The history of titanium applications in aviation began in 1953 with the first usage of titanium in the engine pods and firewalls of the DC-T manufactured by Douglas in the United States. Since that time, titanium has been utilized in aircraft for almost 50 years. Because it has numerous beneficial qualities that are appropriate for aircraft applications, titanium is widely employed in aviation. We shall discuss the need for titanium in today's discussion on aircraft materials.
1. معرفی تیتانیوم
اولین تولید صنعتی اسفنج تیتانیوم یا تیتانیوم تنها در سال 1948 آغاز شد، زمانی که شرکت دوپونت ایالات متحده تنها اسفنج تیتانیوم را با استفاده از فرآیند منیزیم تولید کرد. از آنجایی که آلیاژ تیتانیوم به دلیل استحکام ویژه بالا، مقاومت در برابر خوردگی عالی و مقاومت در برابر حرارت بالا، به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. تیتانیوم از نظر فراوانی در پوسته زمین رتبه دهم را دارد که بسیار بیشتر از فلزات معمولی مانند مس، روی و قلع است. ماسه و خاک رس دو نوع سنگی هستند که تیتانیوم در آنها بسیار فراوان است.
2. ویژگی های تیتانیوم
استحکام بالا: 1.3 برابر آلیاژ آلومینیوم، 1.6 برابر آلیاژ منیزیم و 3.5 برابر فولاد ضد زنگ، قهرمان در بین مواد فلزی.
مقاومت 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: مقاوم در برابر خوردگی اسیدی، قلیایی و جوی، به ویژه مقاومت قوی در برابر خوردگی حفره ای و تنشی.
خواص خوب در دمای پایین: آلیاژ تیتانیوم TA7 با عناصر میان بافتی بسیار کم می تواند درجه خاصی از انعطاف پذیری را در درجه -253 حفظ کند.
فعالیت شیمیایی بالا: فعالیت شیمیایی بالا در دماهای بالا، به راحتی با ناخالصی های گازی مانند هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا واکنش شیمیایی می دهد و یک لایه سخت شده ایجاد می کند.
هدایت حرارتی کوچک، مدول الاستیسیته کوچک: هدایت حرارتی حدود 1/4 نیکل، 1/5 آهن و 1/14 آلومینیوم است، در حالی که رسانایی حرارتی آلیاژهای مختلف تیتانیوم حدود 50 درصد کمتر از تیتانیوم است. مدول الاستیسیته آلیاژهای تیتانیوم حدود 1/2 فولاد است.
3. طبقه بندی و استفاده از آلیاژهای تیتانیوم
آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت، آلیاژهای با استحکام بالا، آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی (آلیاژهای تیتانیوم-مولیبدن، آلیاژهای تیتانیوم-پالادیوم و غیره)، آلیاژهای با دمای پایین و آلیاژهای کاربردی منحصر به فرد برخی از دسته‌بندی‌های آلیاژهای تیتانیوم بر اساس کاربرد مورد نظرشان هستند. مواد ذخیره سازی هیدروژن تیتانیوم-آهن و آلیاژهای حافظه تیتانیوم-نیکل). علیرغم این واقعیت که تیتانیوم و آلیاژهای آن برای مدت طولانی مورد استفاده قرار نگرفته اند، آنها تاکنون جوایز مهم متعددی را برای کیفیت استثنایی خود دریافت کرده اند. به دلیل استحکام، وزن کم و دوام در دمای بالا، به ویژه برای ساخت فضاپیماها و هواپیماهای مختلف مناسب است. بخش هوافضا در حال حاضر از حدود 75 درصد از تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم تولید شده در سراسر جهان استفاده می کند. اجزای مختلفی وجود دارد که قبلاً از آلیاژهای تیتانیوم ساخته شده بودند اما در ابتدا از آلیاژهای آلومینیوم ساخته شده بودند.
4. آلیاژ تیتانیوم کاربردهای هوانوردی
آلیاژ تیتانیوم عمدتاً در مواد ساخت هواپیما و موتور مانند فن های تیتانیوم آهنگری، دیسک ها و تیغه های کمپرسور، روکش های موتور، دستگاه های اگزوز و سایر قطعات، و همچنین فاصله دهنده تیر هواپیما و سایر قطعات چارچوب ساختاری استفاده می شود. ماهواره های زمین مصنوعی، ماژول های ماه، فضاپیماهای سرنشین دار و شاتل های فضایی نیز از قطعات جوش داده شده با صفحه آلیاژ تیتانیوم استفاده می کنند.
