¿Por qué son necesarias las aleaciones de titanio para los materiales aeroespaciales?

El titanio y la aviación tienen una relación inquebrantable. 1953, el uso de titanio en las cápsulas de los motores y los cortafuegos del avión DC-T producido por la compañía estadounidense Douglas, abriendo así la historia de las aplicaciones aeroespaciales del titanio. Desde entonces, el titanio se utiliza en la aviación desde hace más de medio siglo. El titanio se puede utilizar ampliamente en la aviación porque tiene muchas propiedades valiosas adecuadas para aplicaciones aeronáuticas. Hoy hablaremos de por qué los materiales de aviación deben utilizar aleación de titanio.

Primero, la introducción del titanio.

En 1948, DuPont en los Estados Unidos solo produjo toneladas de esponja de titanio con el método del magnesio; esto marca el comienzo de la producción industrial de esponja de titanio. La aleación de titanio se usa ampliamente en diversos campos debido a su alta resistencia, buena resistencia a la corrosión, resistencia al calor y otras características.

El titanio es abundante en la corteza terrestre y ocupa el noveno lugar en contenido, muy por encima del cobre, zinc, estaño y otros metales comunes. El titanio se encuentra ampliamente en muchas rocas, especialmente en arena y arcilla.

En segundo lugar, las características del titanio.

Alta resistencia: 1,3 veces mayor que la de la aleación de aluminio, 1,6 veces mayor que la de la aleación de magnesio, 3,5 veces mayor que la del acero inoxidable, materiales metálicos.

Alta resistencia térmica: el uso de la temperatura es varios cientos de grados más alto que la aleación de aluminio, puede estar en la temperatura de 450 ~ 500 grados de trabajo a largo plazo.

Buena resistencia a la corrosión: resistencia a la corrosión ácida, alcalina y atmosférica, especialmente fuerte resistencia a la corrosión por picaduras y tensión.

Buen rendimiento a baja temperatura: la aleación de titanio TA7 con elementos intersticiales muy bajos puede mantener un cierto grado de plasticidad a -253 grado.

Alta actividad química: alta actividad química a altas temperaturas, reacciona químicamente fácilmente con hidrógeno, oxígeno y otras impurezas gaseosas del aire para generar una capa endurecida.

Pequeña conductividad térmica, pequeño módulo de elasticidad: la conductividad térmica es aproximadamente 1/4 de níquel, 1/5 de hierro, 1/14 de aluminio y varias aleaciones de titanio tienen una conductividad térmica de aproximadamente 50% menor que la del titanio. El módulo de elasticidad de la aleación de titanio es aproximadamente la mitad del del acero.

En tercer lugar, la clasificación y uso de la aleación 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 de baja temperatura, así como aleaciones funcionales especiales (titanio - hierro). materiales de almacenamiento de hidrógeno y aleaciones con memoria de titanio y níquel), etc.

Aunque el titanio y sus aleaciones no se utilizan desde hace mucho tiempo, han recibido varios títulos honoríficos debido a su excelente rendimiento. El primero es el "metal espacial". Su peso ligero, alta resistencia y resistencia a altas temperaturas lo hacen particularmente adecuado para la fabricación de aviones y diversas naves espaciales. En la actualidad, alrededor de tres cuartas partes del titanio y aleaciones de titanio producidas en el mundo se utilizan en la industria aeroespacial. Muchas de las piezas originales de aleación de aluminio se han cambiado por aleación de titanio.

Cuarto, la aplicación de la aleación de titanio en la aviación.

La aleación de titanio se utiliza principalmente para materiales de fabricación de aviones y motores, como ventiladores de titanio forjado, discos y aspas de aire presurizado, cubiertas del motor, dispositivos de escape y otras piezas, así como el bastidor de vigas grandes del avión y otras piezas estructurales del bastidor. Las naves espaciales utilizan principalmente aleaciones de titanio de alta resistencia, resistencia a la corrosión y a bajas temperaturas para fabricar una variedad de recipientes a presión, tanques de almacenamiento de combustible, sujetadores, correas de instrumentos, marcos y proyectiles de cohetes. Los satélites terrestres artificiales, los módulos lunares, las naves espaciales tripuladas y los transbordadores espaciales también utilizan placas soldadas de aleación de titanio.

