โลหะผสมไทเทเนียมในอุตสาหกรรมการบิน

การขนส่งทางอากาศได้กลายเป็นส่วนหนึ่งที่สำคัญยิ่งในชีวิตประจำวันของเรา—ไม่ว่าจะผ่านระบบโลจิสติกส์สินค้าทางอากาศ หรือการเดินทางโดยเครื่องบิน เมื่อเราแหงนมองท้องฟ้าและสังเกตเห็นเครื่องบินแล่นผ่านไปเหนือศีรษะ คำถามหนึ่งก็มักผุดขึ้นมาโดยธรรมชาติ: วัสดุชนิดใดที่ใช้ในการสร้างเครื่องบินซึ่งสามารถบรรทุกน้ำหนักมหาศาลได้ และปฏิบัติการได้ที่ความสูงระดับสูง?
มาสำรวจวัสดุที่อยู่เบื้องหลังความสามารถอันโดดเด่นนี้กันเถอะ

ภาพรวมของไทเทเนียม

ในปี ค.ศ. 1948 บริษัทดูปองต์ประสบความสำเร็จในการผลิตไทเทเนียมรูพรุนเชิงอุตสาหกรรมโดยใช้กระบวนการลดด้วยแมกนีเซียม ซึ่งถือเป็นหนึ่งในเหตุการณ์สำคัญในประวัติศาสตร์ของวัสดุไทเทเนียม ตั้งแต่นั้นมา โลหะผสมไทเทเนียมได้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในหลากหลายอุตสาหกรรม เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพที่โดดเด่น ซึ่งรวมถึง ความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง ความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยม และความต้านทานต่อความร้อนที่เหนือกว่า .

น่าสังเกตว่า ไทเทเนียมเป็นธาตุที่พบได้มากในเปลือกโลก โดยมีปริมาณสะสมอยู่ในอันดับที่ เก้าของธาตุทั้งหมด ซึ่งมากกว่าธาตุโลหะที่ใช้กันทั่วไป เช่น ทองแดง สังกะสี และดีบุกอย่างมาก มันกระจายตัวอยู่ทั่วไปในหินหลายชนิด โดยเฉพาะในทรายและดินเหนียว ซึ่งมีปริมาณสำรองอยู่อย่างมาก

ลักษณะเฉพาะของไทเทเนียม

ไทเทเนียมมีคุณสมบัติพิเศษหลายประการ ได้แก่ ความแข็งแรงสูง ความแข็งแรงต่อความร้อนสูง ความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยม ประสิทธิภาพการทำงานที่โดดเด่นในอุณหภูมิต่ำ และปฏิกิริยาเคมีที่รุนแรง .

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความแข็งแรงของไทเทเนียมสูงกว่าโลหะผสมอลูมิเนียม โลหะผสมแมกนีเซียม และเหล็กกล้าไร้สนิมอย่างมาก ทำให้เป็นหนึ่งในโลหะโครงสร้างที่โดดเด่นที่สุด ทั้งนี้ โลหะผสมไทเทเนียมยังแสดงสมรรถนะที่ยอดเยี่ยมมากเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูง โดยอุณหภูมิในการใช้งานสูงกว่าโลหะผสมอลูมิเนียมอย่างมีนัยสำคัญ และสามารถรักษาสมรรถนะในการใช้งานระยะยาวได้ที่ 450–500°C .

นอกจากนี้ ไทเทเนียมยังมีความต้านทานต่อกรด ด่าง และการกัดกร่อนจากบรรยากาศได้อย่างยอดเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งแสดงความต้านทานสูงต่อ การกัดกร่อนแบบจุด (pitting corrosion) และการแตกร้าวจากการกัดกร่อนภายใต้แรงดึง (stress corrosion cracking) ที่อุณหภูมิต่ำ โลหะผสมไทเทเนียม เช่น TA7 ยังคงรักษาความเหนียวและสมบัติเชิงกลที่ดีไว้ได้ แม้ที่อุณหภูมิต่ำถึง –253°C .

