Die Geschichte der Titananwendungen in der Luftfahrt begann 1953 mit der ersten Verwendung von Titan in den Triebwerksgehäusen und Firewalls des von Douglas in den USA hergestellten DC-T. Seitdem wird Titan seit fast 50 Jahren in Flugzeugen verwendet. Da es zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften aufweist, die für Flugzeuganwendungen geeignet sind, wird Titan in der Luftfahrt häufig eingesetzt. Wir werden die Notwendigkeit von Titan in der heutigen Diskussion über Flugzeugmaterialien erörtern.
1.Titanium Einführung
Die erste industrielle Herstellung von Titanschwamm, kurz Titan, begann erst 1948, als die US-Firma DuPont tonnenweise Titanschwamm nach dem Magnesiumverfahren herstellte. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und hohen Hitzebeständigkeit wird die Titanlegierung in einer Vielzahl von Branchen umfassend eingesetzt. Titan steht in Bezug auf das Vorkommen in der Erdkruste an zehnter Stelle, weitaus größer als gewöhnliche Metalle wie Kupfer, Zink und Zinn. Sand und Ton sind zwei Gesteinsarten, in denen Titan besonders häufig vorkommt.
2. die Eigenschaften von Titan
Hohe Festigkeit: 1,3-mal so hoch wie die einer Aluminiumlegierung, 1,6-mal so hoch wie die von Magnesiumlegierung und 3,5-mal so hoch wie die von Edelstahl, dem Champion unter den Metallwerkstoffen.
Hohe thermische Festigkeit: Die Verwendungstemperatur ist mehrere hundert Grad höher als die der Aluminiumlegierung und kann lange bei einer Temperatur von 450 bis 500 Grad arbeiten.
Gute Korrosionsbeständigkeit: beständig gegen Säure-, Laugen- und atmosphärische Korrosion, besonders starke Beständigkeit gegen Lochfraß und Spannungskorrosion.
Gute Tieftemperatureigenschaften: Die Titanlegierung TA7 mit sehr geringen interstitiellen Elementen kann einen gewissen Grad an Plastizität bei -253 Grad beibehalten.
Hohe chemische Aktivität: Hohe chemische Aktivität bei hohen Temperaturen, reagiert leicht chemisch mit gasförmigen Verunreinigungen wie Wasserstoff und Sauerstoff in der Luft, um eine gehärtete Schicht zu erzeugen.
Kleine Wärmeleitfähigkeit, kleiner Elastizitätsmodul: Die Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa 1/4 von Nickel, 1/5 von Eisen und 1/14 von Aluminium, während die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Titanlegierungen um etwa 50 Prozent geringer ist als die von Titan. Der Elastizitätsmodul von Titanlegierungen beträgt etwa die Hälfte des Elastizitätsmoduls von Stahl.
3. Klassifizierung und Verwendung von Titanlegierungen
Hitzebeständige Legierungen, hochfeste Legierungen, korrosionsbeständige Legierungen (Titan-Molybdän-Legierungen, Titan-Palladium-Legierungen usw.), Niedertemperaturlegierungen und einzigartige funktionelle Legierungen sind einige Kategorien für Titanlegierungen, basierend auf ihrem Verwendungszweck ( Titan-Eisen-Wasserstoffspeichermaterialien und Titan-Nickel-Gedächtnislegierungen). Obwohl Titan und seine Legierungen noch nicht sehr lange verwendet werden, haben sie bereits zahlreiche bedeutende Auszeichnungen für ihre außergewöhnlichen Eigenschaften erhalten. Aufgrund seiner Festigkeit, seines geringen Gewichts und seiner Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen eignet es sich besonders gut für die Herstellung verschiedener Raumfahrzeuge und Flugzeuge. Die Luft- und Raumfahrtindustrie verbraucht derzeit etwa 75 Prozent des weltweit produzierten Titans und der Titanlegierungen. Es gibt mehrere Komponenten, die früher aus Titanlegierungen hergestellt wurden, aber ursprünglich aus Aluminiumlegierungen hergestellt wurden.
4. die Titanlegierung für Luftfahrtanwendungen
Titanlegierungen werden hauptsächlich in Materialien für die Flugzeug- und Triebwerksherstellung verwendet, z. B. zum Schmieden von Titanlüftern, Verdichterscheiben und -schaufeln, Triebwerksverkleidungen, Abgasvorrichtungen und anderen Teilen sowie für Flugzeugträgerabstandshalter und andere strukturelle Rahmenteile. Auch künstliche Erdsatelliten, Mondmodule, bemannte Raumfahrzeuge und Raumfähren verwenden geschweißte Teile aus Titanlegierungsplatten.
