Titan được sử dụng ở đâu trong máy bay

Việc áp dụngRèn titan AMS 6931trong ngành hàng không được chia thành hợp kim titan cấu trúc máy bay và cấu trúc hợp kim titan động cơ. Trong hàng không vũ trụ, hợp kim titan chủ yếu được sử dụng làm cấu trúc và thùng chứa tên lửa, tên lửa và tàu vũ trụ. Hợp kim titan cho kết cấu máy bay thường được yêu cầu sử dụng ở nhiệt độ dưới 350 độ và phải có cường độ riêng cao, độ bền tốt, khả năng chống mỏi tuyệt vời và hiệu suất quá trình hàn tốt. Hợp kim titan cho động cơ được yêu cầu phải có cường độ riêng cao, ổn định nhiệt tốt, chống oxy hóa, chống rão và các đặc tính khác. Ngoài các yêu cầu về hiệu suất của hợp kim titan hàng không vũ trụ, các phương tiện hàng không vũ trụ còn yêu cầu khả năng chịu nhiệt độ và khả năng chống bức xạ cao.

Các bộ phận ứng dụng chính của các bộ phận cấu trúc bằng hợp kim titan máy bay là các bộ phận hạ cánh, khung, dầm, vỏ thân máy bay, tấm chắn nhiệt, v.v. Máy bay Il{0}} của Nga sử dụng hợp kim titan BT22 cường độ cao để chế tạo các bộ phận chính chẳng hạn như thiết bị hạ cánh và dầm chịu lực. Vật liệu của chùm truyền động của càng đáp chính của Boeing 747 là Ti-6Al-4V. Lò rèn dài 6,20 mét, rộng 0,95 mét và có khối lượng 1545 kg. Hợp kim titan Ti{13}}S có độ bền cao và độ dẻo dai cao được sử dụng trong các bộ phận chính của trục ổn định ngang của máy bay C-17. Khu vực thân sau, nơi đặt động cơ máy bay F{15}} và tấm chắn nhiệt ở đuôi được thiết kế dưới dạng cấu trúc hợp kim titan có thành mỏng, chịu nhiệt tốt.

Về động cơ máy bay, các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu hợp kim titan bao gồm đĩa máy nén, cánh quạt, trống, rôto máy nén cao áp, vỏ máy nén, v.v. Khoảng 30% trọng lượng kết cấu của động cơ tua-bin hiện đại được làm bằng hợp kim titan. Việc ứng dụng hợp kim titan làm giảm chất lượng của cánh máy nén và cánh quạt, đồng thời kéo dài tuổi thọ của các bộ phận và khoảng thời gian kiểm tra. Mép trước và đầu của cánh quạt động cơ Boeing 747-8GENX được trang bị ống bọc bảo vệ bằng hợp kim titan, chỉ được thay thế ba lần trong thời gian phục vụ 10-năm.

Việc rèn hợp kim titan hàng không cần phải trải qua quá trình đúc phôi, tạo phôi, rèn khuôn, gia công và các quy trình khác để có được cấu trúc và tính chất vật liệu cần thiết, và thường được sử dụng để sản xuất các bộ phận ổ trục chính của khung máy bay và cánh quạt động cơ. Theo HB{0}}, đường kính ngoài của vật rèn lớn không nhỏ hơn 500 mm. Với sự phát triển của máy bay và động cơ, vật rèn hàng không có yêu cầu chất lượng ngày càng cao, kích thước lớn hơn và hình dạng phức tạp hơn. Hình dạng của các bộ phận kết cấu máy bay rất phức tạp và tỷ lệ sử dụng vật liệu thường không quá 10%. Vật liệu của bốn khung gia cố ổ đỡ chính quy mô lớn của máy bay F-22 là Ti-6Al-4V ELI và diện tích dự kiến ​​của khuôn rèn là 4.{{ 8}},67 mét vuông. Trong những năm gần đây, thiết bị rèn chuyên dụng cho hợp kim titan hàng không ở nước tôi đã được cải tiến rất nhiều, hiện nay người ta có thể sản xuất các vật rèn nguyên khối bằng hợp kim titan có diện tích 5 mét vuông.

