Lịch sử ứng dụng titan trong ngành hàng không bắt đầu vào năm 1953 với việc sử dụng titan đầu tiên trong vỏ động cơ và tường lửa của DC-T do Douglas sản xuất tại Hoa Kỳ. Kể từ đó, titan đã được sử dụng trong máy bay gần 50 năm. Bởi vì nó có nhiều phẩm chất hữu ích thích hợp cho các ứng dụng máy bay, nên titan được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không. Chúng ta sẽ thảo luận về sự cần thiết của titan trong cuộc thảo luận hôm nay về vật liệu máy bay.
1. Giới thiệu titan
Việc sản xuất bọt biển titan hoặc titan công nghiệp đầu tiên chỉ bắt đầu vào năm 1948 khi Công ty DuPont của Hoa Kỳ sản xuất hàng tấn bọt biển titan bằng quy trình magiê. Do độ bền riêng cao, khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và khả năng chịu nhiệt cao, hợp kim titan được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Titan đứng thứ mười về mức độ phong phú trong lớp vỏ trái đất, lớn hơn nhiều so với các kim loại thông thường như đồng, kẽm và thiếc. Cát và đất sét là hai loại đá mà titan đặc biệt phong phú.
2. đặc điểm của titan
Độ bền cao: gấp 1,3 lần hợp kim nhôm, 1,6 lần so với hợp kim magie và 3,5 lần so với thép không gỉ, vô địch trong các vật liệu kim loại.
Độ bền nhiệt cao: nhiệt độ sử dụng cao hơn vài trăm độ so với hợp kim nhôm và có thể hoạt động trong thời gian dài ở nhiệt độ 450 đến 500 độ.
Khả năng chống ăn mòn tốt: khả năng chống ăn mòn axit, kiềm và khí quyển, đặc biệt là khả năng chống rỗ và ăn mòn ứng suất mạnh.
Đặc tính tốt ở nhiệt độ thấp: hợp kim titan TA7 với các nguyên tố xen kẽ rất thấp có thể duy trì độ dẻo nhất định ở -253 độ.
Hoạt tính hóa học cao: hoạt động hóa học cao ở nhiệt độ cao, dễ dàng phản ứng hóa học với các tạp chất khí như hydro và oxy trong không khí để tạo ra lớp cứng.
Độ dẫn nhiệt nhỏ, mô đun đàn hồi nhỏ: độ dẫn nhiệt bằng khoảng 1/4 niken, 1/5 sắt và 1/14 nhôm, trong khi độ dẫn nhiệt của các hợp kim titan khác nhau thấp hơn khoảng 50% so với titan. Mô đun đàn hồi của hợp kim titan bằng khoảng 1/2 so với thép.
3. Phân loại và sử dụng hợp kim titan
Hợp kim chịu nhiệt, hợp kim cường độ cao, hợp kim chống ăn mòn (hợp kim titan-molypden, hợp kim titan-palađi, v.v.), hợp kim nhiệt độ thấp và hợp kim chức năng độc đáo là một số loại hợp kim titan dựa trên mục đích sử dụng của chúng ( vật liệu lưu trữ hydro titan-sắt và hợp kim bộ nhớ titan-niken). Mặc dù thực tế là titan và hợp kim của nó đã không được sử dụng trong một thời gian rất dài, nhưng chúng đã nhận được nhiều giải thưởng lớn nhờ những phẩm chất đặc biệt của chúng. Do độ bền, trọng lượng thấp và độ bền với nhiệt độ cao, nó đặc biệt thích hợp để sản xuất các loại tàu vũ trụ và máy bay. Lĩnh vực hàng không vũ trụ hiện đang sử dụng khoảng 75% titan và hợp kim titan được sản xuất trên toàn thế giới. Có một số thành phần trước đây được chế tạo bằng hợp kim titan nhưng ban đầu được chế tạo bằng hợp kim nhôm.
4. hợp kim titan của các ứng dụng hàng không
Hợp kim titan chủ yếu được sử dụng trong vật liệu sản xuất máy bay và động cơ, chẳng hạn như rèn quạt titan, đĩa và cánh quạt máy nén, nắp động cơ, thiết bị xả và các bộ phận khác, cũng như thanh đệm chùm máy bay và các bộ phận khung cấu trúc khác. Các vệ tinh trái đất nhân tạo, mô-đun mặt trăng, tàu vũ trụ có người lái và tàu con thoi cũng sử dụng các bộ phận hàn tấm hợp kim titan.