در سال 1950 ایالات متحده برای اولین بار در جنگنده بمب افکن F{1}} به عنوان سپر حرارتی بدنه عقب، سپر باد، پوشش دم و سایر اجزای غیر باربر. دهه 60 شروع به استفاده از قطعات آلیاژ تیتانیوم از بدنه عقب تا بدنه کرد، تا حدی به جای اسپیسر ساخت فولاد سازه، تیر، لغزش فلپ و سایر اجزای مهم باربر. از دهه 70 به بعد، هواپیماهای غیرنظامی شروع به استفاده از آلیاژ تیتانیوم در مقادیر زیاد کردند، مانند هواپیمای مسافربری بوئینگ 747 با تیتانیوم 3640 بیش از 28 درصد وزن هواپیما. با توسعه فناوری پردازش، در موشک ها، ماهواره های مصنوعی و فضاپیماها نیز از تعداد زیادی آلیاژ تیتانیوم استفاده شد.
هرچه هواپیما پیشرفته تر باشد، تیتانیوم بیشتری استفاده می شود. F-14هواپیماهای جنگنده ایالات متحده از آلیاژ تیتانیوم استفاده می کند که حدود 25 درصد وزن هواپیما را تشکیل می دهد. F{2}}یک هواپیمای جنگنده برای 25.8 درصد؛ نسل چهارم هواپیماهای جنگنده آمریکا با 41 درصد تیتانیوم، موتور F119 آن با 39 درصد تیتانیوم، در حال حاضر بیشترین میزان تیتانیوم هواپیما را دارد.
5. دلایلی که چرا از آلیاژهای تیتانیوم به تعداد زیاد در هوانوردی استفاده می شود
حداکثر سرعت قایقرانی 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. هنگامی که سرعت پرواز به 2.2 برابر سرعت صوت می رسد، آلیاژهای آلومینیوم دیگر نمی توانند آن را تحمل کنند. باید از آلیاژهای تیتانیوم مقاوم در برابر دمای بالا استفاده کرد.
هنگامی که نسبت رانش به وزن موتور هوا از 4-6 به 8-10 افزایش می‌یابد، دمای خروجی کمپرسور به ترتیب از 200-300 درجه به 500-600 افزایش می‌یابد. درجه، دیسک کمپرسور کم فشار اصلی و تیغه ساخته شده از آلومینیوم باید به آلیاژ تیتانیوم تغییر یابد.
در سال‌های اخیر، دانشمندان روی کار تحقیقاتی عملکرد آلیاژ تیتانیوم، به پیشرفت‌های جدید ادامه می‌دهند. آلیاژ تیتانیوم اصلی متشکل از تیتانیوم، آلومینیوم، وانادیم، بالاترین دمای کاری 550 درجه ~ 600 درجه، و آلیاژ آلومینیوم تیتانیوم (TiAl) که به تازگی توسعه یافته است، بالاترین دمای کاری به 1040 درجه افزایش یافته است.
استفاده از آلیاژهای تیتانیوم به جای فولاد ضد زنگ برای ساخت دیسک‌ها و تیغه‌های کمپرسور فشار بالا می‌تواند وزن سازه را کاهش دهد. به ازای هر 10 درصد کاهش وزن در هواپیما، 4 درصد صرفه جویی در سوخت حاصل می شود. برای موشک ها، هر 1 کیلوگرم کاهش وزن می تواند برد را 15 کیلومتر افزایش دهد.
تجزیه و تحلیل ویژگی های ماشینکاری آلیاژ تیتانیوم 6
اول از همه، هدایت حرارتی آلیاژ تیتانیوم کم است، فقط 1/4 فولاد، آلومینیوم 1/13، مس 1/25. به دلیل اتلاف حرارت آهسته در منطقه برش، منجر به تعادل حرارتی نمی شود، در فرآیند برش، اتلاف گرما و اثر خنک کننده بسیار ضعیف است، به راحتی در ناحیه برش دمای بالا تشکیل می شود، پس از پردازش قطعات، تغییر شکل مجدداً برگشت می یابد، در نتیجه در افزایش گشتاور ابزار برش، سایش لبه سریع، دوام کاهش می یابد.
ثانیا، هدایت حرارتی آلیاژ تیتانیوم کم است، به طوری که گرمای برش در منطقه کوچک نزدیک ابزار برش به راحتی پراکنده نمی شود، اصطکاک سطح ابزار جلو افزایش می یابد، برش دادن آسان نیست، گرمای برش به راحتی پراکنده نمی شود، شتاب می گیرد. سایش ابزار در نهایت، فعالیت شیمیایی آلیاژ تیتانیوم بالا است، پردازش در دماهای بالا آسان است با مواد ابزار واکنش نشان می دهد، تشکیل محلول، انتشار، و در نتیجه چاقوی چسبنده، چاقوی سوزاندن، چاقوی شکسته و سایر پدیده ها.
