросло. Только на один самолёт Boeing 747 приходилось более 3640 кг титана , что составляло приблизительно 28 % от общей массы конструкционных элементов самолёта . Сплавы титана также получили широкое распространение в ракетах, спутниках и космических аппаратах.

Особенности механической обработки сплавов титана

Во-первых, теплопроводность сплавов титана относительно низка — она составляет лишь около четверти от теплопроводности стали, одной тринадцатой от теплопроводности алюминия и одной двадцать пятой от теплопроводности меди при обработке теплоотвод и охлаждение поэтому неэффективны, что приводит к высоким температурам, сконцентрированным в зоне резания . Это может вызвать деформацию заготовки и упругое восстановление, увеличить крутящий момент резания, ускорить износ режущей кромки инструмента и значительно сократить срок службы инструмента.

Во-вторых, поскольку тепло резания сосредоточено вблизи режущей кромки и не может быстро рассеиваться, трение по передней поверхности возрастает, что затрудняет удаление стружки и дополнительно ускоряет износ инструмента.

Наконец, при повышенных температурах химическая активность титановых сплавов значительно возрастает. Они склонны вступать в реакцию с материалом инструмента, что приводит к адгезии, диффузии и образованию нароста . Эти явления могут вызывать прилипание инструмента, его перегрев или разрушение, серьёзно ухудшая качество и эффективность обработки.

Преимущества обрабатывающих центров

Обрабатывающие центры способны одновременно обрабатывать несколько компонентов, что значительно повышает производственную эффективность. Их высокая точность обеспечивает превосходную стабильность качества продукции, а функции компенсации инструмента позволяют в полной мере использовать изначальную точность станка.

Обрабатывающие центры также обеспечивают высокую адаптивность и гибкость , легко выполняя обработку дуг, фасок и скруглений. Более впечатляюще то, что они поддерживают многофункциональные операции , включая фрезерование, сверление, растачивание и нарезание резьбы — всё это на одном станке.

С точки зрения контроля затрат обрабатывающие центры позволяют точно вести учёт себестоимости и планировать производство, устраняют необходимость в специализированных приспособлениях, снижают общие расходы и сокращают производственные циклы. Они также значительно снижают трудоёмкость и могут быть бесшовно интегрированы с программным обеспечением CAM, таким как UG (NX) для выполнения многоосевой обработки.

Выбор режущего инструмента и охлаждающих жидкостей

Выбор подходящего режущего инструмента и охлаждающих жидкостей имеет решающее значение при обработке титановых сплавов. Материалы инструментов должны обладать высокая твердость и износостойкость для обеспечения эффективного снятия материала. Выбор охлаждающей жидкости напрямую влияет на качество и эффективность обработки: правильные охлаждающие жидкости снижают трение и тепловыделение в зоне резания, увеличивают стойкость инструмента и повышают точность обработки.

1. Требования к материалу инструмента

• Твёрдость инструмента должна значительно превышать твёрдость титановых сплавов, чтобы обеспечить эффективное резание.
• Инструменты должны обладать достаточной прочностью и вязкостью для выдерживания высоких крутящих моментов и сил резания.
• Учитывая высокую вязкость титановых сплавов, режущие кромки должны сохранять остроту; следовательно, требуется высокая износостойкость для минимизации упрочнения поверхности заготовки при обработке.

2. Выбор геометрии фрезы

Из-за особых характеристик обработки титановых сплавов геометрия фрезы существенно отличается от геометрии обычных инструментов.
A меньший угол наклона винтовой линии (β) рекомендуется для увеличения объёма стружечных канавок, улучшения удаления стружки и повышения теплоотвода.

4. Выбор режимов резания

При обработке титановых сплавов следует использовать пониженные скорости резания в сочетании с соответствующими подачами, разумной глубиной резания и контролируемыми припусками на чистовую обработку.

5. Выбор и применение СОЖ

Следует избегать смазочно-охлаждающих жидкостей, содержащих хлор, чтобы предотвратить образование токсичных веществ и водородное охрупчивание, а также снизить риск коррозионного растрескивания под напряжением при повышенных температурах.
Рекомендуется использовать синтетические водорастворимые эмульсии или специально разработанные охлаждающие жидкости, подходящие для обработки титановых сплавов.