Titanul este distribuit pe scară largă, conținutul său depășește 0,4% din masa scoarței terestre, iar rezervele globale dovedite sunt de aproximativ 3,4 miliarde de tone, ocupând locul 10 între toate elementele (oxigen, siliciu, aluminiu, fier, calciu). , sodiu, potasiu, magneziu, hidrogen, titan).
Oamenii de știință americani au obținut pentru prima dată titan metalic în 1910 folosind „metoda sodiului” (reducerea sodiului TiCl4), dar industria titanului nu s-a dezvoltat imediat odată cu descoperirea titanului.
Abia în 1948, după al Doilea Război Mondial, „metoda magneziului” (reducerea magneziului TiCl4) inventată de oamenii de știință din Luxemburg a fost folosită pentru producția în Statele Unite și industria titanului a început să descopere.
Titanul este cu 40% mai puțin dens decât oțelul, iar rezistența sa este comparabilă cu cea a oțelului, care poate îmbunătăți eficiența structurală. În același timp, titanul are o bună rezistență la căldură, rezistență la coroziune, elasticitate, elasticitate și formabilitate. Datorită caracteristicilor de mai sus ale titanului, aliajele de titan au fost folosite în industria aviației încă de la apariția aliajelor de titan. În 1953, titanul a fost folosit pentru prima dată pe peretele de incendiu al motorului DC-T și nacela produse de compania Douglas din Statele Unite și a început istoria aliajelor de titan utilizate în aviație.
Naveta spațială este cea mai importantă și cea mai utilizată aeronavă. Titanul este principalul material structural al aeronavelor și este, de asemenea, materialul de alegere pentru componente importante, cum ar fi ventilatoarele motoarelor, discurile compresoarelor și paletele și este cunoscut sub numele de „metal spațial”. Cu cât avionul este mai avansat, cu atât se folosește mai mult titan. De exemplu, conținutul de titan al aeronavei de generația a patra a avionului american F22 este de 41% (fracție de masă), iar conținutul de titan al motorului F119 este de 39%, care este în prezent aeronava cu cel mai mare conținut de titan. Cercetarea aliajelor de titan își are originea în aviație, iar dezvoltarea industriei aviației a promovat și dezvoltarea aliajelor de titan. Cercetarea aliajelor de titan pentru aviație a fost întotdeauna cea mai importantă și activă ramură în domeniul aliajelor de titan, dar dezvoltarea acesteia este și extrem de dificilă.
În această lucrare, aliajele de titan sunt clasificate din perspectiva compoziției fazei matricei aliajului. Luând aeronava drept reprezentant al aeronavei, această lucrare se concentrează pe aplicarea și cercetarea aliajelor de titan în motoarele de aeronavă, fuselajul aeronavei și elementele de fixare pentru aviație. În final, sunt analizate problemele existente în dezvoltarea aliajelor de titan pentru aviație.
1 Clasificarea aliajelor de titan
Clasificarea aliajelor de titan din Statele Unite, Marea Britanie, Rusia, Franța, Japonia și alte țări este determinată în mare parte de producători și există multe nume. Unele companii folosesc direct simbolurile chimice și numerele elementelor pentru a înlocui elementele de aliere adăugate și conținutul acestora, cum ar fi Ti-6Al{-4V (echivalent cu TC4 în țara mea). În funcție de compoziția fazelor, aliajele de titan pot fi împărțite în: -aliaje de titan de tip cu structură hexagonală compactă (HCP) (inclusiv aliaje de tip aproape- -) - adică tipuri domestice TA și mixte în două faze aliaje de titan de tip plus — adică aliaje de titan de tipul TC și cubic centrat pe caroserie (BCC) (inclusiv aliaje de tip aproape- -) — adică, marca autohtonă este TB.