Tàu vũ trụ hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cực cao, nhiệt độ cực thấp, chân không cao, ứng suất cao và ăn mòn mạnh. Ngoài việc yêu cầu công nghệ thiết kế kết cấu siêu việt, nó còn phụ thuộc vào đặc tính và chức năng ưu việt của vật liệu. Hợp kim titan thường được sử dụng trong sản xuất thùng chứa nhiên liệu, vỏ động cơ tên lửa, thanh dẫn hướng vòi phun tên lửa và vỏ vệ tinh.

Do đặc tính tuyệt vời của vật liệu hợp kim titan, một số bộ phận quan trọng của máy bay cũng được làm bằng vật liệu hợp kim titan. Ví dụ, mép của cổng nạp là một bộ phận được làm bằng vật liệu hợp kim titan bằng phương pháp in 3D, giúp thực hiện việc thiết kế và sản xuất tích hợp các bộ phận kết cấu và bộ phận chức năng.

Ốc vít hợp kim titan thường được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ chủ yếu bao gồm đinh tán, bu lông và ốc vít đặc biệt.

Các ốc vít bằng hợp kim titan được sử dụng trên máy bay F{0}} ở Hoa Kỳ bao gồm: bu lông hợp kim titan cường độ cao, đinh có rãnh dạng vòng, bu lông khóa cao hình côn được đánh bóng, bu lông tự kẹp, đinh tán niobi titan và đai ốc liên kết . Máy bay thương mại nội địa C919, bay lần đầu tiên ở nước tôi vào năm 2014, đã sử dụng hơn 200,000 miếng ốc vít bằng hợp kim titan cho một chiếc máy bay. Việc phát triển và ứng dụng ốc vít hợp kim titan mang lại khả năng giảm trọng lượng hơn nữa của cấu trúc máy bay. Trọng lượng kết cấu của máy bay Boeing 747 đã giảm 1814 kg sau khi thay thế thép bằng titan. Một chiếc máy bay Il{10}} của Nga đã sử dụng 142,{12}} dây buộc và thay thế thép bằng titan để giảm trọng lượng đi 600 kg.

Hợp kim titan có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và tiềm năng tích cực của nó phù hợp với vật liệu composite sợi carbon, có thể ngăn chặn hiệu quả khả năng ăn mòn của ốc vít. Hợp kim Ti45Nb là vật liệu đinh tán được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ tại Hoa Kỳ. Vật liệu này có đặc tính kéo và độ bền cắt tốt ở trạng thái ủ và có thể thay thế đinh tán titan nguyên chất. Chất liệu Ti45Nb còn có độ dẻo cao, thích hợp để kết nối đinh tán trong sản xuất vật liệu composite.

Trong những năm gần đây, bu lông cường độ cao hợp kim titan Timeta1555 do Alcoa phát triển có độ bền kéo hơn 1300 MPa sau khi lão hóa dung dịch, cường độ cắt gấp đôi hơn 745 MPa và độ giãn dài hơn 10%. Để bắt kịp xu hướng phát triển của ốc vít hợp kim titan cao cấp quốc tế, Công ty TNHH Đại học Xigong Chaojing và Nhà máy Phụ tùng Tiêu chuẩn Hàng không Vũ trụ Xinyang đã cùng nhau phát triển các thanh và dây hợp kim titan TB8 cho ốc vít và độ bền kéo của bu lông được chế tạo trong số chúng cao tới 1280MPa. Việc nghiên cứu và phát triển ốc vít hợp kim titan là một công việc rất phức tạp và lâu dài.

Hướng phát triển của ngành hợp kim titan

Nhu cầu về hợp kim titan cho máy bay trong tương lai sẽ có độ bền cao hơn, độ dẻo dai cao hơn, hiệu suất hư hỏng cao hơn và khả năng chịu nhiệt độ cao cao hơn. Hướng ứng dụng và phát triển của vật liệu hợp kim titan sẽ là: hợp kim titan cấu trúc cường độ cao mới, hợp kim titan chịu hư hỏng hiệu suất cao, hợp kim titan chống mỏi chi phí thấp, hợp kim titan cấu trúc nhiệt độ cao mới, dựa trên TiAl tiên tiến vật liệu composite, vật liệu composite gốc titan, v.v.