En 1950, los Estados Unidos utilizaron el cazabombardero F-84 como escudo térmico en el fuselaje trasero, parabrisas, capó trasero y otros componentes que no soportan carga. En los años 60 comienza el uso de aleaciones de titanio desde la parte trasera del fuselaje hasta el centro del fuselaje, en parte en lugar de acero estructural para la fabricación de marcos espaciadores, vigas, aletas, rieles deslizantes y otros componentes importantes de soporte de carga. En los años 70, los aviones civiles comenzaron a utilizar aleaciones de titanio en grandes cantidades, por ejemplo, la cantidad de titanio en el avión de pasajeros Boeing 747 ascendía a 3.640 kilogramos de titanio. Más del 28% del peso de la máquina. Con el desarrollo de la tecnología de procesamiento, en cohetes, satélites y naves espaciales, también se utilizó una gran cantidad de aleaciones de titanio.

Cuanto más avión, más titanio se utiliza. US F-14Un caza que utiliza una aleación de titanio, que representa aproximadamente el 25% del peso de la máquina; F-15Un luchador para el 25,8%; El caza estadounidense de cuarta generación con una cantidad de titanio del 41% del motor F119 con una cantidad de titanio del 39%, actualmente utiliza una cantidad de titanio en aviones altos.

Traducido con www.DeepL.com/Translator (versión gratuita)

El titanio y la aviación tienen una relación inquebrantable. 1953, el uso de titanio en las cápsulas de los motores y los cortafuegos del avión DC-T producido por la compañía estadounidense Douglas, abriendo así la historia de las aplicaciones aeroespaciales del titanio. Desde entonces, el titanio se utiliza en la aviación desde hace más de medio siglo. El titanio se puede utilizar ampliamente en la aviación porque tiene muchas propiedades valiosas adecuadas para aplicaciones aeronáuticas. Hoy hablaremos de por qué los materiales de aviación deben utilizar aleación de titanio.

Primero, la introducción del titanio.

En 1948, DuPont en los Estados Unidos solo produjo toneladas de esponja de titanio con el método del magnesio; esto marca el comienzo de la producción industrial de esponja de titanio. La aleación de titanio se usa ampliamente en diversos campos debido a su alta resistencia, buena resistencia a la corrosión, resistencia al calor y otras características.

El titanio es abundante en la corteza terrestre y ocupa el noveno lugar en contenido, muy por encima del cobre, zinc, estaño y otros metales comunes. El titanio se encuentra ampliamente en muchas rocas, especialmente en arena y arcilla.

En segundo lugar, las características del titanio.

Alta resistencia: 1,3 veces mayor que la de la aleación de aluminio, 1,6 veces mayor que la de la aleación de magnesio, 3,5 veces mayor que la del acero inoxidable, materiales metálicos.

Alta resistencia térmica: el uso de la temperatura es varios cientos de grados más alto que la aleación de aluminio, puede estar en la temperatura de 450 ~ 500 grados de trabajo a largo plazo.

Buena resistencia a la corrosión: resistencia a la corrosión ácida, alcalina y atmosférica, especialmente fuerte resistencia a la corrosión por picaduras y tensión.

Buen rendimiento a baja temperatura: la aleación de titanio TA7 con elementos intersticiales muy bajos puede mantener un cierto grado de plasticidad a -253 grado.

Alta actividad química: alta actividad química a altas temperaturas, reacciona químicamente fácilmente con hidrógeno, oxígeno y otras impurezas gaseosas del aire para generar una capa endurecida.

Pequeña conductividad térmica, pequeño módulo de elasticidad: la conductividad térmica es aproximadamente 1/4 de níquel, 1/5 de hierro, 1/14 de aluminio y varias aleaciones de titanio tienen una conductividad térmica de aproximadamente 50% menor que la del titanio. El módulo de elasticidad de la aleación de titanio es aproximadamente la mitad del del acero.

En tercer lugar, la clasificación y uso de la aleación 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 de baja temperatura, así como aleaciones funcionales especiales (titanio - hierro). materiales de almacenamiento de hidrógeno y aleaciones con memoria de titanio y níquel), etc.

