Titanium is wijdverbreid, het gehalte overschrijdt 0,4 procent van de massa van de aardkorst, en de wereldwijde bewezen reserves zijn ongeveer 3,4 miljard ton, 10e van alle elementen (zuurstof, silicium, aluminium, ijzer, calcium) , natrium, kalium, magnesium, waterstof, titanium).
Amerikaanse wetenschappers verkregen voor het eerst metallisch titanium in 1910 met behulp van de "natriummethode" (natriumreductie van TiCl4), maar de titaniumindustrie ontwikkelde zich niet onmiddellijk met de ontdekking van titanium.
Pas in 1948 na de Tweede Wereldoorlog werd de "magnesiummethode" (magnesiumreductie TiCl4), uitgevonden door Luxemburgse wetenschappers, gebruikt voor de productie in de Verenigde Staten en begon de titaniumindustrie een vlucht te nemen.
Titanium is 40 procent minder dicht dan staal en de sterkte is vergelijkbaar met die van staal, wat de structurele efficiëntie kan verbeteren. Tegelijkertijd heeft titanium een goede hittebestendigheid, corrosieweerstand, elasticiteit, elasticiteit en vervormbaarheid. Vanwege de bovengenoemde kenmerken van titanium, worden titaniumlegeringen sinds het verschijnen van titaniumlegeringen in de luchtvaartindustrie gebruikt. In 1953 werd titanium voor het eerst gebruikt op de DC-T-motorbrandmuur en -gondel geproduceerd door de Douglas Company uit de Verenigde Staten, en de geschiedenis van titaniumlegeringen die in de luchtvaart worden gebruikt, begon.
De spaceshuttle is het belangrijkste en meest gebruikte vliegtuig. Titanium is het belangrijkste structurele materiaal van vliegtuigen en het is ook het materiaal bij uitstek voor belangrijke componenten zoals ventilatoren van vliegtuigmotoren, compressorschijven en bladen, en staat bekend als "ruimtemetaal". Hoe geavanceerder het vliegtuig is, hoe meer titanium er wordt gebruikt. Het titaniumgehalte van het vierde generatie vliegtuig van de Amerikaanse F22 is bijvoorbeeld 41 procent (massafractie) en het titaniumgehalte van de F119-motor is 39 procent, wat momenteel het vliegtuig is met het hoogste titaniumgehalte. Onderzoek naar titaniumlegeringen is ontstaan in de luchtvaart en de ontwikkeling van de luchtvaartindustrie heeft ook de ontwikkeling van titaniumlegeringen bevorderd. Het onderzoek naar titaniumlegeringen voor de luchtvaart is altijd de belangrijkste en meest actieve tak geweest op het gebied van titaniumlegeringen, maar de ontwikkeling ervan is ook uiterst moeilijk.
In dit artikel worden titaniumlegeringen geclassificeerd vanuit het perspectief van de samenstelling van de legeringsmatrixfase. Met het vliegtuig als de vertegenwoordiger van het vliegtuig, richt dit artikel zich op de toepassing en het onderzoek van titaniumlegeringen in vliegtuigmotoren, vliegtuigrompen en luchtvaartbevestigingsmiddelen. Ten slotte worden de problemen geanalyseerd die bestaan bij de ontwikkeling van titaniumlegeringen voor de luchtvaart.
1 Classificatie van titaniumlegeringen
De classificatie van titaniumlegeringen in de Verenigde Staten, Groot-Brittannië, Rusland, Frankrijk, Japan en andere landen wordt grotendeels bepaald door fabrikanten, en er zijn veel namen. Sommige bedrijven gebruiken de chemische symbolen en nummers van de elementen rechtstreeks om de toegevoegde legeringselementen en hun inhoud te vervangen, zoals Ti-6Al-4V (gelijk aan TC4 in mijn land). Volgens de fasesamenstelling kunnen titaniumlegeringen worden onderverdeeld in: -type titaniumlegeringen met hexagonale dichtgepakte structuur (HCP) (inclusief bijna - -type legeringen) - dat wil zeggen binnenlandse kwaliteiten TA, en tweefasig gemengd plus-type titaniumlegeringen - dat wil zeggen, binnenlandse TC en Body-centered cubic (BCC) -type titaniumlegeringen (inclusief bijna - -type legeringen) - dat wil zeggen, het binnenlandse merk is TB.
