Историята на приложенията на титан в авиацията започва през 1953 г. с първото използване на титан в корпусите на двигателя и защитните стени на DC-T, произведен от Douglas в Съединените щати. Оттогава титанът се използва в самолетите почти 50 години. Тъй като има многобройни полезни качества, които са подходящи за приложения в самолети, титанът се използва широко в авиацията. Ще обсъдим необходимостта от титан в днешната дискусия за материалите за самолети.
1. Въведение в титан
Първото промишлено производство на титаниева гъба или титан започва едва през 1948 г., когато американската компания DuPont произвежда тонове титаниева гъба, използвайки магнезиев процес. Тъй като поради своята висока специфична якост, отлична устойчивост на корозия и висока устойчивост на топлина, титановата сплав се използва широко в различни индустрии. Титанът се нарежда на десето място по отношение на изобилието в земната кора, много повече от обикновените метали като мед, цинк и калай. Пясъкът и глината са два вида скали, където титанът е особено изобилен.
2. характеристиките на титан
Висока якост: 1,3 пъти по-голяма от тази на алуминиевата сплав, 1,6 пъти тази на магнезиевата сплав и 3,5 пъти тази на неръждаемата стомана, шампионът сред металните материали.
Висока термична якост: температурата на използване е няколкостотин градуса по-висока от тази на алуминиевата сплав и може да работи дълго време при температура от 450 до 500 градуса.
Добра устойчивост на корозия: устойчива на киселинна, алкална и атмосферна корозия, особено силна устойчивост на питинг и корозия под напрежение.
Добри нискотемпературни свойства: титановата сплав TA7 с много малко интерстициални елементи може да поддържа определена степен на пластичност при -253 степен.
Висока химическа активност: висока химическа активност при високи температури, лесно реагира химически с газообразни примеси като водород и кислород във въздуха, за да се получи втвърден слой.
Малка топлопроводимост, малък модул на еластичност: топлопроводимостта е около 1/4 от никела, 1/5 от желязото и 1/14 от алуминия, докато топлопроводимостта на различни титанови сплави е около 50 процента по-ниска от тази на титана. Модулът на еластичност на титановите сплави е около 1/2 от този на стоманата.
3. Класификация и използване на титанови сплави
Топлоустойчиви сплави, сплави с висока якост, устойчиви на корозия сплави (титан-молибденови сплави, титан-паладиеви сплави и др.), нискотемпературни сплави и уникални функционални сплави са някои категории за титанови сплави въз основа на предназначението им ( титаново-желязни материали за съхранение на водород и титаниево-никелови сплави с памет). Въпреки факта, че титанът и неговите сплави не са били използвани от много дълъг период, те вече са получили множество големи награди за своите изключителни качества. Поради своята здравина, ниско тегло и издръжливост на високи температури, той е особено подходящ за производството на различни космически кораби и самолети. Авиокосмическият сектор в момента използва около 75 процента от титана и титановите сплави, произведени в световен мащаб. Има няколко компонента, които преди са били изградени от титанови сплави, но първоначално са били изградени от алуминиеви сплави.
4. титановата сплав за авиационни приложения
Титановата сплав се използва главно в материалите за производство на самолети и двигатели, като коване на титаниеви вентилатори, компресорни дискове и лопатки, капаци на двигатели, изпускателни устройства и други части, както и дистанционер на гредата на самолета и други структурни части на рамката. Изкуствените земни спътници, лунните модули, пилотираните космически кораби и космическите совалки също използват заварени части от титаниева сплав.
През 1950 г. Съединените щати за първи път в изтребител-бомбардировач F-84 като топлинен щит на задния фюзелаж, преден щит, капак на опашката и други неносещи компоненти. 60-те години започнаха да се използват части от титанова сплав от задната част на фюзелажа до фюзелажа, отчасти вместо структурна стомана за производство на дистанционни елементи, греда, плъзгач на клапите и други важни носещи компоненти. 70-те години нататък гражданските самолети започнаха да използват титаниева сплав в големи количества, като например пътническият самолет Boeing 747 с титан възлизаше на 3640 Повече от 28 процента от теглото на самолета. С развитието на технологията за обработка, в ракети, изкуствени спътници и космически кораби, също се използва голям брой титанови сплави.
Колкото по-напреднал е самолетът, толкова повече титан се използва. Американските изтребители F{0}}A използват титаниева сплав, която представлява около 25 процента от теглото на самолета; F-15Боен самолет за 25,8 процента; четвъртото поколение американски изтребители с 41 процента от количеството титан, неговият двигател F119 с 39 процента от количеството титан, в момента е най-високото количество титанов самолет.
5. Причини, поради които титановите сплави се използват в големи количества в авиацията
Максималната скорост на плаване на съвременния самолет е достигнала повече от 2,7 пъти скоростта на звука. Такъв бърз свръхзвуков полет ще накара самолета да се трие във въздуха и да генерира много топлина. Когато скоростта на полета достигне 2,2 пъти скоростта на звука, алуминиевите сплави вече не могат да издържат. Трябва да се използват устойчиви на висока температура титанови сплави.
Когато съотношението на тягата към теглото на авиационния двигател се увеличи от 4-6 на 8-10, температурата на изхода на компресора се повишава съответно от 200-300 градуса до 500-600 степен , оригиналният диск на компресора за ниско налягане и острието, изработени от алуминий, трябва да се сменят с титаниева сплав.
През последните години учените, занимаващи се с изследване на производителността на титанови сплави, продължават да постигат нов напредък. Оригиналната титанова сплав, съставена от титан, алуминий, ванадий, най-високата работна температура от 550 градуса ~ 600 градуса, и новоразработената титаниево-алуминиева (TiAl) сплав, най-високата работна температура е увеличена до 1040 градуса.
Използването на титанови сплави вместо неръждаема стомана за производство на компресорни дискове и лопатки за високо налягане може да намали теглото на конструкцията. За всеки 10 процента намаление на теглото на самолет може да се постигне икономия на гориво от 4 процента. За ракетите всяко намаляване на теглото с 1 кг може да увеличи обхвата с 15 км.
6. Анализ на машинните характеристики на титановата сплав
На първо място, топлопроводимостта на титановата сплав е ниска, само 1/4 от стоманата, алуминия 1/13, медта 1/25. поради бавното разсейване на топлината в зоната на рязане, не е благоприятно за термичен баланс, в процеса на рязане разсейването на топлината и охлаждащият ефект са много лоши, лесно се образува висока температура в зоната на рязане, след обработка на части деформация отскок, в резултат в режещ инструмент с повишен въртящ момент, бързо износване на ръба, намалена издръжливост.
Второ, топлопроводимостта на титаниевата сплав е ниска, така че топлината при рязане, която се натрупва в малката зона близо до режещия инструмент, не се разпръсква лесно, триенето на повърхността на предния инструмент се увеличава, не е лесно да се натроши, топлината при рязане не се разпръсква лесно, ускорява се износване на инструмента. И накрая, химическата активност на титановата сплав е висока, обработката при високи температури е лесна за реакция с материала на инструмента, образуването на разтворим, дифузия, което води до лепкав нож, горящ нож, счупен нож и други явления.
