Zgodovina uporabe titana v letalstvu se je začela leta 1953 s prvo uporabo titana v ohišjih motorja in požarnih zidovih DC-T, ki ga je proizvajal Douglas v Združenih državah. Od takrat se titan že skoraj 50 let uporablja v letalih. Ker ima številne koristne lastnosti, ki so primerne za uporabo v letalih, se titan široko uporablja v letalstvu. O potrebi po titanu bomo razpravljali v današnji razpravi o letalskih materialih.
1. Predstavitev titana
Prva industrijska proizvodnja titanove gobe ali titana se je začela šele leta 1948, ko je ameriško podjetje DuPont izdelalo na tone titanove gobe po magnezijevem postopku. Zaradi svoje visoke specifične trdnosti, odlične odpornosti proti koroziji in visoke toplotne odpornosti se titanova zlitina obširno uporablja v različnih panogah. Titan se uvršča na deseto mesto glede na številčnost v zemeljski skorji, veliko več kot navadne kovine, kot so baker, cink in kositer. Pesek in glina sta dve vrsti kamnin, kjer je titana še posebej veliko.
2. značilnosti titana
Visoka trdnost: 1,3-krat večja od aluminijeve zlitine, 1,6-krat večja od magnezijeve zlitine in 3,5-krat večja od nerjavečega jekla, prvaka med kovinskimi materiali.
Visoka toplotna trdnost: temperatura uporabe je nekaj sto stopinj višja od temperature aluminijeve zlitine in lahko deluje dolgo časa pri temperaturi od 450 do 500 stopinj.
Dobra odpornost proti koroziji: odporna na kislinsko, alkalno in atmosfersko korozijo, posebej močna odpornost proti luknjičasti in napetostni koroziji.
Dobre nizkotemperaturne lastnosti: titanova zlitina TA7 z zelo nizkimi intersticijskimi elementi lahko ohrani določeno stopnjo plastičnosti pri -253 stopnji.
Visoka kemična aktivnost: visoka kemična aktivnost pri visokih temperaturah, zlahka kemično reagira s plinastimi nečistočami, kot sta vodik in kisik v zraku, da nastane utrjena plast.
Majhna toplotna prevodnost, majhen modul elastičnosti: toplotna prevodnost je približno 1/4 niklja, 1/5 železa in 1/14 aluminija, medtem ko je toplotna prevodnost različnih titanovih zlitin približno 50 odstotkov nižja od titanove. Modul elastičnosti titanovih zlitin je približno 1/2 modula elastičnosti jekla.
3. Razvrstitev in uporaba titanovih zlitin
Zlitine, odporne na vročino, zlitine visoke trdnosti, zlitine, odporne proti koroziji (zlitine titana in molibdena, zlitine titana in paladija itd.), zlitine pri nizkih temperaturah in edinstvene funkcionalne zlitine so nekatere kategorije za titanove zlitine glede na njihovo predvideno uporabo ( materiali za shranjevanje vodika titan-železo in spominske zlitine titan-nikelj). Kljub temu, da se titan in njegove zlitine že zelo dolgo ne uporabljajo, so za svoje izjemne kvalitete prejeli že številne velike nagrade. Zaradi svoje trdnosti, majhne teže in vzdržljivosti na visoke temperature je še posebej primeren za izdelavo različnih vesoljskih plovil in letal. Letalski in vesoljski sektor trenutno uporablja približno 75 odstotkov titana in titanovih zlitin, proizvedenih po vsem svetu. Obstaja več komponent, ki so bile prej izdelane iz titanovih zlitin, vendar so bile prvotno izdelane iz aluminijevih zlitin.
4. titanove zlitine za uporabo v letalstvu
Titanova zlitina se v glavnem uporablja v materialih za izdelavo letal in motorjev, kot so kovanje ventilatorjev iz titana, diskov in lopatic kompresorjev, oklepov motorjev, izpušnih naprav in drugih delov, pa tudi distančnikov žarkov letal in drugih strukturnih delov ogrodja. Umetni zemeljski sateliti, lunini moduli, vesoljska plovila s posadko in raketoplani prav tako uporabljajo varjene dele iz titanove zlitine.
