تیتانیوم پیوندی ناگسستنی با هوانوردی دارد. در سال 1953، تیتانیوم برای اولین بار در غلاف موتور و دیواره های آتش هواپیماهای DC{2}T تولید شده در ایالات متحده استفاده شد، بنابراین تاریخچه کاربردهای هوانوردی تیتانیوم را باز کرد. از آن زمان تاکنون، نیم سال است که از تیتانیوم در هوانوردی استفاده می شود
بیش از یک قرن. تیتانیوم می تواند به طور گسترده ای در هوانوردی مورد استفاده قرار گیرد زیرا دارای ویژگی های ارزشمند بسیاری است که برای کاربردهای هواپیما مناسب است. امروز ما در مورد اینکه چرا باید از آلیاژ تیتانیوم برای مواد هواپیمایی استفاده شود صحبت خواهیم کرد.
1، مقدمه ای بر تیتانیوم
در سال 1948 شرکت DuPont ایالات متحده تنها تیتانیوم اسفنجی را به روش منیزیم تولید کرد که آغاز تولید صنعتی تیتانیوم اسفنجی بود. آلیاژ تیتانیوم به دلیل استحکام ویژه بالا، مقاومت در برابر خوردگی خوب و مقاومت در برابر حرارت بالا به طور گسترده در زمینه های مختلف استفاده می شود.
تیتانیوم در پوسته زمین فراوان است و در رتبه نهم قرار دارد و بسیار بالاتر از مس، روی، قلع و سایر فلزات رایج است. تیتانیوم به طور گسترده در بسیاری از سنگ ها، به ویژه ماسه و خاک رس یافت می شود.
2، ویژگی های تیتانیوم
استحکام بالا: 1.3 برابر آلیاژ آلومینیوم، 1.6 برابر آلیاژ منیزیم و 3.5 برابر فولاد ضد زنگ. این قهرمان مواد فلزی است.
استحکام حرارتی بالا: دمای استفاده چند صد درجه بالاتر از آلیاژ آلومینیوم است و می تواند برای مدت طولانی در دمای 450 تا 500 درجه کار کند.
مقاومت در برابر خوردگی خوب: مقاومت در برابر اسید، مقاومت قلیایی، مقاومت در برابر خوردگی اتمسفر، به ویژه مقاومت قوی در برابر خوردگی حفره ای و خوردگی استرس.
عملکرد خوب در دمای پایین: آلیاژ تیتانیوم TA7 با عناصر بینابینی بسیار کم هنوز هم می تواند انعطاف پذیری خاصی را در درجه - 253 حفظ کند.
فعالیت شیمیایی بالا: فعالیت شیمیایی بالا در دمای بالا، واکنش آسان با هیدروژن، اکسیژن و سایر ناخالصی های گاز موجود در هوا برای تشکیل یک لایه سخت شده.
هدایت حرارتی کوچک و مدول الاستیک کوچک: هدایت حرارتی حدود 1/4 نیکل، 1/5 آهن و 1/14 آلومینیوم است. هدایت حرارتی آلیاژهای مختلف تیتانیوم حدود 50 درصد کمتر از تیتانیوم است. مدول الاستیک آلیاژ تیتانیوم حدود 1/2 از فولاد است.
3، طبقه بندی و کاربرد آلیاژ تیتانیوم
آلیاژهای تیتانیوم را می توان به -آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت، آلیاژهای با استحکام بالا-آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی-(تیتانیوم مولیبدن، آلیاژهای تیتانیوم پالادیوم و غیره)، آلیاژهای با دمای پایین-و آلیاژهای با دمای پایین و آلیاژهای عملکردی ویژه آلیاژهای هیدروژنیوم تیتانیوم و مواد ذخیرهسازی تیتانیوم تیتانیوم تقسیم کرد.
اگرچه سابقه کاربرد تیتانیوم و آلیاژهای آن طولانی نیست، اما به دلیل عملکرد برتر، عناوین باشکوه بسیاری را کسب کرده اند. اولین عنوانی که به دست آمد «اسپیس متال» بود. از نظر وزن سبک، استحکام قوی و در برابر دمای بالا مقاوم است، به ویژه برای ساخت هواپیما و
فضاپیماهای مختلف در حال حاضر، حدود سه-چهارم تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم تولید شده در جهان در صنعت هوافضا استفاده میشود. بسیاری از قطعات که در اصل از آلیاژ آلومینیوم ساخته شده بودند با آلیاژ تیتانیوم جایگزین شده اند.
4، کاربرد هوانوردی از آلیاژ تیتانیوم
آلیاژ تیتانیوم عمدتاً به عنوان ماده ساخت هواپیما و موتورها مانند فن های تیتانیوم آهنگری، دیسک ها و تیغه های کمپرسور، پوشش موتور، دستگاه های اگزوز و سایر قطعات و همچنین قطعات ساختاری مانند تیرها و پارتیشن های هواپیما استفاده می شود. این فضاپیما عمدتاً از استحکام ویژه بالای آلیاژ تیتانیوم استفاده می کند
درجه، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر دمای پایین برای ساخت مخازن تحت فشار مختلف، مخازن سوخت، بست ها، تسمه ابزار، قاب ها و پوسته های موشک. ماهواره های زمین مصنوعی، ماژول های قمری، فضاپیماهای سرنشین دار و شاتل های فضایی نیز از جوشکاری صفحات آلیاژ تیتانیوم استفاده می کنند.
