¿Por qué tenemos que usar la aleación de titanio como material de los aviones de transporte aéreo?
1. Introducción del titanio
En 1948, la compañía estadounidense DuPont utilizó el método de magnesio para producir toneladas de esponja de titanio, lo que marcó el comienzo de la producción industrial de esponja de titanio. Las aleaciones de titanio son ampliamente utilizadas en varios campos debido a su alta resistencia específica, buena resistencia a la corrosión y alta resistencia al calor. El titanio es abundante en la corteza terrestre, ocupando el noveno lugar en contenido, mucho más alto que los metales comunes como el cobre, el zinc y la lata. El titanio está ampliamente presente en muchas rocas, especialmente arena y arcilla.
2.Las características del titanio
Alta resistencia: 1,3 veces de aleación de aluminio, 1,6 veces de aleación de magnesio, 3,5 veces de acero inoxidable, campeón entre materiales metálicos.
Alta resistencia térmica: La temperatura de funcionamiento es varios cientos de grados más alta que la de la aleación de aluminio, y puede funcionar durante mucho tiempo a una temperatura de 450 a 500 °C.
Buena resistencia a la corrosión: resistencia a los ácidos, resistencia al álcali, resistencia atmosférica a la corrosión, resistencia particularmente fuerte a la corrosión por picaduras y a la corrosión por estrés.
Buen rendimiento a baja temperatura: La aleación de titanio TA7 con elementos intersticiales extremadamente bajos puede mantener un cierto grado de plasticidad a -253 °C.
Alta actividad química: La actividad química es alta a alta temperatura, y reacciona fácilmente con impurezas de gas como hidrógeno y oxígeno en el aire para formar una capa endurecida.
La conductividad térmica es pequeña y el módulo de elasticidad es pequeño: la conductividad térmica es aproximadamente 1/4 de níquel, 1/5 de hierro y 1/14 de aluminio. La conductividad térmica de varias aleaciones de titanio es aproximadamente un 50% menor que la del titanio. El módulo elástico de aleación de titanio es aproximadamente 1/2 del acero.
3.La clasificación y el uso de aleaciones de titanio
Las aleaciones de titanio se pueden dividir en aleaciones resistentes al calor, aleaciones de alta resistencia, aleaciones resistentes a la corrosión (titanio-molibdeno, aleaciones de titanio-paladio, etc.), aleaciones a baja temperatura y aleaciones funcionales especiales (materiales de almacenamiento de hidrógeno de titanio y hierro y aleaciones de memoria de titanio y níquel) Wait. Aunque la historia del titanio y sus aleaciones no es larga, pero debido a su rendimiento superior, ha ganado muchos títulos honorables. El primer título ganado es "Space Metal". Es ligero en peso, fuerte y resistente a las altas temperaturas, y es particularmente adecuado para la fabricación de aviones y varias naves espaciales. Actualmente, alrededor de tres cuartas partes de las aleaciones de titanio y titanio producidas en el mundo se utilizan en la industria aeroespacial. Muchas piezas que originalmente usaban aleaciones de aluminio han cambiado a aleaciones de titanio.