1.1 -type titaniumlegering
De eenfasige vaste oplossingslegering met -titanium als matrix in gegloeide toestand is een -type titaniumlegering, die voornamelijk elementen zoals Al en Sn bevat. Al kan de trek- en kruipsterkte van de legering verhogen, de dichtheid van de titaniumlegering verminderen en de specifieke sterkte verbeteren, en is een belangrijk legeringselement in de titaniumlegering. Om het versterkende effect van aluminium in de vaste oplossing te maximaliseren en verbrossing van de legering veroorzaakt door overmatig Al te voorkomen, moet het legeringswerk van titaniumlegeringen voor hoge temperaturen de equivalente empirische formule volgen die is voorgesteld door ROSENBERG. Goede thermische stabiliteit. Deze elementen in alfa-titaniumlegeringen dienen om te stabiliseren door de transformatietemperatuur bij de transformatietemperatuur te remmen of te verhogen. Vergeleken met -type titaniumlegeringen, hebben -type legeringen een goede kruipweerstand, sterkte, lasbaarheid en taaiheid, en zijn de voorkeurslegeringen voor gebruik bij hoge temperaturen. Tegelijkertijd heeft een legering van het type geen koude broosheid en is het ook geschikt voor gebruik in een omgeving met lage temperaturen, waardoor het toepassingsgebied wordt uitgebreid. -type legeringen hebben een slechte smeedbaarheid en zijn vatbaar voor smeeddefecten. Smeeddefecten kunnen worden gecontroleerd door de verwerkingssnelheid per pas en frequente warmtebehandeling te verminderen. De matrix is een stabiele fase en voor een legering met een bepaalde samenstelling is de verandering in de eigenschappen ervan voornamelijk de verandering in korrelgrootte, omdat zowel de vloeigrens als de kruipsterkte gerelateerd zijn aan de korrelgrootte en de energie opgeslagen tijdens vervorming. De sterkte van een titaniumlegering van het type kan niet worden verbeterd door warmtebehandeling en de sterkte verandert in principe niet of nauwelijks na het uitgloeien. Sommige legeringen bevatten meer Al, Sn, Zr en een kleine hoeveelheid -stabiliserende elementen (meestal minder dan 2 procent). Hoewel deze legeringen -fase bevatten, is de matrix hoofdzakelijk samengesteld uit -fase, wat zeer dicht bij legeringen van het -type ligt in termen van warmtebehandelingsgevoeligheid en verwerkbaarheid, en wordt bijna - -type titaniumlegeringen genoemd. Legeringen van het type - -} zijn ontwikkeld op basis van de erkenning dat een hoge kruipsterkte kan worden verkregen door de -matrix te versterken met legeringselementen in vaste oplossing. De meeste bijna-- -type legeringen zijn nu titaniumlegeringen voor hoge temperaturen geworden vanwege hun goede thermische stabiliteit. belangrijke legeringen. Het versterkende mechanisme is dat atomen in de fase snel diffunderen en vatbaar zijn voor kruipen.
Veelvoorkomende titaniumlegeringen (inclusief bijna- -type legeringen) zijn Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V), Ti-6Al{{7 }}Zr-1Mo-1V, Ti-679 (Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo{ {16}}.25Si), BT18 (Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si) en Ti6242S (Ti{ {28}}Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si), enz. De samenstellingen en eigenschappen staan vermeld in Tabel 2.