Leta 1950 so Združene države prvič v lovcu-bombniku F-84 kot toplotni ščit za zadnji trup, vetrni ščit, repni pokrov in druge nenosilne komponente. V 60. letih prejšnjega stoletja so začeli uporabljati dele iz titanove zlitine od zadnjega dela trupa do trupa, deloma namesto konstrukcijskega jekla za izdelavo distančnika, nosilca, drsnika loput in drugih pomembnih nosilnih komponent. Od 70. let dalje so civilna letala začela uporabljati titanovo zlitino v velikih količinah, na primer potniško letalo Boeing 747 s titanom je znašalo 3640 Več kot 28 odstotkov teže letala. Z razvojem tehnologije obdelave se v raketah, umetnih satelitih in vesoljskih plovilih uporablja tudi veliko število titanovih zlitin.
Bolj ko je letalo naprednejše, več titana se uporablja. Ameriška lovska letala F{0}}A uporabljajo titanovo zlitino, ki predstavlja približno 25 odstotkov teže letala; F-15Lovsko letalo za 25,8 odstotka; četrta generacija ameriških bojnih letal z 41 odstotki količine titana, njegov motor F119 z 39 odstotki količine titana, je trenutno največ letal iz titana.
5. Razlogi za množično uporabo titanovih zlitin v letalstvu
Največja hitrost sodobnega letala je dosegla več kot 2,7-kratno hitrost zvoka. Tako hiter nadzvočni let bo povzročil, da se bo letalo drgnilo ob zrak in ustvarilo veliko toplote. Ko hitrost letenja doseže 2,2-kratno hitrost zvoka, aluminijeve zlitine tega ne zdržijo več. Uporabiti je treba titanove zlitine, odporne na visoke temperature.
Ko se razmerje med potiskom in težo letalskega motorja poveča s 4-6 na 8-10, se temperatura izstopne odprtine kompresorja ustrezno poveča s 200-300 stopinj na 500-600 stopnje , je treba originalni disk nizkotlačnega kompresorja in rezilo iz aluminija spremeniti v titanove zlitine.
V zadnjih letih znanstveniki na področju raziskav učinkovitosti titanovih zlitin še naprej dosegajo nov napredek. Prvotna titanova zlitina, sestavljena iz titana, aluminija, vanadija, najvišja delovna temperatura 550 stopinj ~ 600 stopinj, in novo razvita zlitina titanovega aluminija (TiAl), najvišja delovna temperatura je bila povečana na 1040 stopinj.
Uporaba titanovih zlitin namesto nerjavečega jekla za izdelavo diskov in lopatic visokotlačnega kompresorja lahko zmanjša težo strukture. Za vsakih 10-odstotno zmanjšanje teže letala je mogoče doseči 4-odstotni prihranek goriva. Pri raketah lahko vsak 1 kg zmanjšanja teže poveča doseg za 15 km.
6. analiza značilnosti strojne obdelave titanove zlitine
Prvič, toplotna prevodnost titanove zlitine je nizka, le 1/4 jekla, aluminija 1/13, bakra 1/25. zaradi počasnega odvajanja toplote v območju rezanja ni ugodno za toplotno ravnovesje, v procesu rezanja je odvajanje toplote in učinek hlajenja zelo slab, enostavno se ustvari visoka temperatura v območju rezanja, po obdelavi delov se deformacija odbije, kar povzroči v rezalnem orodju s povečanim navorom, hitra obraba robov, zmanjšana vzdržljivost.
Drugič, toplotna prevodnost titanove zlitine je nizka, tako da se rezalna toplota kopiči na majhnem območju v bližini rezalnega orodja in je ni enostavno razpršiti, poveča se površinsko trenje na sprednji površini orodja, ni enostavno odrezati, rezalne toplote ni enostavno razpršiti, pospeševanje obraba orodja. Končno je kemična aktivnost titanove zlitine visoka, obdelava pri visokih temperaturah je enostavna za reakcijo z materialom orodja, nastajanje topnega, difuzija, kar ima za posledico lepljiv nož, goreč nož, zlomljen nož in druge pojave.
