Titaani kasutamise ajalugu lennunduses sai alguse 1953. aastal, kui titaani kasutati esmakordselt USA-s Douglase toodetud DC-T mootoriplokkides ja tulemüürides. Sellest ajast alates on titaani lennukites kasutatud peaaegu 50 aastat. Kuna sellel on palju kasulikke omadusi, mis sobivad õhusõidukite jaoks, kasutatakse titaani lennunduses laialdaselt. Me arutame titaani vajadust tänases õhusõidukite materjalide arutelus.
1. Titaani tutvustus
Titaankäsna või titaani esimene tööstuslik tootmine algas alles 1948. aastal, kui USA ettevõte DuPont tootis magneesiumiprotsessi abil tonni titaankäsna. Kuna selle kõrge eritugevus, suurepärane korrosioonikindlus ja kõrge kuumakindlus, kasutatakse titaanisulamit laialdaselt erinevates tööstusharudes. Titaan on maakoore arvukuse poolest kümnendal kohal, palju suurem kui tavalistel metallidel nagu vask, tsink ja tina. Liiv ja savi on kahte tüüpi kivimid, kus titaani on eriti palju.
2. titaani omadused
Kõrge tugevus: 1,3 korda suurem alumiiniumisulamist, 1,6 korda magneesiumisulamist ja 3,5 korda suurem roostevaba terasest, mis on metallmaterjalide meister.
Kõrge termiline tugevus: kasutustemperatuur on mitusada kraadi kõrgem kui alumiiniumisulamil ja võib töötada pikka aega temperatuuril 450–500 kraadi.
Hea korrosioonikindlus: vastupidav happe-, leelise- ja atmosfäärikorrosioonile, eriti tugev punkt- ja pingekorrosioonikindlus.
Head omadused madalal temperatuuril: väga madalate vaheelementidega titaanisulam TA7 suudab säilitada teatud plastilisuse -253 kraadi juures.
Kõrge keemiline aktiivsus: kõrge keemiline aktiivsus kõrgel temperatuuril, reageerib kergesti keemiliselt õhus leiduvate gaasiliste lisanditega, nagu vesinik ja hapnik, moodustades kõvastunud kihi.
Väike soojusjuhtivus, väike elastsusmoodul: soojusjuhtivus on umbes 1/4 niklist, 1/5 rauast ja 1/14 alumiiniumist, erinevate titaanisulamite soojusjuhtivus on aga umbes 50 protsenti madalam kui titaanil. Titaanisulamite elastsusmoodul on umbes 1/2 terase elastsusmoodulist.
3. Titaanisulamite klassifikatsioon ja kasutusalad
Kuumakindlad sulamid, ülitugevad sulamid, korrosioonikindlad sulamid (titaani-molübdeeni sulamid, titaani-pallaadiumi sulamid jne), madala temperatuuriga sulamid ja unikaalsed funktsionaalsed sulamid on mõned titaanisulamite kategooriad nende kavandatud kasutuse alusel ( titaan-raud vesiniku salvestusmaterjalid ja titaan-nikli mälusulamid). Hoolimata asjaolust, et titaani ja selle sulameid pole väga pikka aega kasutatud, on need oma erakordsete omaduste eest juba pälvinud mitmeid olulisi auhindu. Oma tugevuse, väikese kaalu ja kõrgete temperatuuride vastupidavuse tõttu sobib see eriti hästi erinevate kosmoselaevade ja lennukite tootmiseks. Lennundussektor kasutab praegu umbes 75 protsenti kogu maailmas toodetud titaanist ja titaanisulamitest. On mitmeid komponente, mis olid varem valmistatud titaanisulamitest, kuid mis olid algselt valmistatud alumiiniumisulamitest.
4. lennunduses kasutatavad titaanisulamid
Titaanisulamit kasutatakse peamiselt lennukite ja mootorite tootmismaterjalides, nagu titaanist ventilaatorite, kompressoriketaste ja labade sepistamine, mootorikatted, väljalaskeseadmed ja muud osad, samuti õhusõiduki tala vahetükk ja muud konstruktsioonikarkassi osad. Maa tehissatelliitidel, kuumoodulitel, mehitatud kosmoselaevadel ja kosmosesüstikutel kasutatakse ka titaanisulamist plaadikeevitatud osi.