در سال 1950، برای اولین بار در بمب افکن های جنگنده F{2}}84 به عنوان اجزای غیر باربر مانند پانل عایق حرارتی بدنه عقب، پوشش هدایت باد و پوشش دم استفاده شد. از دهه 1960، استفاده از آلیاژ تیتانیوم از بدنه عقب به بدنه میانی منتقل شد و تا حدی جایگزین فولاد ساختاری برای ساخت قاب های پارتیشن، تیرها شد.
ریل کشویی فلپ و سایر اجزای مهم بلبرینگ. از دهه 1970، تعداد زیادی آلیاژ تیتانیوم در هواپیماهای غیرنظامی استفاده شده است. به عنوان مثال، مقدار تیتانیوم استفاده شده در هواپیمای بوئینگ 747 بیش از 3640 کیلوگرم است که 28 درصد وزن هواپیما را تشکیل می دهد. با توسعه فناوری پردازش، در موشک ها، ماهواره های مصنوعی و پرواز فضایی
در کشتی، مقدار زیادی آلیاژ تیتانیوم نیز استفاده شد.
هرچه هواپیما پیشرفته تر باشد، تیتانیوم بیشتری مصرف می کند. آلیاژ تیتانیوم مورد استفاده در جنگنده های F-14A حدود 25 درصد وزن هواپیما را تشکیل می دهد. 25.8 درصد برای جنگنده F-15A؛ مصرف تیتانیوم جنگنده نسل چهارم آمریکا 41 درصد و مصرف تیتانیوم موتور F119 آن 39 درصد است که در حال حاضر بیشترین مصرف تیتانیوم را دارد.
5، دلایل استفاده گسترده از آلیاژ تیتانیوم در حمل و نقل هوایی
حداکثر سرعت هواپیماهای مدرن به بیش از 2.7 برابر سرعت صوت رسیده است. چنین پرواز مافوق صوت سریع باعث ساییده شدن هواپیما به هوا و تولید گرمای زیادی می شود. وقتی سرعت پرواز به 2.2 برابر سرعت صوت می رسد، آلیاژ آلومینیوم نمی تواند آن را تحمل کند. باید
از آلیاژ تیتانیوم مقاوم در برابر درجه حرارت بالا استفاده می شود.
هنگامی که نسبت رانش به وزن موتور هوا از 4 به 6 به 8 به 10 افزایش می یابد و دمای خروجی کمپرسور به ترتیب از 200 تا 300 درجه به 500 تا 600 درجه افزایش می یابد، دیسک کمپرسور کم فشار و تیغه که در اصل از آلومینیوم ساخته شده است باید با آلومینیوم جایگزین شود.
در سالهای اخیر، دانشمندان پیشرفتهای جدیدی در تحقیق در مورد خواص آلیاژهای تیتانیوم داشتهاند. آلیاژ تیتانیوم اصلی متشکل از تیتانیوم، آلومینیوم و وانادیم دارای حداکثر دمای کاری 550 درجه تا 600 درجه است، در حالی که آلیاژ تیتانات آلومینیوم جدید (TiAl) دارای حداکثر دمای کاری 550 درجه تا 600 درجه است.
دما به 1040 درجه افزایش یافته است.
استفاده از آلیاژ تیتانیوم به جای فولاد ضد زنگ برای ساختن دیسکها و تیغههای کمپرسور فشار بالا میتواند وزن ساختاری را کاهش دهد. به ازای هر 10 درصد کاهش وزن هواپیما تا 4 درصد در مصرف سوخت صرفه جویی می شود. برای یک موشک، هر 1 کیلوگرم کاهش وزن می تواند برد را 15 کیلومتر افزایش دهد.
6، تجزیه و تحلیل ویژگی های ماشینکاری آلیاژ تیتانیوم
اول اینکه رسانایی حرارتی آلیاژ تیتانیوم کم است، فقط 1/4 از فولاد، 1/13 از آلومینیوم و 1/25 از مس. به دلیل اتلاف کند گرما در ناحیه برش، برای تعادل گرما مناسب نیست. در طول فرآیند برش، اتلاف گرما و اثر خنک کنندگی بسیار ضعیف است و ایجاد دمای بالا در منطقه برش آسان است.
تغییر شکل و برگشت فنری قسمت عقب زیاد است و در نتیجه باعث افزایش گشتاور ابزار برش، سایش سریع لبه و کاهش دوام می شود.
ثانیا، رسانایی حرارتی کم آلیاژ تیتانیوم باعث می شود که گرمای برش در ناحیه کوچک نزدیک ابزار برش جمع شود، که به راحتی دفع نمی شود. اصطکاک روی صفحه چنگک افزایش مییابد، که برداشتن تراشهها آسان نیست. گرمای برش به راحتی از بین نمی رود، که باعث تسریع سایش ابزار می شود. در نهایت، فعالیت شیمیایی آلیاژ تیتانیوم
واکنش بالا، آسان با مواد ابزار هنگام پردازش در دمای بالا، تشکیل انحلال و انتشار، و در نتیجه چسبیدن، سوختن و شکستن ابزار.
