ไทเทเนียมที่ใช้ในเครื่องบินอยู่ที่ไหน

การประยุกต์ใช้AMS 6931 การตีไทเทเนียมในอุตสาหกรรมการบินแบ่งออกเป็นโลหะผสมไทเทเนียมโครงสร้างเครื่องบินและโลหะผสมไทเทเนียมโครงสร้างเครื่องยนต์ ในการบินและอวกาศ โลหะผสมไททาเนียมส่วนใหญ่จะใช้เป็นโครงสร้างและภาชนะสำหรับจรวด ขีปนาวุธ และยานอวกาศ โดยทั่วไปโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับโครงสร้างเครื่องบินจำเป็นต้องใช้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 350 องศา และต้องมีความแข็งแรงจำเพาะสูง ความเหนียวที่ดี ความต้านทานความล้าที่ดีเยี่ยม และประสิทธิภาพกระบวนการเชื่อมที่ดี โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับเครื่องยนต์จำเป็นต้องมีความแข็งแรงจำเพาะสูง มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี ต้านทานการเกิดออกซิเดชัน ต้านทานการคืบคลาน และคุณสมบัติอื่นๆ นอกเหนือจากข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับการบินและอวกาศแล้ว ยานพาหนะการบินและอวกาศยังต้องการความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและความต้านทานรังสีอีกด้วย

ส่วนการใช้งานหลักของชิ้นส่วนโครงสร้างโลหะผสมไทเทเนียมของเครื่องบิน ได้แก่ ชิ้นส่วนอุปกรณ์ลงจอด เฟรม คาน สกินลำตัว แผ่นป้องกันความร้อน ฯลฯ เครื่องบิน Il{{0}} ของรัสเซียใช้โลหะผสมไทเทเนียม BT22 ที่มีความแข็งแรงสูงเพื่อผลิตส่วนประกอบหลัก เช่น แลนดิ้งเกียร์ และคานลูกปืน วัสดุของคานส่งกำลังของล้อลงจอดหลักของโบอิ้ง 747 คือ Ti-6Al-4V การตีเหล็กมีความยาว 6.20 เมตร กว้าง 0.95 เมตร หนัก 1,545 กิโลกรัม โลหะผสมไททาเนียม Ti-62222S ที่มีความแข็งแรงสูงและมีความเหนียวสูงถูกนำมาใช้ในส่วนสำคัญของเพลากันโคลงแนวนอนของเครื่องบิน C-17 พื้นที่ลำตัวด้านหลังซึ่งเป็นที่ตั้งของเครื่องยนต์อากาศยาน F-22 และแผงกันความร้อนส่วนท้ายได้รับการออกแบบให้เป็นโครงสร้างโลหะผสมไทเทเนียมผนังบางและทนทานต่ออุณหภูมิได้ดี

ในแง่ของเครื่องยนต์อากาศยาน พื้นที่การใช้งานของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียม ได้แก่ จานคอมเพรสเซอร์ ใบมีด ดรัม โรเตอร์คอมเพรสเซอร์แรงดันสูง เคสคอมเพรสเซอร์ ฯลฯ ประมาณ 30% ของน้ำหนักโครงสร้างของเครื่องยนต์กังหันสมัยใหม่ทำจากโลหะผสมไทเทเนียม การใช้โลหะผสมไทเทเนียมจะลดคุณภาพของใบคอมเพรสเซอร์และใบพัดลม ขณะเดียวกันก็ช่วยยืดอายุการใช้งานของส่วนประกอบและช่วงการตรวจสอบอีกด้วย ขอบนำและส่วนปลายของใบพัดลมเครื่องยนต์ Boeing 747-8GENX ติดตั้งปลอกป้องกันโลหะผสมไทเทเนียม ซึ่งได้รับการเปลี่ยนเพียงสามครั้งในช่วงระยะเวลาการบริการ 10- ปี