Aunque el titanio y sus aleaciones no se utilizan desde hace mucho tiempo, han recibido varios títulos honoríficos debido a su excelente rendimiento. El primero es el "metal espacial". Su peso ligero, alta resistencia y resistencia a altas temperaturas lo hacen particularmente adecuado para la fabricación de aviones y diversas naves espaciales. En la actualidad, alrededor de tres cuartas partes del titanio y aleaciones de titanio producidas en el mundo se utilizan en la industria aeroespacial. Muchas de las piezas originales de aleación de aluminio se han cambiado por aleación de titanio.

Cuarto, la aplicación de la aleación de titanio en la aviación.

La aleación de titanio se utiliza principalmente para materiales de fabricación de aviones y motores, como ventiladores de titanio forjado, discos y aspas de aire presurizado, cubiertas del motor, dispositivos de escape y otras piezas, así como el bastidor de vigas grandes del avión y otras piezas estructurales del bastidor. Las naves espaciales utilizan principalmente aleaciones de titanio de alta resistencia, resistencia a la corrosión y a bajas temperaturas para fabricar una variedad de recipientes a presión, tanques de almacenamiento de combustible, sujetadores, correas de instrumentos, marcos y proyectiles de cohetes. Los satélites terrestres artificiales, los módulos lunares, las naves espaciales tripuladas y los transbordadores espaciales también utilizan placas soldadas de aleación de titanio.

En 1950, los Estados Unidos utilizaron el cazabombardero F-84 como escudo térmico en el fuselaje trasero, parabrisas, capó trasero y otros componentes que no soportan carga. En los años 60 comienza el uso de aleaciones de titanio desde la parte trasera del fuselaje hasta el centro del fuselaje, en parte en lugar de acero estructural para la fabricación de marcos espaciadores, vigas, aletas, rieles deslizantes y otros componentes importantes de soporte de carga. En los años 70, los aviones civiles comenzaron a utilizar aleaciones de titanio en grandes cantidades, por ejemplo, la cantidad de titanio en el avión de pasajeros Boeing 747 ascendía a 3.640 kilogramos de titanio. Más del 28% del peso de la máquina. Con el desarrollo de la tecnología de procesamiento, en cohetes, satélites y naves espaciales, también se utilizó una gran cantidad de aleaciones de titanio.

Cuanto más avión, más titanio se utiliza. US F-14Un caza que utiliza una aleación de titanio, que representa aproximadamente el 25% del peso de la máquina; F-15Un luchador para el 25,8%; El caza estadounidense de cuarta generación con una cantidad de titanio del 41% del motor F119 con una cantidad de titanio del 39%, actualmente utiliza una cantidad de titanio en aviones altos.

V. La aleación de titanio en la aviación tiene una gran cantidad de motivos de aplicación.

Navegación aérea moderna La alta velocidad ha alcanzado 2,7 veces la velocidad del sonido. Un vuelo supersónico tan rápido hará que el avión y el aire friccionen y produzcan mucho calor. Cuando la velocidad de vuelo alcanza 2,2 veces la velocidad del sonido, la aleación de aluminio no puede resistir. Se debe utilizar una aleación de titanio resistente al calor.

Cuando la relación empuje-peso del motor aeronáutico aumentó de 4 a 6 a 8 a 10, la temperatura de salida del gas presurizado aumentó correspondientemente de 200 a 300 grados a 500 a 600 grados, los discos y palas originales de gas presurizado de baja presión se fabricaron. El aluminio debe cambiarse por una aleación de titanio.

En los últimos años, los científicos están investigando el rendimiento de las aleaciones de titanio y constantemente logran nuevos avances. La composición original de titanio, aluminio, aleación de titanio vanadio, alta temperatura de trabajo de 550 grados ~ 600 grados, y la aleación de titanio y aluminio recientemente desarrollada (TiAl), alta temperatura de trabajo ha aumentado a 1040 grados.

La aleación de titanio en lugar de acero inoxidable para fabricar el disco y las palas del compresor de alta presión puede reducir el peso estructural. Los aviones pueden ahorrar un 4% de combustible por cada 10% de reducción de peso. En el caso de los cohetes, cada reducción de peso de 1 kg puede aumentar el alcance de 15 km.

