เกรดและการประยุกต์ใช้ไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียมในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

1.αอัลลอยด์รวมถึงไทเทเนียมบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์ (CP) และโลหะผสมไทเทเนียมที่มีองค์ประกอบαที่เสถียรและ/หรือองค์ประกอบที่เป็นกลางเท่านั้น

1.1 ไทเทเนียมบริสุทธิ์อุตสาหกรรม

ไทเทเนียมบริสุทธิ์อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ประกอบด้วยเฟส lexagonal (HCP) αที่เต็มไปอย่างใกล้ชิด (HCP) αในขณะที่เนื่องจากสิ่งเจือปนที่เหลือจากวัตถุดิบของฟองน้ำไทเทเนียมหรือการเพิ่มองค์ประกอบ FE ที่มนุษย์สร้างขึ้น ) βเฟสตามความต้านทานแรงดึงตาม 240-550MPA แบ่งออกเป็น 4 เกรด (G1, G2, G3 และ G4 ในมาตรฐาน ASTM) ยิ่งเกรดสูงขึ้นเท่าใดความเข้มข้นของออกซิเจนก็สูงขึ้น ความแข็งแรงที่สูงขึ้น ไทเทเนียมการบินและอวกาศ

CP ไทเทเนียมส่วนใหญ่ใช้ในพื้นที่ที่ต้องการความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีและคุณสมบัติการเชื่อม แต่ไม่มีข้อกำหนดความแข็งแรงสูง ในสนามการบิน CP ไทเทเนียมส่วนใหญ่ใช้ในหลอดทำความร้อนอากาศสำหรับระบบการกำจัดขอบปีก, ท่อระบบควบคุมสิ่งแวดล้อมในห้องโดยสารท่อท่อไฮดรอลิกและอุปกรณ์การยึดและอุปกรณ์สนับสนุนต่างๆ

1.2 ไทเทเนียมโลหะผสม Ti-5AL-2.5Sneli

โลหะผสมไทเทเนียมประเภทαอีกประเภทหนึ่งมีองค์ประกอบα-STABLE AL และองค์ประกอบโลหะผสมที่เป็นกลาง SN เพื่อให้ได้ความแข็งแรงสูงกว่า CP โลหะผสมไทเทเนียมประเภทαที่พบมากที่สุดในสาขาการบิน ได้แก่ TI-5AL-2.5SN ELI (คั่นกลางต่ำพิเศษช่วงเวลาต่ำสุด) พัฒนาโดยรัสเซียและสหรัฐอเมริกาและแบรนด์รัสเซียคือ BT5-1 อัลลอยอัลลอยด์ไทเทเนียมทั่วไป Ti-5Al-2.5SN อัลลอยอัลลอยช่วยปรับปรุงความแข็งแรงและความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำมากโดยการลดเนื้อหาขององค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่องและยังคงมีความเหนียวและการนำความร้อนต่ำที่ 20K (-250 ℃) อุณหภูมิต่ำ เงื่อนไขส่วนใหญ่ใช้ในภาชนะอุณหภูมิต่ำท่ออุณหภูมิต่ำและใบพัดปั๊มกังหันเครื่องยนต์ของเหลว

2 อัลลอยไทเทเนียมใกล้อัลฟ่าและแอปพลิเคชันของมัน

โลหะผสมเหล่านี้ส่วนใหญ่มี AL, SN และ ZR และปริมาณเล็กน้อย (ไม่เกิน 2% โดยน้ำหนัก) ขององค์ประกอบที่มีความเสถียรต่ำเช่น MO หรือ NB, V และ SI (ไม่เกิน 0.5%) การเพิ่ม MO หรือ NB สามารถรักษาเสถียรภาพของเฟสβที่เก็บไว้ได้เล็กน้อยที่อุณหภูมิห้องเพื่อมีบทบาทเสริมความแข็งแกร่ง

โลหะผสมไทเทเนียมใกล้อัลฟ่าไม่แข็งแรงเท่ากับโลหะผสมα+βหรือβที่อุณหภูมิห้อง แต่มีความต้านทานต่อการคืบอุณหภูมิสูงซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเพราะสามารถรักษาความแข็งแรงได้เพียงพอที่อุณหภูมิสูง