การตีขึ้นรูปโลหะผสมไทเทเนียมการบินจำเป็นต้องผ่านการหล่อโลหะ การทำเหล็กแท่ง การตีขึ้นรูป การตัดเฉือน และกระบวนการอื่น ๆ เพื่อให้ได้โครงสร้างและคุณสมบัติของวัสดุที่ต้องการ และมักใช้ในการผลิตส่วนประกอบแบริ่งหลักของโครงกระดูกเครื่องบินและโรเตอร์เครื่องยนต์ จากข้อมูลของ HB5024-1989 เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของการตีขึ้นรูปขนาดใหญ่ต้องไม่น้อยกว่า 500 มม. ด้วยการพัฒนาของเครื่องบินและเครื่องยนต์ การตีขึ้นรูปการบินจึงมีข้อกำหนดด้านคุณภาพที่สูงขึ้นเรื่อยๆ ขนาดที่ใหญ่ขึ้น และรูปร่างที่ซับซ้อนมากขึ้น รูปร่างของชิ้นส่วนโครงสร้างของเครื่องบินมีความซับซ้อน และโดยทั่วไปอัตราการใช้วัสดุจะไม่เกิน 10% วัสดุของโครงเสริมลูกปืนหลักขนาดใหญ่ทั้งสี่ของเครื่องบิน F-22 คือ Ti-6Al-4V ELI และพื้นที่ที่คาดการณ์ของการตีขึ้นรูปคือ 4{{ 8}}.67 ตารางเมตร ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุปกรณ์การตีขึ้นรูปเฉพาะสำหรับโลหะผสมไทเทเนียมการบินในประเทศของฉันได้รับการปรับปรุงอย่างมาก และตอนนี้สามารถผลิตการตีขึ้นรูปโลหะผสมไทเทเนียมขนาด 5 ตารางเมตรได้แล้ว

ยานอวกาศทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูงพิเศษ อุณหภูมิต่ำพิเศษ สุญญากาศสูง ความเค้นสูง และการกัดกร่อนที่รุนแรง นอกจากจะต้องใช้เทคโนโลยีการออกแบบโครงสร้างที่ยอดเยี่ยมแล้ว ยังขึ้นอยู่กับคุณลักษณะและฟังก์ชันที่ยอดเยี่ยมของวัสดุอีกด้วย โดยทั่วไปแล้วโลหะผสมไทเทเนียมถูกนำมาใช้ในการผลิตถังเก็บน้ำมันเชื้อเพลิง, กล่องเครื่องยนต์จรวด, รางหัวฉีดจรวด และกล่องดาวเทียม

เนื่องจากคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียม ชิ้นส่วนสำคัญบางส่วนของเครื่องบินจึงทำจากวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ขอบของช่องไอดีเป็นส่วนหนึ่งที่ทำจากวัสดุโลหะผสมไททาเนียมโดยการพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งตระหนักถึงการออกแบบและการผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างและชิ้นส่วนที่ใช้งานได้แบบบูรณาการ

ตัวยึดโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศส่วนใหญ่ประกอบด้วยหมุดย้ำ สลักเกลียว และตัวยึดแบบพิเศษ

ตัวยึดโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้ในเครื่องบิน F-22 ในสหรัฐอเมริกาประกอบด้วย: โบลท์โลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูง, ตะปูร่องแหวน, โบลท์ล็อคสูงเรียวก้านขัดเงา, โบลท์แบบยึดในตัว, หมุดย้ำไทเทเนียมไนโอเบียม และน็อตยึด . เครื่องบินพาณิชย์ในประเทศ C919 ซึ่งบินเป็นครั้งแรกในประเทศของฉันในปี 2014 ใช้ตัวยึดโลหะผสมไทเทเนียมมากกว่า 200,000 ชิ้นสำหรับเครื่องบินลำเดียว การพัฒนาและการประยุกต์ใช้ตัวยึดโลหะผสมไทเทเนียมทำให้สามารถลดน้ำหนักของโครงสร้างเครื่องบินได้มากขึ้น น้ำหนักโครงสร้างของเครื่องบินโบอิ้ง 747 ลดลง 1,814 กิโลกรัม หลังจากเปลี่ยนเหล็กเป็นไททาเนียม เครื่องบิน Il-96 ของรัสเซียใช้ตัวยึด 142,000 ตัวและเปลี่ยนเหล็กเป็นไททาเนียมเพื่อลดน้ำหนักลง 600 กิโลกรัม

โลหะผสมไททาเนียมมีความทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม และมีศักยภาพเชิงบวกที่เข้ากันกับวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งสามารถป้องกันการกัดกร่อนของตัวยึดได้อย่างมีประสิทธิภาพ โลหะผสม Ti45Nb เป็นวัสดุหมุดย้ำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศในสหรัฐอเมริกา วัสดุนี้มีคุณสมบัติแรงดึงและแรงเฉือนที่ดีในสถานะอบอ่อน และสามารถใช้แทนหมุดไทเทเนียมบริสุทธิ์ได้ วัสดุ Ti45Nb ยังมีความเป็นพลาสติกสูงและเหมาะสำหรับการต่อหมุดสำหรับการผลิตวัสดุคอมโพสิต

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โบลต์โลหะผสมไททาเนียม Timeta1555 ความแข็งแรงสูงที่พัฒนาโดย Alcoa มีความต้านทานแรงดึงมากกว่า 1300 MPa หลังจากการบ่มสารละลาย มีความต้านทานแรงเฉือนสองเท่ามากกว่า 745 MPa และการยืดตัวมากกว่า 10% เพื่อให้ทันกับแนวโน้มการพัฒนาของตัวยึดโลหะผสมไทเทเนียมระดับไฮเอนด์ระหว่างประเทศ บริษัท Xigong University Chaojing Co., Ltd. และโรงงานชิ้นส่วนมาตรฐานการบินและอวกาศ Xinyang ได้ร่วมกันพัฒนาแท่งและสายไฟโลหะผสมไทเทเนียม TB8 สำหรับตัวยึด และความต้านทานแรงดึงของสลักเกลียวที่ทำขึ้น ในจำนวนนี้สูงถึง 1280MPa การวิจัยและพัฒนาตัวยึดโลหะผสมไทเทเนียมเป็นงานที่ซับซ้อนและใช้เวลานาน

ทิศทางการพัฒนาอุตสาหกรรมโลหะผสมไทเทเนียม

ความต้องการโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับเครื่องบินในอนาคตควรมีความแข็งแรงสูงกว่า มีความเหนียวสูงกว่า ประสิทธิภาพความเสียหายสูงกว่า และทนต่ออุณหภูมิสูงที่สูงขึ้น ทิศทางการใช้งานและการพัฒนาของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมจะเป็น: โลหะผสมไทเทเนียมที่มีโครงสร้างความแข็งแรงสูงใหม่, โลหะผสมไทเทเนียมที่ทนทานต่อความเสียหายที่มีประสิทธิภาพสูง, โลหะผสมไทเทเนียมที่ทนต่อความล้าราคาประหยัด, โลหะผสมไทเทเนียมโครงสร้างอุณหภูมิสูงใหม่, ที่ใช้ TiAl ขั้นสูง วัสดุ, วัสดุคอมโพสิตที่ใช้ไททาเนียม ฯลฯ

ความต้องการลดน้ำหนักโครงสร้างของเครื่องบินสมัยใหม่เป็นเรื่องเร่งด่วนมากขึ้นเรื่อยๆ นอกจากวัสดุโลหะผสมไททาเนียมแล้ว วัสดุคอมโพสิตยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงสร้างการบินอีกด้วย การใช้วัสดุคอมโพสิตสำหรับเครื่องบินโบอิ้ง 787 สูงถึง 50% และการใช้วัสดุคอมโพสิตสำหรับแอร์บัส A380 ก็สูงถึง 25% เช่นกัน ในปัจจุบัน วัสดุคอมโพสิตไม่สามารถทดแทนโลหะได้ทั้งหมด และวัสดุโลหะยังคงขาดไม่ได้ โมดูลัสยืดหยุ่นของโลหะผสมไททาเนียมและวัสดุคอมโพสิตเสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์นั้นเข้าคู่กัน และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนก็ใกล้เคียงกัน และมีความเข้ากันได้ทางเคมีที่ดีและไม่เสี่ยงต่อการกัดกร่อน ข้อต่อส่วนปีกของ F-18 "Bumblebee" ใช้การออกแบบการติดแบบขั้นบันไดของชิ้นส่วนข้อต่อโลหะผสมไทเทเนียมและผิวหนังแบบประกอบ หลังจากการทดสอบการบริการเป็นเวลาหลายปี ความน่าเชื่อถือของการออกแบบก็ได้รับการตรวจสอบแล้ว ด้วยปริมาณวัสดุคอมโพสิตที่เพิ่มขึ้น ปริมาณของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมก็จะเพิ่มขึ้นอีก