1950 wurden in den Vereinigten Staaten erstmals im F-84-Jagdbomber als hinterer Rumpf Hitzeschild, Windschutzscheibe, Heckverkleidung und andere nicht tragende Komponenten verwendet. In den 60er Jahren begann man, Teile aus Titanlegierung vom hinteren Rumpf bis zum Rumpf zu verwenden, teilweise anstelle von Baustahl, um Abstandshalter, Träger, Klappenschieber und andere wichtige tragende Komponenten herzustellen. Ab den 70er Jahren begannen zivile Flugzeuge, Titanlegierungen in großen Mengen zu verwenden, wie das Passagierflugzeug Boeing 747, bei dem Titan 3640 mehr als 28 Prozent des Flugzeuggewichts ausmachte. Mit der Entwicklung der Verarbeitungstechnologie in Raketen, künstlichen Satelliten und Raumfahrzeugen wurde auch eine große Anzahl von Titanlegierungen verwendet.
Je fortschrittlicher das Flugzeug, desto mehr Titan wird verwendet. US F-14Ein Kampfflugzeug verwendet eine Titanlegierung, die etwa 25 % des Flugzeuggewichts ausmacht; F-15Ein Kampfflugzeug für 25,8 Prozent; Die vierte Generation von US-Kampfflugzeugen mit 41 Prozent Titananteil, ihr F119-Triebwerk mit 39 Prozent Titananteil, ist derzeit der höchste Anteil an Titanflugzeugen.
5. Gründe, warum Titanlegierungen in großer Zahl in der Luftfahrt eingesetzt werden
Die Höchstgeschwindigkeit moderner Segelflugzeuge hat mehr als das 2,7-fache der Schallgeschwindigkeit erreicht. Ein so schneller Überschallflug wird dazu führen, dass das Flugzeug an der Luft reibt und viel Wärme erzeugt. Wenn die Fluggeschwindigkeit die 2,2-fache Schallgeschwindigkeit erreicht, halten Aluminiumlegierungen ihr nicht mehr stand. Es müssen hochtemperaturbeständige Titanlegierungen verwendet werden.
Wenn das Schub-Gewichts-Verhältnis des Flugtriebwerks von 4-6 auf 8-10 erhöht wird, wird die Temperatur des Kompressorauslasses entsprechend von 200-300 Grad auf 500-600 erhöht. Grad müssen die ursprüngliche Niederdruckverdichterscheibe und -schaufel aus Aluminium gegen eine Titanlegierung ausgetauscht werden.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler an der Leistungsforschung von Titanlegierungen weiterhin neue Fortschritte erzielt. Die ursprüngliche Titanlegierung, bestehend aus Titan, Aluminium, Vanadium, die höchste Arbeitstemperatur von 550 Grad ~ 600 Grad, und die neu entwickelte Titan-Aluminium-Legierung (TiAl), die höchste Arbeitstemperatur wurde auf 1040 Grad erhöht.
Die Verwendung von Titanlegierungen anstelle von Edelstahl zur Herstellung von Hochdruckverdichterscheiben und -schaufeln kann das Gewicht der Struktur reduzieren. Pro 10 Prozent Gewichtsreduzierung bei einem Flugzeug können 4 Prozent Treibstoff eingespart werden. Bei Raketen kann jede Gewichtsreduzierung um 1 kg die Reichweite um 15 km erhöhen.
6. Analyse der Bearbeitungseigenschaften von Titanlegierungen
Zunächst einmal ist die Wärmeleitfähigkeit von Titanlegierungen gering, nur 1/4 von Stahl, Aluminium 1/13, Kupfer 1/25. Aufgrund der langsamen Wärmeableitung im Schneidbereich ist die Wärmebilanz nicht förderlich, während des Schneidvorgangs ist die Wärmeableitung und der Kühleffekt sehr schlecht, es kann sich leicht eine hohe Temperatur im Schneidbereich bilden, nachdem die Verformung der Teile nach der Bearbeitung zurückgeprallt ist in erhöhtem Drehmoment Schneidwerkzeug, Kantenverschleiß schnell, Haltbarkeit reduziert.
Zweitens ist die Wärmeleitfähigkeit der Titanlegierung gering, so dass sich die Schneidwärme in dem kleinen Bereich in der Nähe des Schneidwerkzeugs ansammelt und nicht leicht zu verteilen ist, die Oberflächenreibung des vorderen Werkzeugs zunimmt, nicht leicht abzusplittern, die Schneidwärme nicht leicht zu verteilen ist und beschleunigt Werkzeugverschleiß. Schließlich ist die chemische Aktivität der Titanlegierung hoch, die Verarbeitung bei hohen Temperaturen ist leicht mit dem Werkzeugmaterial zu reagieren, die Bildung von löslichen, Diffusion, was zu klebrigen Messern, brennenden Messern, gebrochenen Messern und anderen Phänomenen führt.