1.2 plus type titaniumlegering
Om de sterkte en taaiheid van titaniumlegeringen te verbeteren, hebben mensen plus titaniumlegeringen ontwikkeld. In vergelijking met andere titaniumlegeringen worden plus-legeringen toegevoegd met -stabiliserende elementen en -stabiliserende elementen om de en fasen te versterken. plus legering heeft uitstekende uitgebreide eigenschappen. De sterkte bij kamertemperatuur is bijvoorbeeld hoger dan die van een legering. Het heeft goede thermische verwerkingsprestaties en kan worden versterkt door warmtebehandeling, dus het is geschikt voor structurele onderdelen in de ruimtevaart. De gegloeide structuur van de plus-type titaniumlegering is plus-fase en het fase-gehalte is over het algemeen 5 procent ~ 40 procent. De structuur is echter niet stabiel genoeg en de maximale bedrijfstemperatuur kan slechts 500 graden bereiken, en de lasprestaties en hittebestendigheid zijn lager dan die van titaniumlegering van het type.
titaniumlegeringen van het plus-type omvatten voornamelijk TC4 (Ti-6 Al - 4 V ), TC 6 (Ti - 6 Al - 1.5 C r -2.5Mo{ {9}}.5Fe-0.3Si), TC11 (Ti- 6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si), TC17 ( Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr), TC19 (Ti-6Al-2Sn{{ 31}}Zr-6Mo) en TC21 (Ti-6.2Al-2.8Mo) -2Nb-2Sn-2.1Zr{ {42}}.3Cr) enzovoort. Onder hen is de TC11-legering ook bekend als een bijna-bèta-legering.
ZHOU stelde een verwerkingstechnologie van TC11-legering voor. Eerst wordt de legering met warmte behandeld bij 15 graden onder de overgangstemperatuur, gevolgd door snelle waterkoeling, en ondergaat vervolgens een taaiheids- en versterkingswarmtebehandeling bij hoge temperatuur en lage temperatuur om een nieuwe microstructuur te verkrijgen. Deze nieuwe microstructuurmatrix bestaat uit 15 procent gelijkassige korrels, 50 procent tot 60 procent gelaagde korrels en getransformeerde korrels. De onderzoeksresultaten tonen aan dat de legering een hoge weerstand tegen vermoeiing, een lange levensduur van kruipvermoeiing, een hoge taaiheid en uitstekende prestaties bij hoge temperaturen vertoont zonder de plasticiteit en thermische stabiliteit te verminderen.
En het experimentele principe van het nieuwe proces en het taaiheidsmechanisme wordt besproken. Het belangrijkste probleem bij de praktische toepassing van deze verwerkingstechnologie is de nauwkeurige temperatuurregeling.
Dit TC11-bewerkingsproces van titaniumlegering is gebruikt om betrouwbare compressorschijven, rotoren en andere componenten voor vliegtuigmotoren te produceren.
1.3 -type titaniumlegering
Het gehalte aan stabiliserende elementen is hoog genoeg en de legering die wordt verkregen door de -fase na oplossingsbehandeling snel af te koelen en op kamertemperatuur te houden, wordt titaniumlegering van het type genoemd. Volgens de classificatie van stabiele microstructuur kunnen titaniumlegeringen worden onderverdeeld in stabiele titaniumlegeringen en metastabiele titaniumlegeringen, zoals weergegeven in figuur 1. In figuur 1 is MS de martensitische transformatietemperatuurlijn, C is het minimale gehalte aan stabiele elementen in metastabiele legeringen, en S is het minimumgehalte aan stabiele elementen in stabiele legeringen.
Bèta-legeringen hebben een goede koude vervormbaarheid in de oplossingstoestand en zijn ook uitstekend in hardbaarheid en reactievermogen op warmtebehandeling.
