Titaan on laialt levinud, selle sisaldus ületab 0,4 protsenti maakoore massist ja ülemaailmsed tõestatud varud on umbes 3,4 miljardit tonni, mis on kõigi elementide (hapnik, räni, alumiinium, raud, kaltsium) hulgas 10. , naatrium, kaalium, magneesium, vesinik, titaan).
Ameerika teadlased said metallilise titaani esmakordselt 1910. aastal "naatriumimeetodil" (TiCl4 naatriumi redutseerimine), kuid titaanitööstus ei arenenud kohe pärast titaani avastamist.
Alles 1948. aastal pärast Teist maailmasõda hakati USA-s tootmiseks kasutama Luksemburgi teadlaste leiutatud "magneesiumimeetodit" (magneesiumi redutseerimine TiCl4) ja titaanitööstus hakkas hoogu võtma.
Titaan on 40 protsenti vähem tihe kui teras ja selle tugevus on võrreldav terase omaga, mis võib parandada konstruktsiooni tõhusust. Samal ajal on titaanil hea kuumakindlus, korrosioonikindlus, elastsus, elastsus ja vormitavus. Titaani ülaltoodud omaduste tõttu on titaanisulameid kasutatud lennutööstuses alates titaanisulamite ilmumisest. 1953. aastal kasutati titaani esimest korda Ameerika Ühendriikide Douglas Company toodetud DC-T mootorite tulemüüril ja gondlil ning sai alguse lennunduses kasutatavate titaanisulamite ajalugu.
Kosmosesüstik on kõige olulisem ja enimkasutatav lennuk. Titaan on õhusõidukite peamine konstruktsioonimaterjal ja see on ka materjal selliste oluliste komponentide jaoks nagu lennukimootorite ventilaatorid, kompressori kettad ja labad ning seda tuntakse "kosmosemetallina". Mida arenenum on lennuk, seda rohkem kasutatakse titaani. Näiteks USA F22 neljanda põlvkonna lennukite titaanisisaldus on 41 protsenti (massiosa) ja F119 mootori titaanisisaldus on 39 protsenti, mis on praegu kõrgeima titaanisisaldusega lennuk. Titaanisulamite uurimine sai alguse lennundusest ning lennundustööstuse areng on samuti soodustanud titaanisulamite arengut. Titaanisulamite uurimine lennunduses on läbi aegade olnud kõige olulisem ja aktiivsem haru titaanisulamite valdkonnas, kuid ka selle arendamine on äärmiselt keeruline.
Selles artiklis klassifitseeritakse titaanisulamid sulami maatriksi faasi koostise seisukohast. Võttes lennukit kui lennuki esindajat, keskendub käesolev artikkel titaanisulamite rakendamisele ja uurimisele lennukimootorites, lennukikeredes ja lennukikinnitustes. Lõpuks analüüsitakse lennunduses kasutatavate titaanisulamite väljatöötamise probleeme.
1 Titaanisulamite klassifikatsioon
USA, Suurbritannia, Venemaa, Prantsusmaa, Jaapani ja teiste riikide titaanisulamite klassifikatsiooni määravad enamasti tootjad ning nimetusi on palju. Mõned ettevõtted kasutavad lisatud legeerivate elementide ja nende sisu asendamiseks otse elementide keemilisi sümboleid ja numbreid, näiteks Ti-6Al-4V (vastab minu riigis TC4-le). Faaside koostise järgi võib titaanisulamid jagada: -tüüpi titaanisulamid, millel on kuusnurkne tihedalt pakitud struktuur (HCP) (sealhulgas peaaegu - -tüüpi sulamid) - see tähendab kodumaisteks klassideks TA ja kahefaasilisteks segatüüpideks. pluss-tüüpi titaanisulamid, st kodumaised TC-tüüpi titaanisulamid ja kerekesksed kuubikujulised (BCC)-tüüpi titaanisulamid (sh peaaegu{10}}tüüpi sulamid) – see tähendab, et kodumaine kaubamärk on TB.