Seis, análisis de las características de mecanizado de aleación de titanio.

En primer lugar, la baja conductividad térmica de la aleación de titanio, solo 1/4 de la del acero, 1/13 del aluminio y 1/25 del cobre, se debe a la lenta disipación del calor en la zona de corte, que no favorece el equilibrio térmico durante el proceso de corte. , el efecto de disipación de calor y enfriamiento es muy pobre, es fácil que se forme una temperatura alta en la zona de corte, la deformación de las piezas después del rebote del mecanizado, lo que resulta en un mayor torque en la herramienta de corte, el borde del borde del desgaste rápido y durabilidad reducida.

En segundo lugar, la baja conductividad térmica de la aleación de titanio, por lo que el calor de corte acumulado en la cuchilla de corte cerca del área pequeña no es fácil de diseminar, la fricción de la cara frontal aumenta, no es fácil de astillar, el calor de corte no es fácil de difundir, acelerar el desgaste de la herramienta. Después, la actividad química de la aleación de titanio es alta, el procesamiento a altas temperaturas es fácil de reaccionar con el material de la herramienta, la formación de disolución, difusión, lo que resulta en cuchillos pegados, cuchillos quemados, cuchillos rotos y otros fenómenos.

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V. La aleación de titanio en la aviación tiene una gran cantidad de motivos de aplicación.

Navegación aérea moderna La alta velocidad ha alcanzado 2,7 veces la velocidad del sonido. Un vuelo supersónico tan rápido hará que el avión y el aire friccionen y produzcan mucho calor. Cuando la velocidad de vuelo alcanza 2,2 veces la velocidad del sonido, la aleación de aluminio no puede resistir. Se debe utilizar una aleación de titanio resistente al calor.

Cuando la relación empuje-peso del motor aeronáutico aumentó de 4 a 6 a 8 a 10, la temperatura de salida del gas presurizado aumentó correspondientemente de 200 a 300 grados a 500 a 600 grados, los discos y palas originales de gas presurizado de baja presión se fabricaron. El aluminio debe cambiarse por una aleación de titanio.

En los últimos años, los científicos están investigando el rendimiento de las aleaciones de titanio y constantemente logran nuevos avances. La composición original de titanio, aluminio, aleación de titanio vanadio, alta temperatura de trabajo de 550 grados ~ 600 grados, y la aleación de titanio y aluminio recientemente desarrollada (TiAl), alta temperatura de trabajo ha aumentado a 1040 grados.

La aleación de titanio en lugar de acero inoxidable para fabricar el disco y las palas del compresor de alta presión puede reducir el peso estructural. Los aviones pueden ahorrar un 4% de combustible por cada 10% de reducción de peso. En el caso de los cohetes, cada reducción de peso de 1 kg puede aumentar el alcance de 15 km.

Seis, análisis de las características de mecanizado de aleación de titanio.

En primer lugar, la baja conductividad térmica de la aleación de titanio, solo 1/4 de la del acero, 1/13 del aluminio y 1/25 del cobre, se debe a la lenta disipación del calor en la zona de corte, que no favorece el equilibrio térmico durante el proceso de corte. , el efecto de disipación de calor y enfriamiento es muy pobre, es fácil que se forme una temperatura alta en la zona de corte, la deformación de las piezas después del rebote del mecanizado, lo que resulta en un mayor torque en la herramienta de corte, el borde del borde del desgaste rápido y durabilidad reducida.

En segundo lugar, la baja conductividad térmica de la aleación de titanio, por lo que el calor de corte acumulado en la cuchilla de corte cerca del área pequeña no es fácil de diseminar, la fricción de la cara frontal aumenta, no es fácil de astillar, el calor de corte no es fácil de difundir, acelerar el desgaste de la herramienta. Después, la actividad química de la aleación de titanio es alta, el procesamiento a altas temperaturas es fácil de reaccionar con el material de la herramienta, la formación de disolución, difusión, lo que resulta en cuchillos pegados, cuchillos quemados, cuchillos rotos y otros fenómenos.