Titaniové zliatiny v leteckej doprave

Vzdušná doprava sa stala nedielnou súčasťou nášho každodenného života – či už prostredníctvom logistiky leteckej prepravy tovaru alebo cestovaním lietadlom. Keď sa pozrieme hore na nebo a sledujeme lietadlá, ktoré prelietajú nad nami, vznikne prirodzená otázka: z akých materiálov sa vyrábajú lietadlá, ktoré dokážu prepraviť tak obrovské náklady a zároveň prevádzkovať vo veľkých výškach?
Pozrime sa bližšie na materiály, ktoré stojia za touto mimoriadnou schopnosťou.

Prehľad titanu

V roku 1948 spoločnosť DuPont úspešne dosiahla priemyselnú výrobu titánovej peny pomocou procesu redukcie horčíkom, čo predstavovalo významný milník v histórii titánových materiálov. Odvtedy sa titánové zliatiny široko využívajú v rôznych odvetviach vzhľadom na ich vynikajúce fyzikálne vlastnosti, vrátane vysokého špecifického pevnostného pomeru, vynikajúcej odolnosti voči korózii a vynikajúcej tepelnej odolnosti .

Zaujímavé je, že titán je hojný prvok v zemskej kôre, kde zaberá deviate miesto z hľadiska celkovej hojnosti , čo je výrazne viac ako u bežne používaných kovov, ako sú meď, zinok a cín. Je rozšírený v mnohých druhoch hornín, najmä v pieskoch a ílov, kde sú jeho zásoby obzvlášť významné.

Vlastnosti titánu

Titán vykazuje rad výnimočných vlastností, vrátane vysokého pevnostného charakteru, vysokého tepelného pevnostného charakteru, vynikajúcej odolnosti voči korózii, vynikajúcich vlastností pri nízkych teplotách a vysokého stupňa chemického reaktivity .

Konkrétne je pevnosť titánu výrazne vyššia ako pevnosť hliníkových zliatin, horčíkových zliatin a nehrdzavejúcich ocelí, čo ho robí jedným z najvýznamnejších konštrukčných kovov. Titánové zliatiny sa tiež výborne prejavujú pri zvýšených teplotách, pričom ich prevádzkové teploty sú výrazne vyššie ako u hliníkových zliatin, a dokážu udržiavať dlhodobý výkon pri 450–500 °C .

Okrem toho titán vykazuje vynikajúcu odolnosť voči kyselinám, zásadám a atmosférickej korózii, najmä výraznú odolnosť voči bodovej korózii a korózii spôsobenej napätím pri nízkych teplotách titánové zliatiny, ako napríklad TA7 zachovávajú dobrú kujnosť a mechanické vlastnosti aj pri teplotách tak nízkych ako –253 °C .

Titán však pri zvýšených teplotách vykazuje vysokú chemickú reaktivitu a môže sa ľahko reagovať s plynmi v ovzduší, ako sú vodík a kyslík, čím vznikajú ztvrdnuté povrchové vrstvy. Okrem toho majú titánové zliatiny relatívne nízku tepelnú vodivosť – približne 1/4 hodnoty niklu, 1/5 hodnoty železa a 1/14 hodnoty hliníka —zatiaľ čo ich modul pružnosti je približne polovica hodnoty ocele . Tieto vlastnosti robia titán nevyhnutným v mnohých pokročilých technických aplikáciách.

Klasifikácia a aplikácie titanových zliatin

Titanové zliatiny sa podľa ich aplikácií dajú klasifikovať na tepluvzdorné zliatiny, vysokopevnostné zliatiny, korózne odolné zliatiny (napríklad zliatiny Ti-Mo a Ti-Pd), nízkoteplotné zliatiny a špeciálne funkčné zliatiny , vrátane titán–železných materiálov na ukladanie vodíka a titán–niklových zliatin s tvarovou pamäťou.

Hoci je história používania titánových zliatin relatívne krátka, ich vynikajúce vlastnosti im priniesli množstvo ocenení, jedným z nich je titul „kozmický kov“. Toto označenie vyplýva z ich nízkej hmotnosti, vysoké pevnosti a vynikajúcej odolnosti voči vysokým teplotám, čo ich robí ideálnymi materiálmi pre lietadlá a vesmírne vozidlá.

V súčasnosti približne tri štvrtiny celosvetovej výroby titánu a titánových zliatin sa používajú v leteckej a vesmírnej priemyselnej oblasti , pričom mnoho komponentov, ktoré boli predtým vyrobené z hliníkových zliatin, sa dnes nahradzuje titánovými zliatinami.

Letecké aplikácie

Titánové zliatiny sú kľúčovými materiálmi pri výrobe lietadiel a motorov. Používajú sa široko v kovaných komponentoch ventilátorov, disku a lopatkách kompresora, skrinkách motorov a výfukových systémoch , ako aj štrukturálne komponenty, ako sú rámy a priečky .

V leteckej a vesmírnej technike vysoká špecifická pevnosť, odolnosť voči korózii a výkon pri nízkych teplotách titanových zliatin robia tieto materiály ideálnymi pre tlakové nádoby, palivové nádrže, spojovacie prvky, upevňovacie pásky pre prístroje, štrukturálne rámy a trupy rakiet . Zvárané konštrukcie z titanových zliatin sa intenzívne používajú v umelej družici, mesačnom module, pilotovaných kozmických lodiach a raketoplánoch .