อย่างไรก็ตาม ไทเทเนียมมีปฏิกิริยาเคมีสูงเมื่ออยู่ที่อุณหภูมิสูง และสามารถทำปฏิกิริยากับก๊าซต่าง ๆ ในอากาศ เช่น ไฮโดรเจนและออกซิเจน ได้อย่างง่ายดาย ส่งผลให้เกิดชั้นผิวแข็งบนพื้นผิว นอกจากนี้ โลหะผสมไทเทเนียมยังมีค่าการนำความร้อนค่อนข้างต่ำ—โดยประมาณ หนึ่งส่วนสี่ของนิกเกิล หนึ่งส่วนห้าของเหล็ก และหนึ่งส่วนสิบสี่ของอลูมิเนียม —ในขณะที่โมดูลัสความยืดหยุ่นของวัสดุเหล่านี้โดยประมาณ ครึ่งหนึ่งของเหล็ก ลักษณะเหล่านี้ทำให้ไทเทเนียมมีความจำเป็นอย่างยิ่งในงานวิศวกรรมขั้นสูงหลายประการ

การจัดจำแนกและแอปพลิเคชันของโลหะผสมไทเทเนียม

โลหะผสมไทเทเนียมสามารถจัดจำแนกตามการใช้งานได้เป็น โลหะผสมทนความร้อน โลหะผสมความแข็งแรงสูง โลหะผสมต้านทานการกัดกร่อน (เช่น โลหะผสมไทเทเนียม-โมลิบดีนัม และโลหะผสมไทเทเนียม-แพลเลเดียม) โลหะผสมสำหรับอุณหภูมิต่ำ , และ โลหะผสมพิเศษเพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะ , รวมถึงวัสดุเก็บไฮโดรเจนที่ทำจากไทเทเนียม–เหล็ก และโลหะผสมทรงจำรูปแบบไทเทเนียม–นิกเกิล

แม้ว่าประวัติศาสตร์การใช้งานของโลหะผสมไทเทเนียมจะค่อนข้างสั้น แต่สมรรถนะอันโดดเด่นของมันก็ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง และได้รับรางวัลเกียรติยศหลายประเภท หนึ่งในนั้นคือชื่อเรียก “โลหะอวกาศ” ชื่อนี้มีที่มาจากน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง และความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยม จึงทำให้โลหะผสมไทเทเนียมเป็นวัสดุที่เหมาะยิ่งสำหรับอากาศยานและยานพาหนะอวกาศ

ปัจจุบัน ประมาณ สามในสี่ของปริมาณการผลิตไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียมทั่วโลกถูกใช้ในภาคอวกาศ , โดยส่วนประกอบจำนวนมากที่เคยผลิตจากโลหะผสมอลูมิเนียม ปัจจุบันถูกแทนที่ด้วยโลหะผสมไทเทเนียม

การใช้งานในด้านการบิน

โลหะผสมไทเทเนียมเป็นวัสดุสำคัญยิ่งในการผลิตอากาศยานและเครื่องยนต์ โดยมีการใช้งานอย่างแพร่หลายใน ชิ้นส่วนพัดลมที่ผ่านกระบวนการตีขึ้นรูป จานและใบพัดคอมเพรสเซอร์ โครงเครื่องยนต์ และระบบไอเสีย , รวมถึงส่วนประกอบโครงสร้าง เช่น โครงถักและผนังกั้น .

ในแอปพลิเคชันด้านการบินและอวกาศ ความแข็งแรงจำเพาะสูง ความต้านทานการกัดกร่อน และสมรรถนะที่ดีที่อุณหภูมิต่ำของโลหะผสมไทเทเนียมทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ ถังความดัน ถังเชื้อเพลิง น็อตยึด สายรัดเครื่องมือ โครงถักโครงสร้าง และปลอกจรวด . การเชื่อมแผ่นโลหะผสมไทเทเนียมถูกใช้อย่างแพร่หลายใน ดาวเทียมประดิษฐ์ โมดูลดวงจันทร์ ยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุม และกระสวยอวกาศ .