De veelgebruikte warmtebehandelingsmethode is de eerste oplossingsbehandeling, en vervolgens verouderen bij 450 ~ 650 graden, fijne fase zal worden neergeslagen op de oorspronkelijke matrix van de legering, waardoor een tweede fase wordt gevormd met gedispergeerde distributie, wat het versterkingsmechanisme van de legering is. In vergelijking met andere soorten titaniumlegeringen, precipiteert -titaniumlegering meer fase tijdens veroudering en bevat het meer fase-interface om de beweging van dislocaties te belemmeren, dus de sterkte bij kamertemperatuur van -titaniumlegering is het hoogst.
Het vermogen van een metalen materiaal om energie te absorberen tijdens vervorming en breuk wordt taaiheid genoemd. Hoe meer energie een materiaal absorbeert, hoe beter de taaiheid. Breuktaaiheid is een indicator van de taaiheid van een materiaal en weerspiegelt de weerstand van het materiaal tegen de verspreiding van scheuren en andere scherpe defecten. Over het algemeen vertonen de breuktaaiheid en sterkte van titaniumlegeringen een omgekeerde trend, dat wil zeggen dat de breuktaaiheid afneemt naarmate de sterkte toeneemt. Om de toepassing van titaniumlegeringen in de lucht- en ruimtevaartindustrie te bestuderen, is het noodzakelijk om microstructuren te ontwerpen met een goede sterkte en breuktaaiheid, evenals verwerkingstechnologie en warmtebehandelingsregimes. Legeringssamenstelling en microstructuur zijn de twee belangrijkste factoren die de breuktaaiheid van beta-titaniumlegeringen bepalen. De legeringssamenstelling bepaalt de hoeveelheid bètafase in de legering, evenals het type en de breuktaaiheid van de legering. De morfologie, hoeveelheid en volume van de microstructuur beïnvloeden ook de breuktaaiheid van de legering. Fu Yanyan en anderen geloofden dat het -stabiliserende element en het middelgrote element Zr van -titaniumlegering de sterkte van de legering kunnen verbeteren en de breuktaaiheid kunnen verminderen. De fijne korrels kunnen de sterkte van verouderde titaniumlegeringen niet effectief verbeteren en zullen de breuktaaiheid van Ti-15-3 legeringen verminderen, maar hebben geen significant effect op de breuktaaiheid van -C en Ti-1023 legeringen.
De sterkte van veroudering - titaniumlegering hangt voornamelijk af van het gehalte en de grootte van de secundaire fase die door veroudering wordt neergeslagen. In het geval van het bevatten van dezelfde primaire fase, kan de fijne secundaire fase de sterkte van de legering aanzienlijk verbeteren.
De verruwing van de primaire fase en de transformatie van de primaire fase van bolvormig naar vlokkig zal leiden tot een afname van de ductiliteit en een toename van de breuktaaiheid van titaniumlegeringen. De dual-mode structuur van -titaniumlegering heeft een goede match van sterkte, ductiliteit en taaiheid.
De reden waarom -titaniumlegering veel wordt gebruikt, is ook omdat het de voordelen heeft van een hoge sterkte en hoge plasticiteit die andere soorten titaniumlegeringen na veroudering niet kunnen evenaren. Tegelijkertijd zorgt de warmtebehandelbare versterking en het diepe uithardingsvermogen van de titaniumlegering ervoor dat het geleidelijk de plus tweefasige titaniumlegering vervangt als het voorkeursstructuurmateriaal voor de romp en vleugels van vliegtuigen, en het speelt een steeds belangrijkere rol in de Luchtvaartindustrie. steeds belangrijkere rol.