จะเห็นได้จากข้อมูลโอเพ่นซอร์สในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาว่าข้อกำหนดของสหรัฐอเมริกาสำหรับวัสดุโครงสร้างเครื่องบินยุคต่อไปนั้นมีน้ำหนักเบากว่า มีประสิทธิภาพมากกว่า และควบคุมต้นทุนได้ ตามมูลค่าสกุลเงินปี 2006 ราคาของ F-22 เดียวคือประมาณ 361 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ในตอนแรก F-35 มีเป้าหมายต้นทุนอยู่ที่ 35 ล้านดอลลาร์ ซึ่งต่อมาเพิ่มเป็น 138 ล้านดอลลาร์ ท่ามกลางต้นทุนมหาศาล ต้นทุนการผลิตโลหะผสมไทเทเนียมที่มีต้นทุนสูงเป็นปัจจัยที่ไม่สามารถละเลยได้ โลหะผสมไทเทเนียมราคาประหยัดใช้ Fe, O และองค์ประกอบอื่นๆ เพื่อทดแทน V, Mo และองค์ประกอบอื่นๆ ที่มีราคาแพงกว่า บริษัท Timetal แห่งสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาโลหะผสมไทเทเนียม Timetal-LCB ที่มีความแข็งแรงสูงและมีต้นทุนต่ำ โดยการเพิ่มองค์ประกอบ Fe ในรูปแบบของโลหะผสมหลัก Fe-Mo ราคาถูก แทนองค์ประกอบ V ที่มีราคาแพง เป้าหมายคือการแทนที่อัลลอยด์ Ti- 10V-2Fe-3Al ที่มีราคาแพงกว่า

การเชื่อมโลหะผสมไทเทเนียม การขึ้นรูปใกล้ตาข่าย การขึ้นรูปเย็น ฯลฯ เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงการใช้วัสดุและลดต้นทุนกระบวนการ เทคโนโลยีการเชื่อมขั้นสูง เช่น การเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอนและการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จในรุ่นในประเทศบางรุ่น กลุ่มทีมงานขึ้นรูปด้วยเลเซอร์ เช่น มหาวิทยาลัย Beihang และ Western University of Technology ประสบผลสำเร็จที่ดีในการใช้เทคโนโลยีโลหะผสมไทเทเนียมใหม่ๆ

ในการวิจัยโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงใหม่ บนพื้นฐานของโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูง 550 องศาของ IMI829 ในสหราชอาณาจักรและโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูง Ti-1100 600 องศาในสหรัฐอเมริกา มีการเพิ่มธาตุหายากน้อยกว่า 1% ของธาตุ Gd และ Y ตามลำดับ ก่อตัวเป็นแรร์เอิร์ธออกไซด์ ทำให้ขอบเขตของเกรนบริสุทธิ์ ขัดเกลาเมล็ดพืช และปรับปรุงความแข็งแรง การคืบคลาน และความทนทานของโลหะผสม TA12 (Ti55) เป็นโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงชนิดใกล้เคียงที่พัฒนาโดยสถาบันวิจัยโลหะ สถาบันวิทยาศาสตร์จีน กลุ่มเป่าติ และสถาบันวัสดุการบินปักกิ่ง อุณหภูมิการออกแบบคือ 550 องศา ปัจจุบัน วัสดุ Ti55 ค่อนข้างสุก และช่วงอุณหภูมิการทำงานที่มั่นคงคือ 550 องศาถึง 600 องศา อุณหภูมิการออกแบบของวัสดุ Ti65 คือ 600 องศา -650 องศา และงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกำลังดำเนินการอย่างเป็นระเบียบ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การใช้เทคโนโลยีการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว/ผงโลหะ วัสดุคอมโพสิตเสริมใยหรืออนุภาคเพื่อพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมได้ถูกนำมาใช้เป็นทิศทางการพัฒนาของโลหะผสมไทเทเนียมที่มีอุณหภูมิสูง เพื่อเพิ่มอุณหภูมิการให้บริการของโลหะผสมไทเทเนียมเป็น สูงกว่า 650 องศา วัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์ไทเทเนียมแกนทังสเตนที่พัฒนาโดยสถาบันวิจัยโลหะสถาบันวิทยาศาสตร์จีนได้ถูกนำไปใช้ในช่วงหนึ่ง