ในปี ค.ศ. 1950 สหรัฐอเมริกาได้นำโลหะผสมไทเทเนียมมาใช้เป็นครั้งแรกกับ เครื่องบินขับไล่-ทิ้งระเบิดแบบ F-84 , โดยใช้ในส่วนประกอบที่ไม่รับน้ำหนัก เช่น แผ่นกันความร้อนบริเวณท้ายลำตัว ท่ออากาศ และฝาครอบปลายหาง เริ่มตั้งแต่ทศวรรษ 1960 เป็นต้นมา โลหะผสมไทเทเนียมได้ขยายการใช้งานจากส่วนท้ายลำตัวไปยังส่วนกลางลำตัว โดยแทนที่เหล็กโครงสร้างบางส่วนใน ผนังกั้น คาน และรางปีกเลื่อน .

จนถึงทศวรรษ 1970 ด้วยการผลิตเครื่องบินพลเรือนจำนวนมาก เช่น Boeing 747 การใช้ไทเทเนียมเพิ่มขึ้นอย่างมาก เครื่องบิน Boeing 747 เพียงลำเดียวใช้ไทเทเนียมมากกว่า 3,640 กิโลกรัม คิดเป็นประมาณ 28% ของน้ำหนักโครงสร้างทั้งหมดของเครื่องบิน นอกจากนี้ โลหะผสมไทเทเนียมยังถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในจรวด ดาวเทียม และยานอวกาศ

ลักษณะการกลึงของโลหะผสมไทเทเนียม

ประการแรก โลหะผสมไทเทเนียมมีความสามารถในการนำความร้อนค่อนข้างต่ำ—ต่ำเพียงประมาณ หนึ่งในสี่ของเหล็ก หนึ่งในสิบสามของอลูมิเนียม และหนึ่งในยี่สิบห้าของทองแดง ในระหว่างการกลึง ความสามารถในการกระจายความร้อนและการระบายความร้อนจึงมีประสิทธิภาพต่ำ ส่งผลให้ อุณหภูมิสูงสะสมอยู่บริเวณโซนตัด ซึ่งอาจทำให้ชิ้นงานเกิดการบิดเบี้ยวและคืนรูปแบบยืดหยุ่น เพิ่มแรงบิดขณะตัด เร่งการสึกหรอของคมเครื่องมือ และลดอายุการใช้งานของเครื่องมืออย่างมาก

ประการที่สอง เนื่องจากความร้อนจากการตัดสะสมอยู่ใกล้กับคมตัดและไม่สามารถระบายออกได้อย่างรวดเร็ว ทำให้แรงเสียดทานบนผิวหน้าตัดเพิ่มขึ้น ส่งผลให้การกำจัดเศษชิ้นงานเป็นไปได้ยากขึ้น และเร่งการสึกหรอของเครื่องมือให้รุนแรงยิ่งขึ้น

สุดท้ายนี้ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น กิจกรรมทางเคมีของโลหะผสมไทเทเนียมจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยมีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับวัสดุของเครื่องมือ ส่งผลให้เกิด การยึดติด การแพร่กระจาย และการก่อตัวของครีบโลหะ (built-up edge) ปรากฏการณ์เหล่านี้อาจทำให้เครื่องมือติดขัด ไหม้ หรือหัก กระทบต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของการกลึงอย่างรุนแรง

ข้อได้เปรียบของศูนย์เครื่องจักรกล

ศูนย์กลึงสามารถประมวลผลชิ้นส่วนหลายชิ้นพร้อมกัน ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตได้อย่างมาก ความแม่นยำสูงของเครื่องจักรรับประกันความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์ที่ยอดเยี่ยม และด้วยฟังก์ชันการชดเชยเครื่องมือ ความแม่นยำโดยธรรมชาติของเครื่องจักรกลสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างเต็มที่

ศูนย์กลึงยังให้ ความสามารถในการปรับตัวและยืดหยุ่นสูง สามารถดำเนินการกัดโค้ง กัดขอบเอียง (Chamfering) และการเปลี่ยนผ่านแบบโค้งมน (Fillet transitions) ได้อย่างง่ายดาย อีกทั้งยังรองรับ การดำเนินการแบบหลายหน้าที่ รวมถึงการกัด การเจาะ การขยายรู (Boring) และการตัดเกลียว (Tapping) ทั้งหมดบนเครื่องจักรเพียงเครื่องเดียว