Năm 1950, Hoa Kỳ lần đầu tiên trang bị cho máy bay chiến đấu-ném bom F-84 như tấm chắn nhiệt phía sau thân máy bay, tấm chắn gió, nắp đuôi và các bộ phận không chịu tải khác. Những năm 60 bắt đầu sử dụng các bộ phận hợp kim titan từ thân máy bay phía sau đến thân máy bay, một phần thay cho kết cấu thép để sản xuất miếng đệm, dầm, nắp trượt và các bộ phận chịu lực quan trọng khác. Những năm 70 trở đi, máy bay dân dụng bắt đầu sử dụng hợp kim titan với số lượng lớn, chẳng hạn như máy bay chở khách Boeing 747 với lượng titan lên tới 3640 Hơn 28% trọng lượng của máy bay. Với sự phát triển của công nghệ xử lý, trong tên lửa, vệ tinh nhân tạo và tàu vũ trụ, một số lượng lớn hợp kim titan cũng được sử dụng.
Máy bay càng tiên tiến thì càng sử dụng nhiều titan. US F-14Máy bay chiến đấu sử dụng hợp kim titan, chiếm khoảng 25 phần trăm trọng lượng của máy bay; F-15Máy bay chiến đấu với 25,8 phần trăm ; máy bay chiến đấu thế hệ thứ tư của Mỹ có 41% lượng titan, động cơ F119 của nó có 39% lượng titan, hiện là loại máy bay có lượng titan cao nhất.
5. Lý do tại sao hợp kim titan được sử dụng với số lượng lớn trong ngành hàng không
Tốc độ tối đa của máy bay hiện đại đã đạt tới hơn 2,7 lần tốc độ âm thanh. Một chuyến bay siêu âm nhanh như vậy sẽ khiến máy bay cọ xát với không khí và tạo ra nhiều nhiệt. Khi tốc độ bay đạt 2,2 lần tốc độ âm thanh, hợp kim nhôm không còn chịu được nữa. Phải sử dụng hợp kim titan chịu nhiệt độ cao.
Khi tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng của động cơ hàng không tăng từ 4-6 lên 8-10, nhiệt độ của đầu ra máy nén cũng tăng tương ứng từ 200-300 độ lên 500-600 độ, đĩa máy nén áp suất thấp ban đầu và lưỡi làm bằng nhôm phải được đổi thành hợp kim titan.
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học nghiên cứu về hiệu suất của hợp kim titan, tiếp tục đạt được những tiến bộ mới. Hợp kim titan ban đầu bao gồm titan, nhôm, vanadi, nhiệt độ làm việc cao nhất là 550 độ ~ 600 độ và hợp kim nhôm titan (TiAl) mới được phát triển, nhiệt độ làm việc cao nhất đã được tăng lên 1040 độ.
Việc sử dụng hợp kim titan thay vì thép không gỉ để sản xuất đĩa và cánh máy nén áp suất cao có thể làm giảm trọng lượng của cấu trúc. Cứ giảm 10% trọng lượng máy bay thì có thể tiết kiệm được 4% nhiên liệu. Đối với tên lửa, cứ giảm 1kg trọng lượng có thể tăng tầm bắn thêm 15km.
6. phân tích đặc điểm gia công hợp kim titan
Trước hết, độ dẫn nhiệt của hợp kim titan thấp, chỉ bằng 1/4 so với thép, nhôm 1/13, đồng 1/25. do khu vực cắt tản nhiệt chậm, không có lợi cho cân bằng nhiệt, trong quá trình cắt, hiệu quả tản nhiệt và làm mát rất kém, dễ hình thành nhiệt độ cao ở khu vực cắt, sau khi xử lý các bộ phận biến dạng phục hồi, dẫn đến trong dụng cụ cắt mômen xoắn tăng, lưỡi mài mòn nhanh, độ bền giảm.
Thứ hai, độ dẫn nhiệt của hợp kim titan thấp, do đó nhiệt cắt tích tụ trong khu vực nhỏ gần dụng cụ cắt không dễ phân tán, ma sát bề mặt dụng cụ phía trước tăng lên, không dễ sứt mẻ, nhiệt cắt không dễ phân tán, tăng tốc mòn dụng cụ. Cuối cùng, hợp kim titan có hoạt tính hóa học cao, xử lý ở nhiệt độ cao dễ phản ứng với vật liệu dụng cụ, hình thành chất hòa tan, khuếch tán, dẫn đến dính dao, cháy dao, gãy dao và các hiện tượng khác.