1.{1}}tüüpi titaanisulam
Ühefaasiline tahke lahussulam, mille maatriks on lõõmutatud olekus -titaan, on -tüüpi titaanisulam, mis sisaldab peamiselt selliseid elemente nagu Al ja Sn. Al võib suurendada sulami tõmbe- ja roomamistugevust, vähendada titaanisulami tihedust ja parandada eritugevust ning on titaanisulamis oluline legeerelement. Selleks, et maksimeerida alumiiniumi tahket lahust tugevdavat toimet ja vältida sulami murenemist, mis on põhjustatud liigsest Al-sisaldusest, peaks kõrge temperatuuriga titaanisulamite legeerimistöö järgima ROSENBERGi pakutud samaväärset empiirilist valemit. Hea termiline stabiilsus. Need alfa-titaanisulamites sisalduvad elemendid stabiliseerivad, pärssides või tõstes transformatsioonitemperatuuri transformatsioonitemperatuuril. Võrreldes -tüüpi titaanisulamitega on -tüüpi sulamitel hea roomamiskindlus, tugevus, keevitatavus ja sitkus ning need on eelistatud sulamid kasutamiseks kõrgetel temperatuuridel. Samas ei ole -tüüpi sulamil külmahaprust ning see sobib kasutamiseks ka madala temperatuuriga keskkonnas, mis laiendab selle kasutusala. -tüüpi sulamid on halva sepistamisvõimega ja kalduvad sepistusdefektidele. Sepistamise defekte saab kontrollida, vähendades töötlemiskiirust läbimise kohta ja sagedast kuumtöötlust. Maatriks on stabiilne faas ja antud koostisega sulami puhul on selle omaduste muutuseks peamiselt tera suuruse muutus, sest nii voolavuspiir kui ka roometugevus on seotud tera suuruse ja deformatsioonil salvestunud energiaga. -tüüpi titaanisulami tugevust ei saa kuumtöötlemisega parandada ja tugevus ei muutu pärast lõõmutamist põhimõtteliselt või muutub vähe. Mõned sulamid sisaldavad rohkem Al, Sn, Zr ja vähesel määral stabiliseerivaid elemente (tavaliselt alla 2 protsendi). Kuigi need sulamid sisaldavad -faasi, koosneb maatriks peamiselt -faasist, mis on kuumtöötlemise tundlikkuse ja töödeldavuse poolest väga lähedane -tüüpi sulamitele ning mida nimetatakse peaaegu- -tüüpi titaanisulamiteks. Peaaegu - -tüüpi sulamid töötati välja selle põhjal, et suure roometugevuse saab saavutada, tugevdades maatriksit tahke lahusega legeerelementidega. Enamik peaaegu{17}}tüüpi sulameid on nende hea termilise stabiilsuse tõttu muutunud kõrgtemperatuurilisteks titaanisulamiteks. olulised sulamitüübid. Selle tugevdamise mehhanism seisneb selles, et faasis olevad aatomid hajuvad kiiresti ja kalduvad roomama.
Levinud tüüpi titaanisulamid (sh peaaegu- -tüüpi sulamid) hõlmavad Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V), Ti-6Al{{7 }}Zr-1Mo-1V, Ti-679 (Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo{ {16}}.25Si), BT18 (Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si) ja Ti6242S (Ti{ {28}}Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) jne. Koostised ja omadused on loetletud tabelis 2.
1.2 plus tüüpi titaanisulam
Titaanisulamite tugevuse ja sitkuse parandamiseks on inimesed välja töötanud pluss titaanisulamid. Võrreldes teiste titaanisulamitega on plusssulamitele lisatud stabiliseerivaid elemente ja stabiliseerivaid elemente, et tugevdada ja faase. pluss sulamil on suurepärased kõikehõlmavad omadused. Näiteks on selle tugevus toatemperatuuril sulami omast kõrgem. Sellel on hea termilise töötlemise jõudlus ja seda saab kuumtöötlemisega tugevdada, seega sobib see kosmosesõidukite konstruktsiooniosade jaoks. Plus-tüüpi titaanisulami lõõmutatud struktuur on plussfaas ja faasisisaldus on tavaliselt 5–40 protsenti. Kuid selle struktuur ei ole piisavalt stabiilne ja maksimaalne töötemperatuur võib ulatuda ainult 500 kraadini ning selle keevitusjõudlus ja kuumakindlus on madalamad kui titaanisulamitel.
pluss tüüpi titaanisulamid hõlmavad peamiselt TC4 (Ti-6 Al - 4 V ), TC 6 (Ti - 6 Al - 1.5 C r -2.5Mo{ {9}}.5Fe-0.3Si), TC11 (Ti- 6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si), TC17 ( Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr), TC19 (Ti-6Al-2Sn{{ 31}}Zr-6Mo) ja TC21 (Ti-6.2Al-2.8Mo) -2Nb-2Sn-2.1Zr{ {42}}.3Cr) ja nii edasi. Nende hulgas on TC11 sulam tuntud ka kui peaaegu beeta sulam.