2 Ontwikkeling en toepassing van titaniumlegeringen voor de luchtvaart
In de jaren vijftig gingen militaire vliegtuigen het tijdperk van supersonische snelheid in en de originele aluminium en stalen constructies konden niet langer aan de nieuwe eisen voldoen. Het was in deze tijd dat titaniumlegeringen het stadium van industriële ontwikkeling betraden. Titaniumlegeringen hebben uitstekende eigenschappen zoals lage dichtheid, hoge specifieke sterkte, corrosieweerstand, hoge temperatuurbestendigheid, niet-magnetisch, lasbaar, breed bedrijfstemperatuurbereik (269 ~ 600 graden), en kunnen worden gebruikt voor het vormen van verschillende onderdelen, lassen en machinale bewerking . Luchtvaart werd al snel op grote schaal gebruikt. In het begin van de jaren vijftig begonnen militaire vliegtuigen industrieel puur titanium te gebruiken om structurele onderdelen te vervaardigen met minder stress, zoals hitteschilden, staartkappen en snelheidsremmen van de achterste romp. In de jaren zestig werden titaniumlegeringen verder toegepast op belangrijke spanningsdragende structurele onderdelen zoals schuivende vliegtuigkleppen, dragende schotten, kokerbalken in het midden van de vleugels en balken van het landingsgestel. Tegen de jaren zeventig was de toepassing van titaniumlegeringen in vliegtuigstructuren uitgebreid van straaljagers tot grote militaire bommenwerpers en transportvliegtuigen, en een groot aantal titaniumlegeringstructuren was ook gebruikt in burgervliegtuigen.
Na het invoeren van de jaren tachtig is het titanium dat in burgervliegtuigen wordt gebruikt geleidelijk toegenomen en heeft het het titanium dat in militaire vliegtuigen wordt gebruikt, overtroffen. Hoe geavanceerder het vliegtuig, hoe meer titanium er wordt gebruikt. Tabellen 3 en 5 geven een overzicht van de massafractie van titaniummaterialen die worden gebruikt in gevechtsvliegtuigen en geavanceerde bommenwerpers en transportvliegtuigen van de derde en vierde generatie in de Verenigde Staten, de soorten titaniumlegeringen die worden gebruikt in algemene vliegtuigen en de hoeveelheid titaniumlegeringen en composietmaterialen gebruikt in Airbus-vliegtuigen. Uit tabel 5 blijkt dat het gebruik van titanium op Airbus A380-vliegtuigen 10 procent heeft bereikt en dat titanium een onmisbaar structureel materiaal is geworden voor moderne vliegtuigen. Volgens verschillende toepassingen kunnen titaniumlegeringen voor de luchtvaart worden onderverdeeld in titaniumlegeringen voor vliegtuigmotoren, titaniumlegeringen voor vliegtuigrompen en titaniumlegeringen voor luchtvaartbevestigingsmiddelen. De afgelopen jaren is er diepgaand onderzoek gedaan naar de toepassing van luchtvaarttitaniumlegeringen in de bovengenoemde drie aspecten.
Kortom, titaniumlegering heeft een grote stuwkracht-gewichtsverhouding, hoge taaiheid, goede sterkte en lasbaarheid, en is een luchtvaartmateriaal met uitstekende uitgebreide eigenschappen. In de afgelopen decennia zijn de legeringstheorie, de uitgebreide versterkings- en hardingstechnologie en het warmtebehandelingsproces van titaniumlegeringen voor de luchtvaart sterk ontwikkeld. Op dit moment richt het onderzoek naar titaniumlegeringen zich voornamelijk op thermische stabiliteit bij hoge temperatuur, kruipweerstand en goedkoop ontwerp en productieproces van titaniumlegeringen. Met de verdieping van het onderzoek zal de technologische vooruitgang van goedkope verwerking van titaniumlegeringen worden aangedreven door hoogwaardige luchtvaarttoepassingen, waardoor het kostenknelpunt fundamenteel wordt doorbroken dat de verbetering van de dosering en het toepassingsniveau van titaniumlegeringen voor de luchtvaart beperkt. Een volledig titanium vliegtuig kan in de niet al te verre toekomst werkelijkheid worden.
Neem contact met ons op voor meer informatie. Dank je
Nicole
Bedrijf: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Land: China
Toevoegen: Baoti-weg, Jintai, Baoji-stad, Shaanxi, China
Cel: plus 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Website: www.jm-titanium.com
