Titanlegeringar inom luftfarten

Lufttransport har blivit en integrerad del av våra dagliga liv – oavsett om det gäller luftfraktlogistik eller resor med flygplan. När vi tittar upp mot himlen och ser flygplan som far förbi i luften uppstår en naturlig fråga: vilka material används för att bygga flygplan som kan bära så stora laster och operera på höga altituder?
Låt oss utforska materialen bakom denna imponerande förmåga.

Översikt över titan

År 1948 lyckades DuPont framgående uppnå industriell produktion av svampformig titan med hjälp av magnesiumreduktionsprocessen, vilket markerade en viktig milstolpe i historien för titanmaterial. Sedan dess har titanlegeringar använts på bred front inom olika industrier tack vare sina utmärkta fysikaliska egenskaper, inklusive hög specifik hållfasthet, utmärkt korrosionsbeständighet och överlägsen värmebeständighet .

Noterbart är att titan är ett riktigt förekommande grundämne i jordens skal, där det rankar som nionde i totalt förekomst , långt över vanligt använda metaller såsom koppar, zink och tenn. Det finns spritt över många typer av bergarter, särskilt i sand och lera, där reserverna är särskilt omfattande.

Egenskaper hos titan

Titan uppvisar en rad exceptionella egenskaper, inklusive hög hållfasthet, hög termisk hållfasthet, utmärkt korrosionsbeständighet, framstående prestanda vid låga temperaturer och stark kemisk aktivitet .

Specifikt överstiger styrkan hos titan betydligt den hos aluminiumlegeringar, magnesiumlegeringar och rostfritt stål, vilket gör det till ett av de mest framstående konstruktionsmetalen. Titanlegeringar presterar också exceptionellt väl vid högre temperaturer, med drifttemperaturer som är avsevärt högre än de för aluminiumlegeringar, och kan bibehålla långsiktig prestanda vid 450–500 °C .

Dessutom visar titan utmärkt motstånd mot syror, alkalier och atmosfärisk korrosion, särskilt stark motstånd mot punktformig korrosion och spänningskorrosionsbrott . Vid låga temperaturer behåller titanlegeringar såsom TA7 god duktilitet och mekaniska egenskaper, även vid temperaturer så låga som –253 °C .

Titan visar dock hög kemisk reaktivitet vid högre temperaturer och kan lätt reagera med gaser såsom väte och syre i luften, vilket leder till bildning av hårdade ytskikt. Dessutom har titanlegeringar en relativt låg värmeledningsförmåga – ungefär en fjärdedel av nickel, en femtedel av järn och en fjortondel av aluminium —medan deras elasticitetsmodul är ungefär hälften av stålets . Dessa egenskaper gör titan oumbärligt inom många avancerade teknikapplikationer.

Klassificering och tillämpningar av titanlegeringar

Titanlegeringar kan klassificeras enligt sina tillämpningar i högtemperaturbeständiga legeringar, höghållfasta legeringar, korrosionsbeständiga legeringar (till exempel Ti-Mo- och Ti-Pd-legeringar), lågtemperaturlegeringar , och speciella funktionella legeringar , inklusive titan-järn-väte lagringsmaterial och titan-nickel-formminneslegeringar.

Även om användningshistoriken för titanlegeringar är relativt kort har deras framstående prestanda gett dem många utmärkelser, bland annat titeln ”rymdmetall.” Denna benämning härrör från deras låga vikt, höga hållfasthet och utmärkta temperaturbeständighet vid höga temperaturer, vilket gör dem till idealiska material för flygplan och rymdfarkoster.

För närvarande används cirka tre fjärdedelar av den globala produktionen av titan och titanlegeringar inom luft- och rymdfartssektorn , och många komponenter som tidigare tillverkades av aluminiumlegeringar ersätts nu av titanlegeringar.

Användning inom luftfarten

Titanlegeringar är kritiska material vid tillverkning av flygplan och motorer. De används omfattande i smidda fläktdelar, kompressorskivor och -blad, motorgårdar och avgassystem , samt strukturella komponenter såsom ramar och tvärskepp .

I luft- och rymdfartsapplikationer gör titanlegeringars höga specifika draghållfasthet, korrosionsbeständighet och prestanda vid låga temperaturer dem idealiska för tryckbehållare, bränsletankar, fästdon, instrumentbänder, strukturella ramverk och raketskal . Svetsade plåtdelar av titanlegeringar används omfattande i konstgjorda satelliter, månmoduler, bemannade rymdfarkoster och rymdfärjor .

År 1950 tillämpade USA för första gången titanlegeringar på jaktbombplanet F-84 , där de användes för icke-bärande komponenter såsom värmeplåtar i bakre flygkroppen, luftkanaler och stjärtströmmingskläder. Från och med 1960-talet utvidgades användningen av titanlegeringar från applikationer i den bakre flygkroppen till den mellersta flygkroppen, där de delvis ersatte konstruktionsstål i tvärskepp, balkar och klafffästen .