V roku 1950 Spojené štáty prvýkrát použili titanové zliatiny v lietadle F-84 bojový bombardér , pričom ich uplatnili v neprehľadných (nenosných) komponentoch, ako sú tepelné clony zadnej časti trupu, vzduchové kanály a obtekacie kryty chvostovej časti. Od 60. rokov 20. storočia sa použitie titanových zliatin rozšírilo z oblasti zadnej časti trupu do strednej časti trupu, kde čiastočne nahradili konštrukčnú oceľ v priečkach, nosníkoch a držiakoch klapiek .

Do roku 1970, keď sa začala hromadná výroba civilných lietadiel, ako napríklad Boeing 747 , sa používanie titánu výrazne zvýšilo. Samotný Boeing 747 obsahoval viac než 3 640 kg titánu , čo predstavuje približne 28 % hmotnosti konštrukcie lietadla . Zliatiny titánu sa tiež začali intenzívne používať v raketách, satelitoch a kozmických lodiach.

Obrábací charakteristické vlastnosti zliatin titánu

Po prvé, zliatiny titánu majú relatívne nízku tepelnú vodivosť – iba približne jednu štvrtinu vodivosti ocele, jednu trinástinu hliníka a jednu dvadsaťpätinu medi počas obrábania je preto odvod tepla a chladenie neefektívny, čo vedie k vysokým teplotám sústredeným v reznom priestore . To môže spôsobiť deformáciu obrobku a jeho elastickú obnovu, zvýšiť rezný krútiaci moment, urýchliť opotrebovanie rezného okraja nástroja a výrazne znížiť životnosť nástroja.

Po druhé, keďže rezné teplo je sústredené v blízkosti rezného okraja a nemôže sa rýchlo odvádzať, trenie na čelnej ploche nástroja stúpa, čo komplikuje odvádzanie triesok a ďalšie urýchľuje opotrebovanie nástroja.

Nakoniec pri zvýšených teplotách sa chemická aktivita titánových zliatin výrazne zvyšuje. Majú tendenciu reagovať s materiálom nástroja, čo má za následok adhéziu, difúziu a tvorbu nárastu na reznom okraji . Tieto javy môžu viesť k zaseknutiu, prehriatiu alebo zlomeniu nástroja a vážne ovplyvniť kvalitu a účinnosť obrábania.

Výhody obrábacích strojov

Obrábací centrá môžu súčasne spracovávať viacero komponentov, čím výrazne zvyšujú výrobnú efektivitu. Ich vysoká presnosť zaisťuje vynikajúcu konzistenciu výrobkov a funkcie kompenzácie nástrojov umožňujú plne využiť prirodzenú presnosť obrábacích strojov.

Obrábací centrá ponúkajú tiež vysokú prispôsobivosť a flexibilitu , čo im umožňuje jednoducho vykonávať obrábanie oblúkov, zaoblenie hrán a prechodových zaoblení. Ešte pôsobivejšie je, že podporujú viacúčelové operácie , vrátane frézovania, vŕtania, vyvrtávania a rezania závitov – všetko na jedinom stroji.

Z hľadiska kontroly nákladov umožňujú obrábací centrá presné účtovanie nákladov a plánovanie výroby, eliminujú potrebu špeciálnych upínačov, znížia celkové náklady a skrátia výrobné cykly. Okrem toho výrazne znížia fyzickú námahu pracovníkov a môžu byť bezproblémovo integrované so softvérom CAM, ako napríklad UG (NX) na vykonávanie obrábania viacosiovo.

Výber rezných nástrojov a chladiacich kvapalín

Výber vhodných rezných nástrojov a chladiacich kvapalín je kritický pri obrábaní titanových zliatin. Materiály nástrojov musia vykazovať vysoká tvrdošť a odolnosť pred nosením aby sa zabezpečilo účinné odstraňovanie materiálu. Výber chladiacej kvapaliny má priamy vplyv na kvalitu a účinnosť obrábania – vhodné chladiace kvapaliny znížia trenie a rezné teplo, predĺžia životnosť nástrojov a zvýšia presnosť obrábania.

1. Požiadavky na materiál nástroja

• Tvrdosť nástroja musí byť výrazne vyššia ako tvrdosť titanových zliatin, aby bolo možné efektívne rezať.
• Nástroje musia mať dostatočnú pevnosť a húževnatosť na odolanie vysokému krútiacemu momentu a rezným silám.
• Vzhľadom na vysokú húževnatosť titanových zliatin musia rezné hrany zostať ostré; preto je vyžadovaná vynikajúca odolnosť proti opotrebovaniu, aby sa minimalizovalo tvrdnutie materiálu pri obrábaní.

2. Výber geometrie frézy

Vzhľadom na jedinečné vlastnosti obrábania titanových zliatin sa geometria frézy výrazne líši od bežných nástrojov.
A menší uhol špirály (β) sa odporúča na zvýšenie objemu zubov, zlepšenie odvádzania triesok a zlepšenie odvádzania tepla.

3. Výber rezných parametrov

Pri obrábaní titánových zliatin sa odporúčajú nižšie rezné rýchlosti v kombinácii s vhodnými posuvmi, rozumnými hĺbkami rezania a kontrolovanými prídavkami na dokončovanie.

4. Výber a použitie chladiacej kvapaliny

Je potrebné vyhnúť sa chladiacim kvapalinám obsahujúcim chlór, aby sa zabránilo tvorbe toxických látok a vodíkovej krehkosti, ako aj znížilo riziko napäťovo-korózneho trhania pri vyšších teplotách.
Odporúča sa používať syntetické vodou rozpustné emulzie alebo špeciálne formulované chladiace kvapaliny vhodné na obrábanie zliatiny titánu.