Nhu cầu giảm trọng lượng kết cấu của máy bay hiện đại ngày càng cấp thiết. Ngoài vật liệu hợp kim titan, vật liệu composite cũng được sử dụng rộng rãi trong các cấu trúc bay. Tỷ lệ sử dụng vật liệu composite cho máy bay Boeing 787 đã đạt 50% và tỷ lệ sử dụng vật liệu composite cho Airbus A380 cũng đạt 25%. Hiện nay, vật liệu composite chưa thể thay thế hoàn toàn kim loại, vật liệu kim loại vẫn không thể thiếu. Mô đun đàn hồi của hợp kim titan và vật liệu composite gia cố bằng sợi carbon phù hợp và hệ số giãn nở nhiệt tương tự nhau; và nó có khả năng tương thích hóa học tốt và không dễ bị ăn mòn. Khớp thân cánh của F-18 "Bumblebee" sử dụng thiết kế liên kết bậc thang giữa các bộ phận khớp nối bằng hợp kim titan và lớp vỏ composite. Sau vài năm thử nghiệm dịch vụ, độ tin cậy của thiết kế đã được xác minh. Với sự gia tăng số lượng vật liệu composite, số lượng vật liệu hợp kim titan sẽ tăng thêm.

Có thể thấy từ thông tin nguồn mở trong những năm gần đây rằng các yêu cầu của Hoa Kỳ đối với vật liệu kết cấu máy bay thế hệ tiếp theo là nhẹ hơn, hiệu quả hơn và có thể kiểm soát được chi phí. Theo giá trị tiền tệ năm 2006, giá của một chiếc F-22 là khoảng 361 triệu đô la Mỹ. F-35 ban đầu có mục tiêu chi phí là 35 triệu USD, sau đó tăng lên 138 triệu USD. Trong số những chi phí khổng lồ, chi phí sản xuất hợp kim titan cao là một yếu tố không thể bỏ qua. Hợp kim titan chi phí thấp sử dụng Fe, O và các nguyên tố khác để thay thế các nguyên tố V, Mo và các nguyên tố khác đắt tiền hơn. Công ty Timetal của Hoa Kỳ đã phát triển hợp kim titan loại Timetal-LCB có độ bền cao và chi phí thấp bằng cách bổ sung nguyên tố Fe dưới dạng hợp kim chủ Fe-Mo giá rẻ thay vì nguyên tố V đắt tiền. Mục tiêu là thay thế hợp kim Ti{14}}V-2Fe-3Al đắt tiền hơn.

Hàn hợp kim titan, tạo hình gần lưới, tạo hình nguội, v.v. cũng là những cách hiệu quả để cải thiện việc sử dụng vật liệu và giảm chi phí quy trình. Các công nghệ hàn tiên tiến như hàn chùm tia điện tử, hàn laser đã được áp dụng thành công ở một số mẫu máy trong nước. Một nhóm nhóm tạo hình bằng laser như Đại học Beihang và Đại học Công nghệ phương Tây đã đạt được kết quả tốt trong việc ứng dụng các công nghệ hợp kim titan mới.

Trong nghiên cứu hợp kim titan nhiệt độ cao mới, trên cơ sở hợp kim titan nhiệt độ cao 550 độ của IMI829 ở Vương quốc Anh và hợp kim titan nhiệt độ cao Ti-1100 600 độ ở Hoa Kỳ, ít hơn 1% nguyên tố đất hiếm các nguyên tố Gd và Y được thêm vào tương ứng. Hình thành các oxit đất hiếm, làm sạch ranh giới hạt, tinh chế hạt và cải thiện độ bền, độ rão và độ bền của hợp kim. TA12 (Ti55) là hợp kim titan nhiệt độ cao gần loại được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Kim loại, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Tập đoàn Baoti và Viện Vật liệu Hàng không Bắc Kinh. Nhiệt độ thiết kế là 550 độ. Hiện nay, vật liệu Ti55 đã tương đối trưởng thành và phạm vi nhiệt độ hoạt động ổn định là 550 độ đến 600 độ. Nhiệt độ thiết kế của vật liệu Ti65 là 600 độ -650 độ và công việc nghiên cứu tương ứng đang được thực hiện một cách có trật tự.

Trong những năm gần đây, việc sử dụng công nghệ luyện kim bột / hóa rắn nhanh, vật liệu composite gia cố bằng sợi hoặc hạt để phát triển hợp kim titan đã được sử dụng làm hướng phát triển của hợp kim titan nhiệt độ cao, để có thể tăng nhiệt độ sử dụng của hợp kim titan lên trên 650 độ. Vật liệu composite ma trận titan lõi vonfram do Viện nghiên cứu kim loại, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phát triển đã được ứng dụng trong một phạm vi nhất định.