ZHOU pakkus välja TC11 sulami töötlemistehnoloogia. Esiteks kuumtöödeldakse sulamit 15 kraadi võrra alla üleminekutemperatuuri, millele järgneb kiire vesijahutus ning seejärel läbitakse kõrgel ja madalal temperatuuril karastav ja tugevdav kuumtöötlus, et saada uus mikrostruktuur. See uus mikrostruktuurimaatriks koosneb 15 protsendist võrdväärsetest teradest, 50 kuni 60 protsendist kihilistest teradest ja transformeeritud teradest. Uurimistulemused näitavad, et sulamil on kõrge väsimuskindlus, pikk roomamisväsimus, kõrge tugevus ja suurepärane kõrge temperatuuriga töövõime, ilma plastilisust ja termilist stabiilsust vähendamata.
Ja arutatakse uue protsessi ja karmismehhanismi eksperimentaalset põhimõtet. Selle töötlemistehnoloogia praktilise rakendamise põhiprobleemiks on temperatuuri täpne kontroll.
Seda TC11 titaanisulami töötlemisprotsessi on kasutatud usaldusväärsete lennukimootorite kompressorketaste, rootorite ja muude komponentide tootmiseks.
1.{1}}tüüpi titaanisulam
-stabiliseerivate elementide sisaldus on piisavalt kõrge ja sulamit, mis saadakse pärast lahuse töötlemist -faasi kiirel jahutamisel ja toatemperatuuril hoidmisel, nimetatakse -tüüpi titaanisulamiks. Stabiilse oleku mikrostruktuuri klassifikatsiooni järgi võib titaanisulamid jagada stabiilseteks titaanisulamiteks ja metastabiilseteks titaanisulamiteks, nagu on näidatud joonisel 1. Joonisel 1 on MS martensiitse transformatsiooni temperatuurijoon, C on stabiilsete elementide minimaalne sisaldus. metastabiilsetes sulamites ja S on stabiilsete elementide minimaalne sisaldus stabiilsetes sulamites.
Beetasulamitel on lahuse olekus hea külmvormitavus, samuti on need suurepärased karastavuse ja kuumtöötlemistundlikkuse poolest.
Tavaliselt kasutatav kuumtöötlemismeetod on esmalt lahusega töötlemine ja seejärel vanandamine temperatuuril 450–650 kraadi, peenfaas sadestatakse sulami algsele maatriksile, moodustades hajutatud jaotusega teise faasi, mis on sulami tugevdusmehhanism. Võrreldes teist tüüpi titaanisulamitega sadestub -titaanisulam vananemise ajal rohkem faasi ja sisaldab rohkem - faasiliidest, et takistada nihestuste liikumist, seega on -titaanisulami tugevus toatemperatuuril kõrgeim.
Metallmaterjali võimet absorbeerida energiat deformatsiooni ja purunemise ajal nimetatakse sitkuseks. Mida rohkem energiat materjal neelab, seda parem on selle sitkus. Murdetugevus on materjali sitkuse näitaja, mis peegeldab materjali vastupidavust pragude ja muude teravate defektide levikule. Üldiselt võib öelda, et titaanisulamite purunemiskindlus ja tugevus näitavad vastupidist trendi, st purunemistugevus väheneb tugevuse kasvades. -titaani sulamite kasutamise uurimiseks kosmosetööstuses on vaja kujundada hea tugevuse ja purunemiskindlusega mikrostruktuurid, samuti töötlemistehnoloogia ja kuumtöötlusrežiimid. Sulami koostis ja mikrostruktuur on kaks peamist tegurit, mis määravad beeta-titaani sulamite purunemiskindluse. Sulami koostis määrab beetafaasi koguse sulamis, samuti sulami tüübi ja purunemiskindluse. Mikrostruktuuri morfoloogia, kogus ja maht mõjutavad ka sulami purunemiskindlust. Fu Yanyan ja teised uskusid, et -stabiliseeriv element ja titaanisulami keskmise suurusega element Zr võivad parandada sulami tugevust ja vähendada purunemiskindlust. Peened terad ei saa tõhusalt parandada vananenud titaanisulamite tugevust ja vähendavad Ti-15-3-sulamite purunemiskindlust, kuid neil ei ole olulist mõju -C- ja Ti-1023-sulamite purunemiskindlusele.
Vananemis-titaani sulami tugevus sõltub peamiselt vananemise käigus sadestatud sekundaarse faasi sisaldusest ja suurusest. Sama primaarse faasi sisaldamise korral võib peen sekundaarfaas oluliselt parandada sulami tugevust.
Primaarfaasi jämestumine ja primaarse faasi muutumine sfäärilisest helbeliseks põhjustab titaanisulamite elastsuse vähenemist ja purunemiskindluse suurenemist. Titaanisulami kaherežiimilisel struktuuril on hea tugevus, elastsus ja sitkus.