1.1 -tip aliaj de titan
Aliajul monofazat cu soluție solidă cu -titan ca matrice în stare recoaptă este un aliaj de titan de tip -, care conține în principal elemente precum Al și Sn. Al poate crește rezistența la tracțiune și la fluaj a aliajului, poate reduce densitatea aliajului de titan și poate îmbunătăți rezistența specifică și este un element de aliere important în aliajul de titan. Pentru a maximiza efectul de întărire a soluției solide al aluminiului și pentru a evita fragilizarea aliajului cauzată de excesul de Al, munca de aliere a aliajelor de titan la temperatură înaltă ar trebui să urmeze formula empirică echivalentă propusă de ROSENBERG. Stabilitate termică bună. Aceste elemente din aliajele de alfa titan servesc la stabilizare prin inhibarea sau creșterea temperaturii de transformare la temperatura de transformare. În comparație cu aliajele de titan de tip -, aliajele de tip - au o bună rezistență la fluaj, rezistență, sudabilitate și tenacitate și sunt aliajele preferate pentru utilizare la temperaturi ridicate. În același timp, aliajul de tip - nu are fragilitate la rece și este, de asemenea, potrivit pentru utilizare în medii cu temperaturi scăzute, ceea ce își extinde domeniul de aplicare. aliajele de tip -au forjabilitate slaba si sunt predispuse la defecte de forjare. Defectele de forjare pot fi controlate prin reducerea ratei de procesare pe trecere și prin tratament termic frecvent. Matricea este o fază stabilă, iar pentru un aliaj de compoziție dat, modificarea proprietăților acestuia este în principal modificarea mărimii granulelor, deoarece atât limita de curgere, cât și rezistența la fluaj sunt legate de mărimea granulelor și de energia stocată în timpul deformării. Rezistența aliajului de titan de tip nu poate fi îmbunătățită prin tratament termic, iar rezistența are practic nicio schimbare sau puțină schimbare după recoacere. Unele aliaje conțin mai mult Al, Sn, Zr și o cantitate mică de elemente de stabilizare (în general mai puțin de 2 procente). Deși aceste aliaje conțin faza -, matricea este compusă în principal din faza -, care este foarte apropiată de aliajele de tip - din punct de vedere al sensibilității la tratarea termică și al procesabilității și este numită aliaje de titan de tip aproape- -. Aliajele de tip aproape- -au fost dezvoltate pe baza recunoașterii faptului că o rezistență mare la fluaj poate fi obținută prin întărirea matricei cu elemente de aliere în soluție solidă. Cele mai multe aliaje de tip - -apropiat au devenit acum aliaje de titan la temperatură ridicată datorită stabilității lor termice bune. tipuri importante de aliaje. Mecanismul său de întărire este că atomii din fază difuzează rapid și sunt predispuși să se strecoare.
Aliajele de titan de tip obișnuit (inclusiv aliajele de tip aproape- -) includ 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) și Ti6242S (Ti{{ {28}}Al-2Sn{-4Zr-2Mo{-0.1Si), etc. Compozițiile și proprietățile sunt enumerate în Tabelul 2.
1.2 plus tip aliaj de titan
Pentru a îmbunătăți rezistența și duritatea aliajelor de titan, oamenii au dezvoltat plus aliaje de titan. În comparație cu alte aliaje de titan, aliajele plus sunt adăugate cu elemente de stabilizare și elemente de stabilizare pentru a întări fazele și. plus aliajul are proprietăți complete excelente. De exemplu, rezistența la temperatura camerei este mai mare decât cea a aliajului. Are performanțe bune de procesare termică și poate fi întărită prin tratament termic, deci este potrivit pentru piesele structurale aerospațiale. Structura recoaptă a aliajului de titan de tip plus este faza plus, iar conținutul de fază este în general de 5% ~ 40%. Cu toate acestea, structura sa nu este suficient de stabilă, iar temperatura maximă de funcționare poate atinge doar 500 de grade, iar performanța de sudare și rezistența la căldură sunt mai mici decât cele ale aliajului de titan de tip.
Aliajele de titan de tip plus includ în principal 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) și TC21 (Ti{-6.2Al{-2.8Mo) -2Nb{-2Sn{-2.1Zr{ {42}}.3Cr) și așa mai departe. Printre acestea, aliajul TC11 este cunoscut și ca aliaj aproape beta.
ZHOU a propus o tehnologie de procesare a aliajului TC11. Mai întâi, aliajul este tratat termic la 15 grade sub temperatura de tranziție, urmată de răcire rapidă cu apă, apoi este supus unui tratament termic de întărire și întărire la temperatură ridicată și la temperatură joasă pentru a obține o nouă microstructură. Această nouă matrice de microstructură constă din 15% boabe echiaxiale, 50% până la 60% boabe stratificate și boabe transformate. Rezultatele cercetării arată că aliajul prezintă rezistență ridicată la oboseală, durată lungă de viață la oboseală, rezistență ridicată și performanță excelentă la temperaturi ridicate, fără a reduce plasticitatea și stabilitatea termică.
