где титан используется в самолетах
ПрименениеAMS 6931 Титановая поковкаВ авиационной промышленности подразделяются на титановый сплав конструкции самолета и титановый сплав конструкции двигателя. В аэрокосмической отрасли титановые сплавы в основном используются в качестве конструкций и контейнеров ракет, ракет и космических кораблей. Титановые сплавы для авиационных конструкций обычно должны использоваться при температурах ниже 350 градусов и должны иметь высокую удельную прочность, хорошую вязкость, отличную усталостную прочность и хорошие характеристики сварочного процесса. Титановые сплавы для двигателей должны обладать высокой удельной прочностью, хорошей термической стабильностью, стойкостью к окислению, сопротивлением ползучести и другими свойствами. Помимо требований к характеристикам аэрокосмических титановых сплавов, авиационно-космические аппараты также требуют высокой термостойкости и радиационной стойкости.
Основными деталями конструкции самолетов из титановых сплавов являются детали шасси, шпангоуты, балки, обшивки фюзеляжа, теплозащитные экраны и т. д. На российском самолете Ил{{0}} для изготовления ключевых узлов используется высокопрочный титановый сплав ВТ22. такие как шасси и несущие балки. Материал трансмиссионной балки основного шасси Боинга 747 — Ti-6Al-4V. Поковка имеет длину 6,20 метра, ширину 0,95 метра и массу 1545 килограммов. Высокопрочный и высокопрочный титановый сплав Ti-62222S используется в ключевых деталях вала горизонтального стабилизатора самолета C-17. Хвостовая часть фюзеляжа, где расположен авиационный двигатель F-22, и хвостовой теплозащитный экран выполнены в виде тонкостенных конструкций из титанового сплава с хорошей термостойкостью.
В авиационных двигателях к областям применения материалов из титановых сплавов относятся диски компрессоров, лопатки, барабаны, роторы компрессоров высокого давления, корпуса компрессоров и т. д. Около 30% конструктивного веса современных газотурбинных двигателей приходится на титановые сплавы. Применение титановых сплавов снижает качество лопаток компрессоров и вентиляторов, одновременно продлевая срок службы узлов и межремонтные интервалы. Передняя кромка и кончик лопастей вентилятора двигателя Boeing 747-8GENX оснащены защитными втулками из титанового сплава, которые заменялись всего три раза за 10-летний период обслуживания.
Поковки из авиационного титанового сплава необходимо подвергать литью слитков, изготовлению заготовок, штамповке, механической обработке и другим процессам для получения необходимой структуры и свойств материала, и они часто используются для изготовления основных компонентов подшипников каркаса самолета и роторов двигателей. По ХБ5024-1989 наружный диаметр крупных поковок не менее 500 мм. С развитием самолетов и двигателей к авиационным поковкам предъявляются все более высокие требования к качеству, большим размерам и более сложной форме. Форма деталей конструкции самолета сложна, а коэффициент использования материала обычно не превышает 10%. Материал четырех крупногабаритных усиленных шпангоутов основных несущих самолетов F-22 — Ti-6Al-4V ELI, а площадь проекции штамповок — 4.{{ 8}}.67 квадратных метров. За последние годы специализированное ковочное оборудование для авиационных титановых сплавов в моей стране было значительно усовершенствовано, и теперь можно производить цельные поковки из титановых сплавов площадью 5 квадратных метров.
Космический корабль работает в экстремальных условиях, таких как сверхвысокая температура, сверхнизкая температура, высокий вакуум, высокие нагрузки и сильная коррозия. Помимо необходимости превосходной технологии проектирования конструкций, это также зависит от превосходных характеристик и функций материалов. Титановые сплавы обычно используются при производстве резервуаров для хранения топлива, корпусов ракетных двигателей, направляющих сопел ракет и корпусов спутников.
Благодаря превосходным свойствам материалов из титановых сплавов некоторые ключевые детали самолетов также изготавливаются из материалов из титановых сплавов. Например, кромка впускного канала представляет собой деталь, изготовленную из титанового сплава методом 3D-печати, что обеспечивает комплексное проектирование и изготовление конструктивных и функциональных деталей.
Крепежные детали из титанового сплава, обычно используемые в аэрокосмической промышленности, в основном включают заклепки, болты и специальные крепежные детали.
Крепежные детали из титанового сплава, используемые на самолетах F-22 в США, включают: высокопрочные болты из титанового сплава, гвозди с кольцевыми канавками, болты с коническим полированным стержнем и высокой блокировкой, самозажимные болты, титан-ниобиевые заклепки и соединительные гайки. . На отечественном коммерческом самолете C919, который впервые совершил полет в моей стране в 2014 году, использовалось более 200000 элементов крепежа из титанового сплава для одного самолета. Разработка и применение крепежных изделий из титановых сплавов дают возможность дальнейшего снижения веса авиационных конструкций. Конструктивный вес самолета Боинг 747 был уменьшен на 1814 кг после замены стали на титан. В российском самолете Ил-96 использовано 142000 крепежных элемента и заменена сталь титаном, что позволило снизить его вес на 600 кг.
