Титанові сплави в авіації

Повітряний транспорт став невід’ємною частиною нашого повсякденного життя — як у сфері логістики повітряних вантажів, так і під час подорожей літаком. Коли ми дивимося в небо й спостерігаємо за літаками, що пролітають над нами, виникає природне запитання: з яких матеріалів виготовлені літаки, здатні перевозити такі масивні вантажі й працювати на великих висотах?
Давайте розглянемо матеріали, що забезпечують цю неймовірну можливість.

Огляд титану

У 1948 році компанія DuPont успішно освоїла промислове виробництво губчастого титану методом відновлення магнієм, що стало важливою віхою в історії титанових матеріалів. З того часу титанові сплави широко застосовуються в різних галузях промисловості завдяки їхнім винятковим фізичним властивостям, зокрема високій питомій міцності, чудовій корозійній стійкості та винятковій жаростійкості .

Примітно, що титан — поширений елемент у земній корі, посідаючи дев’яте місце за загальним вмістом , що значно перевищує вміст таких поширених металів, як мідь, цинк та олово. Він широко розподілений у багатьох типах гірських порід, зокрема в пісках і глинах, де запаси особливо великі.

Характеристики титану

Титан має низку виняткових властивостей, зокрема високу міцність, високу теплову міцність, чудову корозійну стійкість, виняткові низькотемпературні характеристики та високу хімічну активність .

Зокрема, міцність титану значно перевершує міцність алюмінієвих сплавів, магнієвих сплавів і нержавіючих сталей, що робить його одним із найкращих конструкційних металів. Титанові сплави також виявляють виняткові характеристики при підвищених температурах: їх робочі температури суттєво вищі за температури алюмінієвих сплавів, а також забезпечують стабільну тривалу експлуатацію при 450–500°C .

Крім того, титан виявляє виняткову стійкість до кислот, лугів і атмосферної корозії, зокрема демонструючи високу стійкість до точкової корозії та корозійного розтріскування під напруженням при низьких температурах титанові сплави, такі як TA7 зберігають хорошу пластичність і механічні властивості навіть при температурах, що досягають –253°C .

Однак титан проявляє високу хімічну активність при підвищених температурах і легко реагує з газами, такими як водень і кисень у повітрі, утворюючи загартовані поверхневі шари. Крім того, теплопровідність титанових сплавів порівняно низька — приблизно 1/4 від нікелю, 1/5 від заліза та 1/14 від алюмінію — тоді як їхній модуль пружності приблизно удвічі менший за сталь . Ці характеристики роблять титан незамінним у багатьох передових інженерних застосуваннях.

Класифікація та застосування титанових сплавів

Титанові сплави можна класифікувати за їхнім призначенням на жаростійкі сплави, високоміцні сплави, корозійностійкі сплави (наприклад, сплави Ti-Mo та Ti-Pd), низькотемпературні сплави , а також спеціальні функціональні сплави , включаючи титаново-залізні матеріали для зберігання водню та титаново-нікелеві сплави з пам’яттю форми.

Хоча історія застосування титанових сплавів порівняно коротка, їхні виняткові експлуатаційні характеристики принесли їм численні визнання, одне з яких — титул «космічний метал». Ця назва походить від їхньої малої маси, високої міцності та чудової стійкості до високих температур, що робить їх ідеальними матеріалами для літальних апаратів та космічних засобів.

Наразі приблизно три чверті світового виробництва титану та титанових сплавів використовуються в аерокосмічній галузі , а багато компонентів, які раніше виготовлялися з алюмінієвих сплавів, тепер замінюються титановими сплавами.

Застосування в авіації

Титанові сплави є критичними матеріалами у виробництві літаків та двигунів. Вони широко використовуються у кованих вентиляторних компонентах, дисках та лопатях компресора, корпусах двигунів, вихлопних системах , а також структурні компоненти, такі як рами та перегородки .

У авіаційно-космічній галузі висока питома міцність, корозійна стійкість та експлуатаційні характеристики титанових сплавів при низьких температурах роблять їх ідеальними для похідних резервуарів, паливних баків, кріпильних елементів, кріплення приладів, структурних рам та корпусів ракет . Зварні конструкції з титанових сплавів у листовій формі широко використовуються в штучних супутниках, модулях для польотів на Місяць, пілотованих космічних апаратах та космічних челноках .