Și se discută principiul experimental al noului proces și mecanism de întărire. Problema cheie în aplicarea practică a acestei tehnologii de procesare este controlul precis al temperaturii.
Acest proces de prelucrare a aliajului de titan TC11 a fost utilizat pentru a produce discuri, rotoare și alte componente fiabile pentru motoare aerodinamice.
1.3 -tip aliaj de titan
Conținutul de elemente de stabilizare este suficient de mare, iar aliajul obținut prin răcirea rapidă a fazei după tratarea cu soluție și menținerea acesteia la temperatura camerei se numește aliaj de titan de tip. Conform clasificării microstructurii în stare stabilă, aliajele de titan pot fi împărțite în aliaje de titan stabile și aliaje de titan metastabile, așa cum se arată în figura 1. În figura 1, MS este linia temperaturii de transformare martensitică, C este conținutul minim de elemente stabile. în aliajele metastabile, iar S este conținutul minim de -elemente stabile în aliajele stabile.
Aliajele beta au o bună formabilitate la rece în stare de soluție și sunt, de asemenea, excelente în întărire și răspuns la tratament termic.
Metoda de tratare termică utilizată în mod obișnuit este prima soluție de tratare, iar apoi îmbătrânirea la 450 ~ 650 de grade, faza fină va fi precipitată pe matricea originală a aliajului, formând o a doua fază cu distribuție dispersată, care este mecanismul de întărire al aliajului. În comparație cu alte tipuri de aliaje de titan, aliajul de titan precipită mai multă fază în timpul îmbătrânirii și conține mai multă interfață de fază pentru a împiedica mișcarea dislocațiilor, astfel încât rezistența la temperatura camerei a aliajului de titan este cea mai mare.
Capacitatea unui material metalic de a absorbi energie în timpul deformării și ruperii se numește tenacitate. Cu cât un material absoarbe mai multă energie, cu atât duritatea este mai bună. Tenacitatea la rupere este un indicator al tenacității unui material, reflectând rezistența materialului la propagarea fisurilor și a altor defecte ascuțite. În general, duritatea la rupere și rezistența aliajelor de titan prezintă o tendință inversă, adică duritatea la rupere scade pe măsură ce rezistența crește. Pentru a studia aplicarea aliajelor de titan în industria aerospațială, este necesar să se proiecteze microstructuri cu rezistență bună și duritate la rupere, precum și tehnologia de procesare și regimuri de tratament termic. Compoziția aliajului și microstructura sunt cei doi factori principali care determină rezistența la rupere a aliajelor de beta titan. Compoziția aliajului determină cantitatea de fază beta din aliaj, precum și tipul și rezistența la rupere a aliajului. Morfologia, cantitatea și volumul microstructurii afectează și rezistența la rupere a aliajului. Fu Yanyan și alții credeau că elementul de stabilizare și elementul de dimensiuni medii Zr din aliaj de titan pot îmbunătăți rezistența aliajului și pot reduce duritatea la rupere. Granulele fine nu pot îmbunătăți în mod eficient rezistența aliajelor de titan învechite și vor reduce duritatea la rupere a aliajelor de Ti-15-3, dar nu au un efect semnificativ asupra tenacității la rupere a aliajelor -C și Ti{-1023.
Rezistența îmbătrânirii -aliaj de titan depinde în principal de conținutul și dimensiunea fazei secundare precipitate de îmbătrânire. În cazul în care se conține aceeași fază primară, faza secundară fină poate îmbunătăți semnificativ rezistența aliajului.
Îngroșarea fazei primare și transformarea fazei primare din sferică în fulgidă vor duce la scăderea ductilității și la creșterea tenacității la rupere a aliajelor de titan. Structura cu două moduri a aliajului de titan are o potrivire bună de rezistență, ductilitate și duritate.