1950. aastal kasutas USA esimest korda F-84 hävitaja-pommitaja tagumise kere kuumakaitse, tuulekaitse, sabakapoti ja muude mittekandvate komponentidena. 60ndatel hakati kasutama titaanisulamist osi tagumisest kerest kuni kereni, osaliselt konstruktsiooniterasest valmistamise vahetüki, tala, klapi liuguri ja muude oluliste kandekomponentide asemel. Alates 70. aastatest hakati tsiviillennukites kasutama suurtes kogustes titaanisulamit, näiteks Boeing 747 reisilennukid koos titaaniga moodustasid 3640 Rohkem kui 28 protsenti lennuki massist. Töötlemistehnoloogia arenedes kasutati rakettides, tehissatelliitides ja kosmoselaevades ka suurt hulka titaanisulamit.
Mida arenenum on lennuk, seda rohkem titaani kasutatakse. USA F{0}}Hävitajalennukid kasutavad titaanisulamit, mis moodustab umbes 25 protsenti lennuki massist; F-15Hävilennuk 25,8 protsendi eest ; USA hävituslennukite neljas põlvkond 41 protsendi titaanisisaldusega, selle F119 mootor 39 protsendi titaanisisaldusega on praegu suurim titaanlennukite kogus.
5. Põhjused, miks titaanisulameid kasutatakse lennunduses palju
Moodsate lennukite purjetamiskiirus on ületanud enam kui 2,7 korda helikiirust. Nii kiire ülehelikiirusega lend paneb õhusõiduki vastu õhku hõõruma ja tekitab palju soojust. Kui lennukiirus ulatub 2,2-kordse helikiiruseni, ei pea alumiiniumsulamid sellele enam vastu. Kasutada tuleb kõrgele temperatuurile vastupidavaid titaanisulameid.
Kui lennukimootori tõukejõu ja massi suhet suurendatakse väärtuselt 4-6 väärtusele 8-10, tõuseb kompressori väljalaskeava temperatuur vastavalt 200-300 kraadilt 500-600-le. kraadi , tuleb algne madalrõhukompressori ketas ja alumiiniumist tera vahetada titaanisulami vastu.
Viimastel aastatel on titaanisulamite jõudlust uurivad teadlased jätkuvalt teinud uusi edusamme. Algne titaanisulam, mis koosneb titaanist, alumiiniumist, vanaadiumist, kõrgeim töötemperatuur 550–600 kraadi ja äsja väljatöötatud titaanalumiiniumi (TiAl) sulam, on kõrgeim töötemperatuur tõstetud 1040 kraadini.
Titaanisulamite kasutamine roostevaba terase asemel kõrgsurvekompressori ketaste ja labade valmistamisel võib vähendada konstruktsiooni kaalu. Lennuki iga 10-protsendilise kaalulanguse kohta on võimalik saavutada 4-protsendiline kütusesääst. Rakettide puhul võib iga 1 kg kaalulangus suurendada laskekaugust 15 km võrra.
6.titaanisulami töötlemisomaduste analüüs
Esiteks on titaanisulami soojusjuhtivus madal, ainult 1/4 terasest, alumiiniumist 1/13, vasest 1/25. aeglase soojuse hajumise tõttu lõikepiirkonnas ei soodusta termilist tasakaalu, lõikamisprotsessis on soojuse hajumine ja jahutusefekt väga halb, lõikepiirkonnas on lihtne moodustada kõrge temperatuur, pärast töötlemist osade deformatsioon tagasilöögi, mille tulemuseks on suurenenud pöördemomendiga lõikeriistas, servade kiire kulumine, vastupidavus vähenenud.
Teiseks on titaanisulami soojusjuhtivus madal, nii et lõikesoojust koguneb lõiketööriista lähedal asuvale väikesele alale, seda ei ole lihtne hajutada, tööriista esipinna hõõrdumine suureneb, seda pole kerge hakkida, lõikesoojust ei ole lihtne hajutada, kiireneb tööriista kulumine. Lõpuks on titaanisulami keemiline aktiivsus kõrge, kõrgel temperatuuril töötlemisel on lihtne tööriista materjaliga reageerida, lahustuva aine moodustumine, difusioon, mille tulemuseks on kleepuv nuga, põlev nuga, nuga purunemine ja muud nähtused.