У 1950 році Сполучені Штати вперше застосували титанові сплави в Винищувачі-бомбардувальнику F-84 , використовуючи їх для ненавантажених компонентів, таких як теплові екрани задньої частини фюзеляжу, повітропроводи та обтічні обтічники хвостової частини. Починаючи з 1960-х років титанові сплави почали застосовуватися не лише в задній, а й у середній частині фюзеляжу, частково замінюючи конструкційну сталь у перегородках, балках та кріпленнях крил .

До 1970-х років, з початком масового виробництва цивільних літаків, таких як Boeing 747 , використання титану стрімко зросло. Лише літак Boeing 747 містив понад 3640 кг титану , що становило приблизно 28 % ваги конструкції літака . Сплави титану також почали широко застосовуватися в ракетах, супутниках та космічних апаратах.

Характеристики обробки сплавів титану

По-перше, сплави титану мають порівняно низьку теплопровідність — лише близько однієї чверті теплопровідності сталі, однієї тринадцятої — алюмінію та однієї двадцять п’ятої — міді під час обробки тепло відводиться та охолодження є неефективними, що призводить до високих температур, зосереджених у зоні різання . Це може спричинити деформацію заготовки та пружне відновлення, збільшити крутящий момент різання, прискорити зношування різального інструменту та значно скоротити термін його служби.

По-друге, оскільки тепло різання зосереджується поблизу різального леза й не може швидко відводитися, тертя на передній поверхні зростає, що ускладнює виведення стружки й ще більше прискорює зношування інструменту.

Нарешті, за підвищених температур хімічна активність титанових сплавів значно зростає. Вони схильні реагувати з матеріалом інструменту, що призводить до адгезії, дифузії та утворення наростаючої кромки . Ці явища можуть призвести до прилипання інструменту, його перегріву або руйнування, що серйозно впливає на якість і ефективність обробки.

Переваги верстатів з ЧПУ

Обробні центри можуть обробляти кілька компонентів одночасно, що значно підвищує ефективність виробництва. Їх висока точність забезпечує чудову узгодженість продукції, а функції компенсації інструментів дозволяють повною мірою використовувати власну точність верстата.

Обробні центри також пропонують високу адаптивність та гнучкість , легко виконуючи обробку дуг, фасок та переходів з заокругленнями. Ще більш вражаючим є те, що вони підтримують багатофункціональні операції , зокрема фрезерування, свердлення, розточування та нарізання різьби — всі ці операції на одному верстаті.

З точки зору контролю витрат обробні центри дозволяють точно обліковувати витрати та планувати виробництво, усувають необхідність у спеціалізованих пристроях, знижують загальні витрати та скорочують тривалість виробничих циклів. Вони також значно зменшують фізичне навантаження на персонал та можуть безперебійно інтегруватися з програмним забезпеченням CAM, таким як UG (NX) для виконання багатоосевого оброблення.

Підбір інструментів для різання та охолоджувальних рідин

Підбір відповідних інструментів для різання та охолоджувальних рідин є критичним при обробленні титанових сплавів. Матеріали інструментів повинні мати висока твердість і стійкість до зносу щоб забезпечити ефективне знімання матеріалу. Підбір охолоджувальної рідини безпосередньо впливає на якість та ефективність оброблення — правильні охолоджувальні рідини зменшують тертя й тепловиділення під час різання, продовжують термін служби інструментів і підвищують точність оброблення.

1. Вимоги до матеріалу інструментів

• Твердість інструментів повинна бути значно вищою за твердість титанових сплавів, щоб забезпечити ефективне різання.
• Інструменти повинні мати достатню міцність і ударну в’язкість, щоб витримувати високий крутний момент і сили різання.
• З урахуванням високої в’язкості титанових сплавів різальні кромки повинні залишатися гострими; тому потрібна висока стійкість до зносу, щоб мінімізувати наклеп.

2. Підбір геометрії фрези

Через унікальні характеристики оброблення титанових сплавів геометрія фрези значно відрізняється від геометрії звичайних інструментів.
A менший кут підйому витка (β) рекомендується для збільшення об’єму канавок, покращення видалення стружки та підвищення ефективності відведення тепла.

3. Вибір режимів різання

При обробці титанових сплавів слід застосовувати нижчі швидкості різання у поєднанні з відповідними подачами, раціональними глибинами різання та контрольованими припусками на остаточну обробку.

4. Вибір і застосування охолоджуючої рідини

Слід уникати охолоджуючих рідин, що містять хлор, щоб запобігти утворенню токсичних речовин і водневому охрупленню, а також знизити ризик корозійного ураження під напруженням при підвищених температурах.
Рекомендується використовувати синтетичні водорозчинні емульсії або спеціально розроблені охолоджувальні рідини, придатні для обробки титанових сплавів.