Põhjus, miks titaanisulamit kasutatakse laialdaselt, on ka see, et selle eelised on kõrge tugevus ja kõrge plastilisus, mida muud tüüpi titaanisulamid ei saa pärast vananemist võrrelda. Samal ajal paneb titaanisulami kuumtöödeldud tugevdus- ja sügavkõvenemisvõime selle järk-järgult asendama pluss-kahefaasilist titaanisulamit eelistatud konstruktsioonimaterjalina lennuki kere ja tiibade jaoks ning see mängib üha olulisemat rolli kosmosetööstus. üha olulisem roll.
2 Titaanisulamite väljatöötamine ja kasutamine lennunduses
1950. aastatel jõudsid sõjalennukid ülehelikiiruse ajastusse ning algsed alumiinium- ja teraskonstruktsioonid ei suutnud enam vastata uutele nõudmistele. Just sel ajal jõudsid titaanisulamid tööstusliku arengu etappi. Titaanisulamitel on suurepärased omadused, nagu madal tihedus, kõrge eritugevus, korrosioonikindlus, kõrge temperatuurikindlus, mittemagnetiline, keevitatav, lai töötemperatuuri vahemik (269–600 kraadi) ning neid saab kasutada erinevate osade moodustamiseks, keevitamiseks ja töötlemiseks. . Aeronautikat hakati peagi laialdaselt kasutama. 1950. aastate alguses hakati sõjaväelennukites kasutama tööstuslikku puhast titaani, et toota väiksema pingega konstruktsiooniosi, nagu kuumakaitsekilbid, sabakatted ja tagumise kere kiiruspidurid. 1960. aastatel hakati titaanisulameid rakendama ka suurematele pinget kandvatele konstruktsiooniosadele, nagu lennukiklapi libisemine, kandvad vaheseinad, keskmise tiiva kasti talad ja teliku talad. 1970. aastateks oli titaanisulamite kasutusala lennukikonstruktsioonides laienenud hävitajatelt suurte sõjapommitajate ja transpordilennukiteni ning suur hulk titaanisulamitest konstruktsioone hakati kasutama ka tsiviillennukites.
Pärast 1980. aastatesse jõudmist on tsiviillennukites kasutatav titaan järk-järgult suurenenud ja ületanud sõjalennukites kasutatavat titaani. Mida arenenum on lennuk, seda rohkem titaani kasutatakse. Tabelites 3 ja 5 on loetletud Ameerika Ühendriikides kolmanda ja neljanda põlvkonna hävitajates ja täiustatud pommitajates ning transpordilennukites kasutatavate titaanimaterjalide massiosa, üldlennukites kasutatavate titaanisulamite tüübid ning titaanisulamite ja komposiitmaterjalide hulk. kasutatakse Airbusi lennukites. Tabelist 5 on näha, et titaani kasutamine Airbus A380 lennukitel on jõudnud 10 protsendini ja titaanist on saanud tänapäevaste lennukite asendamatu konstruktsioonimaterjal. Vastavalt erinevatele kasutusaladele võib lennunduses kasutatavad titaanisulamid jagada õhusõidukite mootorite titaanisulamiteks, lennuki kere titaanisulamiteks ja lennunduse kinnitusdetailide titaanisulamiteks. Viimastel aastatel on inimesed teinud põhjalikke uuringuid lennunduses kasutatavate titaanisulamite rakendamise kohta kolmes ülaltoodud aspektis.
Kokkuvõtteks võib öelda, et titaanisulamil on suur tõukejõu ja kaalu suhe, kõrge tugevus, hea tugevus ja keevitatavus ning see on suurepäraste kõikehõlmavate omadustega lennundusmaterjal. Viimastel aastakümnetel on lennunduses kasutatavate titaanisulamite legeerimise teooriat, kõikehõlmavat tugevdamise ja karastamise tehnoloogiat ning kuumtöötlemisprotsesse palju arenenud. Praegu keskenduvad titaanisulamite uuringud peamiselt termilisele stabiilsusele kõrgel temperatuuril, libisemiskindlusele ja odavale titaanisulami disainile ja tootmisprotsessile. Teadusuuringute süvenemisega juhivad titaanisulamite odava töötlemise tehnoloogilist arengut tipptasemel lennunduses kasutatavad rakendused, murdes seeläbi põhimõtteliselt läbi kulude kitsaskoha, mis piirab lennunduses kasutatavate titaanisulamite doseerimise ja kasutustaseme parandamist. Üleni titaanist õhusõiduk võib lähitulevikus reaalsuseks saada.
Lisateabe saamiseks võtke meiega ühendust. Aitäh
Nicole
Ettevõte: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Cuntry: Hiina
Lisa: Baoti tee, Jintai, Baoji linn, Shaanxi, Hiina
Cel: pluss 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Veebisait: www.jm-titanium.com