4.Aplicaciones aeroespaciales de aleaciones de titanio
Las aleaciones de titanio se utilizan principalmente en materiales de fabricación de aeronaves y motores, tales como ventiladores de titanio forjados, discos y cuchillas del compresor, campanas del motor, dispositivos de escape y otras piezas, así como piezas de bastidor estructural como marcos de vigas de aeronaves. La nave espacial utiliza principalmente la alta resistencia específica, resistencia a la corrosión y baja resistencia a la temperatura de las aleaciones de titanio para fabricar varios recipientes a presión, tanques de combustible, sujetadores, correas de instrumentos, marcos y proyectiles de cohetes. Satélites artificiales de tierra, módulos lunares, naves espaciales tripuladas y transbordadores espaciales también utilizan piezas soldadas de láminas de aleación de titanio. ¿Por qué tenemos que usar aleación de titanio para el material de los aviones de transporte aéreo? En 1950, los Estados Unidos lo utilizaron por primera vez en cazabombarderos F-84 como componentes que no llevaban carga, como escudos térmicos de fuselaje trasero, deflectores de viento y cubiertas de cola. Desde la década de 1960, el uso de aleación de titanio se ha movido del fuselaje trasero al fuselaje medio, reemplazando parcialmente el acero estructural para hacer componentes importantes que llevan carga, como mamparos, vigas y toboganes de solapa. Desde la década de 1970, los aviones civiles comenzaron a utilizar aleaciones de titanio en grandes cantidades. Por ejemplo, el avión de pasajeros Boeing 747 utiliza más de 3.640 kilogramos de titanio, lo que representa el 28% del peso del avión. Con el desarrollo de la tecnología de procesamiento, una gran cantidad de aleación de titanio también se utiliza en cohetes, satélites artificiales y naves espaciales. Cuanto más avanzado sea el avión, más titanio se utilizará. La aleación de titanio utilizada por los aviones de combate estadounidenses F-14A representa aproximadamente el 25% del peso del avión; los aviones de combate F-15A representan el 25,8%; los aviones de combate estadounidenses de cuarta generación utilizan el 41% del titanio, y el motor F119 utiliza el 39% del titanio. El avión con la mayor cantidad de titanio.
5.La razón por la cual la aleación de titanio es ampliamente utilizada en la aviación
La velocidad máxima de los aviones modernos ha alcanzado más de 2,7 veces la velocidad del sonido. Un vuelo supersónico tan rápido hará que el avión se frote contra el aire y genere mucho calor. Cuando la velocidad de vuelo alcanza 2,2 veces la velocidad del sonido, la aleación de aluminio no puede soportarlo. Se debe utilizar aleación de titanio resistente a altas temperaturas. Cuando la relación empuje-peso del aeromotor aumenta de 4-6 a 8-10, y la temperatura de salida del compresor aumenta de 200-300 °C a 500-600 °C, los discos y cuchillas originales del compresor de baja presión hechos de aluminio deben cambiarse a aleación de titanio. En los últimos años, los científicos han hecho continuamente nuevos progresos en la investigación sobre las propiedades de las aleaciones de titanio. La aleación original de titanio compuesta por titanio, aluminio y vanadio tiene una temperatura máxima de funcionamiento de 550 °C a 600 °C, mientras que la aleación de aluminio de titanio (TiAl) recientemente desarrollada tiene una temperatura máxima de funcionamiento de 1040 °C. El uso de aleación de titanio en lugar de acero inoxidable para fabricar discos y cuchillas de compresores de alta presión puede reducir el peso estructural. Cada reducción de peso del 10% de la aeronave puede ahorrar un 4% de combustible. Para el cohete, cada reducción de peso de 1 kg puede aumentar el alcance de 15 km.
6.Análisis de las características de mecanizado de la aleación de titanio
En primer lugar, la conductividad térmica de las aleaciones de titanio es baja, sólo 1/4 de acero, 1/13 de aluminio y 1/25 de cobre. Debido a la disipación lenta del calor en la zona de corte, no es propicio para el equilibrio térmico. Durante el proceso de corte, el efecto de disipación de calor y enfriamiento es muy pobre, y es fácil formar alta temperatura en la zona de corte. Después del procesamiento, la deformación y el rebote de las piezas son grandes, lo que hace que el par de la herramienta de corte aumente y el desgaste de vanguardia rápidamente. La durabilidad se reduce. En segundo lugar, la baja conductividad térmica de la aleación de titanio hace que el calor de corte sea difícil de disipar en un área pequeña cerca de la herramienta de corte. La fricción de la cara del rastrillo se incrementa, la eliminación de virutas no es fácil, y cortar el calor es difícil de disipar, lo que acelera el desgaste de la herramienta. Por último, las aleaciones de titanio tienen una alta actividad química y son fáciles de reaccionar con materiales de herramientas cuando se procesan a altas temperaturas, formando disolución y difusión, causando adherencia, quema y rotura del cuchillo.