จากมุมมองการควบคุมต้นทุน ศูนย์กลึงช่วยให้สามารถบันทึกบัญชีต้นทุนได้อย่างแม่นยำ วางแผนการผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ กำจัดความจำเป็นในการใช้อุปกรณ์ยึดจับเฉพาะงาน ลดต้นทุนโดยรวมลง และย่นระยะเวลาการผลิต นอกจากนี้ยัง ลดภาระแรงงานลงอย่างมาก และสามารถผสานรวมเข้ากับซอฟต์แวร์ CAM ต่าง ๆ ได้อย่างไร้รอยต่อ เช่น UG (NX) เพื่อดำเนินการกัดแบบหลายแกน

การเลือกเครื่องมือตัดและสารหล่อลื่น

การเลือกเครื่องมือตัดและสารหล่อลื่นที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งในการกลึงโลหะผสมไทเทเนียม วัสดุของเครื่องมือต้องแสดงคุณสมบัติ ความแข็งสูงและทนต่อการ摩耗 เพื่อให้การขจัดวัสดุเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ การเลือกสารหล่อลื่นมีผลโดยตรงต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของการกลึง—สารหล่อลื่นที่เหมาะสมช่วยลดแรงเสียดทานและความร้อนจากการตัด ทำให้อายุการใช้งานของเครื่องมือยาวนานขึ้น และเพิ่มความแม่นยำในการกลึง

1. ข้อกำหนดวัสดุของเครื่องมือ

• ความแข็งของเครื่องมือต้องสูงกว่าโลหะผสมไทเทเนียมอย่างมาก เพื่อให้สามารถตัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• เครื่องมือต้องมีความแข็งแรงและความเหนียวเพียงพอเพื่อรองรับแรงบิดสูงและแรงตัดที่เกิดขึ้น
• เนื่องจากโลหะผสมไทเทเนียมมีความเหนียวสูง คมตัดจึงต้องคงความคมอยู่เสมอ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีคุณสมบัติทนการสึกหรอได้ดีเพื่อลดปรากฏการณ์การแข็งตัวขณะทำงาน (work hardening)

2. การเลือกรูปทรงของปลายสว่านแบบปลายตัด (End Mill)

เนื่องจากลักษณะการกลึงที่เป็นเอกลักษณ์ของโลหะผสมไทเทเนียม รูปทรงของปลายสว่านแบบปลายตัดจึงแตกต่างอย่างมากเมื่อเทียบกับเครื่องมือทั่วไป
A มุมเกลียวที่เล็กลง (β) ถูกแนะนำให้ใช้เพื่อเพิ่มปริมาตรของร่องตัด ปรับปรุงการระบายเศษชิ้นงาน และส่งเสริมการกระจายความร้อน

3. การเลือกพารามิเตอร์การตัด

เมื่อทำการกลึงโลหะผสมไทเทเนียม ควรใช้ความเร็วในการตัดที่ต่ำกว่า ร่วมกับอัตราการป้อนที่เหมาะสม ความลึกของการตัดที่สมเหตุสมผล และค่าเผื่อสำหรับขั้นตอนการตกแต่งที่ควบคุมได้

4. การเลือกและวิธีการใช้น้ำหล่อเย็น

ควรหลีกเลี่ยงน้ำหล่อเย็นที่มีสารคลอรีน เพื่อป้องกันการเกิดสารพิษและภาวะเปราะจากไฮโดรเจน รวมทั้งลดความเสี่ยงของการกัดกร่อนภายใต้แรงดึงที่อุณหภูมิสูง
แนะนำให้ใช้ อิมัลชันที่ละลายในน้ำแบบสังเคราะห์ หรือสารหล่อเย็นที่มีสูตรพิเศษซึ่งเหมาะสมสำหรับการกลึงโลหะผสมไทเทเนียม