Титановый сплав обладает превосходной коррозионной стойкостью, а его положительный потенциал соответствует потенциалу композитных материалов из углеродного волокна, что может эффективно предотвратить потенциальную коррозию крепежных изделий. Сплав Ti45Nb — это заклепочный материал, широко используемый в аэрокосмической промышленности США. Материал имеет хорошие свойства на растяжение и прочность на сдвиг в отожженном состоянии и может заменить заклепки из чистого титана. Материал Ti45Nb также обладает высокой пластичностью и пригоден для изготовления соединительных заклепок при производстве композиционных материалов.
В последние годы разработанный Alcoa высокопрочный болт из титанового сплава Timeta1555 имеет прочность на разрыв более 1300 МПа после старения на раствор, двойную прочность на сдвиг более 745 МПа и удлинение более 10%. Чтобы идти в ногу с тенденцией развития международных высококачественных крепежных изделий из титановых сплавов, компания Xigong University Chaojing Co., Ltd. и Xinyang Aerospace Standard Parts Factory совместно разработали стержни и проволоку из титанового сплава TB8 для крепежных изделий, а также повысили прочность изготовленных болтов. из них достигает 1280 МПа. Исследование и разработка крепежа из титановых сплавов – очень сложная и длительная работа.
Направление развития отрасли титановых сплавов
Требование к титановым сплавам для будущих самолетов должно заключаться в более высокой прочности, более высокой ударной вязкости, более высокой стойкости к повреждениям и более высокой стойкости к высоким температурам. Направлениями применения и развития материалов из титановых сплавов будут: новые высокопрочные конструкционные титановые сплавы, высокоэффективные, устойчивые к повреждениям титановые сплавы, недорогие усталостные титановые сплавы, новые жаропрочные конструкционные титановые сплавы, перспективные титановые сплавы на основе TiAl. материалы, композиционные материалы на основе титана и др. .
Потребность в снижении веса конструкции современных самолетов становится все более актуальной. Помимо материалов из титановых сплавов в летных конструкциях широко используются и композиционные материалы. Использование композитных материалов для самолетов Boeing 787 достигло 50%, а использование композитных материалов для Airbus A380 также достигло 25%. В настоящее время композиционные материалы не могут полностью заменить металлы, а металлические материалы по-прежнему незаменимы. Модуль упругости титанового сплава и композитного материала, армированного углеродным волокном, совпадают, а коэффициент теплового расширения аналогичен; он имеет хорошую химическую совместимость и не подвержен потенциальной коррозии. В стыке корпуса крыла F-18 «Шмель» использована конструкция ступенчатого соединения стыковых деталей из титанового сплава и композитной обшивки. После нескольких лет эксплуатационных испытаний надежность конструкции была подтверждена. С увеличением количества композиционных материалов количество материалов из титановых сплавов будет еще больше увеличиваться.
Из информации из открытых источников за последние годы видно, что требования Соединенных Штатов к конструкционным материалам самолетов следующего поколения являются более легкими, более эффективными и экономичными. По курсу валюты 2006 года стоимость одного F-22 составляет около 361 миллиона долларов США. Первоначально плановая стоимость F-35 составляла 35 миллионов долларов, но позже она была увеличена до 138 миллионов долларов. Среди огромных затрат фактором, который нельзя игнорировать, является высокая себестоимость производства титановых сплавов. В недорогих титановых сплавах используются Fe, O и другие элементы для замены более дорогих V, Mo и других элементов. Компания Timetal из США разработала высокопрочный и недорогой титановый сплав типа Timetal-LCB путем добавления элемента Fe в виде дешевой лигатуры Fe-Mo вместо дорогого элемента V. Цель состоит в том, чтобы заменить более дорогой сплав Ti- 10V-2Fe-3Al.
Сварка титановых сплавов, почти чистая штамповка, холодная штамповка и т. д. также являются эффективными способами улучшения использования материала и снижения технологических затрат. В некоторых отечественных моделях успешно применяются передовые технологии сварки, такие как электронно-лучевая и лазерная сварка. Группа групп специалистов по лазерной формовке, таких как Университет Бэйхан и Западный технологический университет, добилась хороших результатов в применении новых технологий титановых сплавов.
При исследовании новых жаропрочных титановых сплавов на основе жаростойкого титанового сплава IMI829 с температурой 550 градусов в Великобритании и жаростойкого титанового сплава Ti-1100 с температурой 600 градусов в США, было добавлено менее 1% редкоземельных элементов Gd и Y-элементов соответственно. Образует оксиды редкоземельных элементов, очищает границы зерен, измельчает зерна и улучшает прочность, ползучесть и долговечность сплавов. TA12 (Ti55) — это жаропрочный титановый сплав близкого типа, разработанный совместно Институтом исследования металлов Китайской академии наук, группой компаний Baoti и Пекинским институтом авиационных материалов. Расчетная температура составляет 550 градусов. В настоящее время материал Ti55 является относительно зрелым, а стабильный диапазон рабочих температур составляет от 550 до 600 градусов. Расчетная температура материала Ti65 составляет 600 градусов -650 градусов, и соответствующая исследовательская работа проводится в установленном порядке.
В последние годы использование технологии быстрого отверждения/порошковой металлургии, армированных волокном или частицами композитных материалов для разработки титановых сплавов использовалось в качестве направления разработки высокотемпературных титановых сплавов, так что температура эксплуатации титановых сплавов может быть увеличена до выше 650 градусов. Композиционный материал с вольфрамовой сердцевиной и титановой матрицей, разработанный Институтом исследования металлов Китайской академии наук, нашел применение в определенном диапазоне.