Under 1970-talet, med massproduktionen av civila flygplan såsom Boeing 747 , ökade användningen av titan kraftigt. Enbart Boeing 747 använde mer än 3 640 kg titan , vilket motsvarar cirka 28 % av flygplanets strukturella vikt . Titanlegeringar började också användas omfattande i raket- och satellitteknik samt i rymdfarkoster.

Bearbetningsegenskaper hos titanlegeringar

För det första har titanlegeringar en relativt låg värmeledningsförmåga – endast cirka en fjärdedel av stålets, en trettondel av aluminiums och en tjugofemtedel av kopparns under bearbetningen är värmeavledningen och kylningen därför ineffektiva, vilket leder till höga temperaturer koncentrerade i skärzonen . Detta kan orsaka arbetsstyckets deformation och elastisk återställning, öka skärtorquet, accelerera slitage på verktygets skärande kant och minska verktygslivslängden avsevärt.

Andra, eftersom skärhettan är koncentrerad nära skärande kanten och inte kan avledas snabbt, ökar friktionen på framsidan av verktyget, vilket gör spåntransporten svårare och ytterligare accelererar verktygsslitage.

Slutligen ökar den kemiska aktiviteten hos titanlegeringar avsevärt vid högre temperaturer. De tenderar att reagera med verktygsmaterial, vilket resulterar i adhäsion, diffusion och byggnad av upphöjt skärsnitt . Dessa fenomen kan leda till att verktyget fastnar, brinner eller går sönder, vilket allvarligt påverkar bearbetningskvaliteten och effektiviteten.

Fördelar med bearbetningscenter

Fräscentraler kan bearbeta flera komponenter samtidigt, vilket avsevärt förbättrar produktionseffektiviteten. Deras höga precision säkerställer utmärkt produktkonsistens, och med verktygskompenseringsfunktioner kan maskinverktygets inbyggda noggrannhet fullt utnyttjas.

Fräscentraler erbjuder också stark anpassningsförmåga och flexibilitet , vilket gör att de lätt hanterar bågbearbetning, avfasning och rundning av hörn. Ännu imponerande är att de stödjer flerfunktionella operationer , inklusive fräsning, borrning, borrning av hål med större diameter (boring) och gängning – alla på en enda maskin.

Ur kostnadskontrollsynpunkt gör fräscentraler det möjligt med exakt kostnadsredovisning och produktionsschemaläggning, eliminerar behovet av specialfixtur, minskar totala kostnader och förkortar produktionscykler. De minskar också kraftigt arbetsbelastningen och kan sömlöst integreras med CAM-programvara såsom UG (NX) utföra fleraxlig bearbetning.

Val av skärande verktyg och kylmedel

Valet av lämpliga skärande verktyg och kylmedel är avgörande vid bearbetning av titanlegeringar. Verktygsmaterialen måste uppvisa hög Hårdhet och Utvärtningsmotstånd för att säkerställa effektiv materialavtagning. Valet av kylmedel påverkar direkt bearbetningskvaliteten och effektiviteten – lämpliga kylmedel minskar friktionen och skärhettan, förlänger verktygens livslängd och förbättrar bearbetningsnoggrannheten.

1. Krav på verktygsmaterial

• Verktygets hårdhet måste vara betydligt högre än titanlegeringarnas för att möjliggöra effektiv skärning.
• Verktygen måste ha tillräcklig styrka och seghet för att tåla hög vridmoment och skärkrafter.
• På grund av titanlegeringarnas höga seghet måste skärsidorna förbli skarpa; därför krävs utmärkt slitagebeständighet för att minimera arbetshärdning.

2. Val av fräsgeometri

På grund av de unika bearbetningsegenskaperna hos titanlegeringar skiljer sig fräsgeometrin markant från konventionella verktyg.
A mindre spiralvinkel (β) rekommenderas för att öka spårrummet, förbättra avspånning och förstärka värmeavledningen.

3. Val av skärparametrar

När titanlegeringar bearbetas, lägre skärhastigheter bör användas i kombination med lämpliga fördjupningshastigheter, rimliga skärddjup och kontrollerade efterbearbetningstoleranser.

4. Val och tillämpning av kylmedel

Kylmedel som innehåller klor bör undvikas för att förhindra bildning av giftiga ämnen och väteembrittlighet samt minska risken för spänningskorrosionsbrott vid höga temperaturer.
Det rekommenderas att använda syntetiska vattenlösliga emulsioner eller särskilt formulerade kylmedel som är lämpliga för bearbetning av titanlegeringar.