Motivul pentru care aliajul de titan este utilizat pe scară largă este și pentru că are avantajele rezistenței ridicate și plasticității ridicate pe care alte tipuri de aliaje de titan nu le pot egala după îmbătrânire. În același timp, capacitatea de întărire tratabilă termic și de întărire profundă a aliajului de titan îl face să înlocuiască treptat aliajul de titan cu două faze plus ca material structural preferat pentru fuselajul și aripile aeronavelor și joacă un rol din ce în ce mai important în Industrie aerospatiala. rol din ce în ce mai important.
2 Dezvoltarea și aplicarea aliajelor de titan pentru aviație
În anii 1950, avioanele militare au intrat în era vitezei supersonice, iar structurile originale din aluminiu și oțel nu mai puteau satisface noile cerințe. În acest moment, aliajele de titan au intrat în stadiul de dezvoltare industrială. Aliajele de titan au proprietăți excelente, cum ar fi densitate scăzută, rezistență specifică ridicată, rezistență la coroziune, rezistență la temperaturi ridicate, nemagnetice, sudabile, interval larg de temperatură de funcționare (269 ~ 600 grade) și pot fi utilizate pentru formarea, sudarea și prelucrarea diferitelor piese. . Aeronautica a devenit curând utilizată pe scară largă. La începutul anilor 1950, avioanele militare au început să folosească titan pur industrial pentru a fabrica piese structurale cu mai puțină solicitare, cum ar fi scuturi termice, capote și frânele de viteză ale fuzelajului din spate. În anii 1960, aliajele de titan au fost aplicate în continuare la părțile structurale majore care suportă tensiuni, cum ar fi alunecarea flapelor aeronavei, pereții etanși portanti, grinzile din mijlocul aripii și grinzile trenului de aterizare. Până în anii 1970, aplicarea aliajelor de titan în structurile aeronavelor s-a extins de la avioane de luptă la bombardiere militare mari și avioane de transport, iar un număr mare de structuri din aliaj de titan au fost folosite și în aeronavele civile.
După intrarea în anii 1980, titanul folosit în aeronavele civile a crescut treptat și a depășit titanul folosit în aeronavele militare. Cu cât avionul este mai avansat, cu atât se folosește mai mult titan. Tabelele 3 și 5 prezintă fracția de masă a materialelor de titan utilizate în avioanele de luptă din a treia și a patra generație și bombardierele avansate și avioanele de transport din Statele Unite, tipurile de aliaje de titan utilizate în aeronavele generale și cantitatea de aliaje de titan și materiale compozite. folosit la aeronavele Airbus. Din Tabelul 5 se poate observa că utilizarea titanului pe aeronavele Airbus A380 a ajuns la 10%, iar titanul a devenit un material structural indispensabil pentru aeronavele moderne. În funcție de diferite utilizări, aliajele de titan pentru aviație pot fi împărțite în aliaje de titan pentru motoarele de avioane, aliaje de titan pentru fuselajul aeronavelor și aliaje de titan pentru elementele de fixare pentru aviație. În ultimii ani, oamenii au efectuat cercetări aprofundate privind aplicarea aliajelor de titan pentru aviație în cele trei aspecte de mai sus.
Pentru a rezuma, aliajul de titan are un raport mare tracțiune-greutate, duritate ridicată, rezistență și sudabilitate bune și este un material de aviație cu proprietăți complete excelente. În ultimele decenii, teoria de aliere, tehnologia cuprinzătoare de întărire și întărire și procesul de tratare termică a aliajelor de titan pentru aviație au fost foarte dezvoltate. În prezent, cercetările privind aliajele de titan se concentrează în principal pe stabilitatea termică la temperatură ridicată, rezistența la fluaj și procesul de proiectare și fabricare a aliajelor de titan cu costuri reduse. Odată cu aprofundarea cercetării, progresul tehnologic al prelucrării la costuri reduse a aliajelor de titan va fi condus de aplicațiile aviatice de ultimă generație, depășind astfel în mod fundamental blocajul costurilor, limitând îmbunătățirea dozării și a nivelului de aplicare a aliajelor de titan pentru aviație. Un avion din titan poate deveni o realitate într-un viitor nu prea îndepărtat.
Contactați-ne pentru mai multe informații. Mulțumesc
Nicole
Companie: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Țara: China
Adăugați: drumul Baoti, Jintai, orașul Baoji, Shaanxi, China
Cel: plus 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Site: www.jm-titanium.com