เกรดหลักของโลหะผสมไทเทเนียมใกล้อัลฟ่าที่ใช้กันมากที่สุดในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและอุตสาหกรรมการบิน ได้แก่ TI-3-2.5, TI-6-2-4-2-2S, TI-1100, IMI834 และ BT-36

(1) TI-3AL-2.5V (TI-3-2.5) TI-3AL-2.5V เป็นโลหะผสมไทเทเนียมชนิดใกล้กับอัลฟ่าที่พัฒนาขึ้นในสหรัฐอเมริกาซึ่งแข็งแกร่งกว่าไทเทเนียมบริสุทธิ์ 20% ถึง 50% ที่อุณหภูมิห้องและอุณหภูมิสูงและเหมาะสำหรับเครื่องบินและระบบท่อไฮดรอลิกและเครื่องยนต์ . ที่โบอิ้ง TI-3-2.5 ใช้สำหรับท่อไฮดรอลิกทั้งหมดในเครื่องบินยกเว้นท่อไฮดรอลิก Landing Gear Bay ที่ขับเคลื่อนอุปกรณ์ลงจอดหลัก ท่อระบายความดันน้ำมันจำนวนมากบนกระสวยอวกาศนั้นติดตั้งท่อโลหะผสม Ti-3Al-2.5V ซึ่งสามารถลดน้ำหนักของท่อได้ 40%

(2) TI-6AL-2SN-4ZR-2MO-0.08SI (TI-6-2-4-2S) เนื่องจากความแข็งแรงการคืบของอุณหภูมิสูงของโลหะผสมไทเทเนียมเกือบαชนิดนั้นดีกว่าโลหะผสมα+βในเครื่องยนต์สมัยใหม่ใบมีดคอมเพรสเซอร์ใช้วัสดุไทเทเนียมสองชนิดที่ใช้ในเครื่องบินอุณหภูมิก๊าซใบมีดด้านหน้าต่ำกว่า 300 ℃วัสดุเป็น TI -6-4 ส่วนที่เหลือของวัสดุขั้นตอนสุดท้ายคืออัลลอยอัลลอยไทเทเนียมความแข็งแรงสูง 6242 และไทเทเนียม 6246 สามารถใช้งานได้สูงสุด 540 ℃ ในปี 1970 สหรัฐอเมริกา RMI (Reactive Metals Inc) ได้พัฒนาโลหะผสม Ti-6242s ที่มีอุณหภูมิมากกว่า 500 ℃โดยการเพิ่มองค์ประกอบ SI โดยการปรับแต่งβธัญพืชเพื่อควบคุมโครงสร้าง acicular ความแข็งแรงของความเมื่อยล้าและความแข็งแรงของการคืบของโลหะผสมนั้นทำได้เพื่อให้มีความแข็งแรงสูงความแข็งสูงความต้านทานการคืบและความเสถียรทางความร้อนที่ดีที่ 565 ℃และใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบของเครื่องยนต์กังหัน . รูปที่ 2 แสดงใบพัดคอมเพรสเซอร์ไทเทเนียมเกรด 3-9

(3) TI-1100 (TI-6AL-2.75 SN-4ZR-0.4MO-0.45SI-0.7O2-0.2FE) TI-1100 โลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงเกือบαเป็นเวลาที่จะตอบสนองความต้องการของเครื่องยนต์ Aero ใหม่สำหรับโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงความต้านทานการคืบสูงและความเหนียวแตกหักสูงและพัฒนาขึ้นในปี 1980 โลหะผสมคือการพัฒนาของ Ti-6242Si อุณหภูมิการใช้สามารถถึง 593 ℃ปัจจุบันใช้ในเครื่องยนต์ Lycoming T55-712

(4) TI-5.8 AL-4SN-3.5ZR-0.5MO-0.7NB-0.35SI-0.06C (IMI834) IMI834 เป็นซูเปอร์อัลลอยเครื่องยนต์ที่พัฒนาโดย Rolls-Royce (บริษัท เครื่องยนต์ Aero ที่ใหญ่ที่สุดในยุโรป) และอุณหภูมิในการทำงานสามารถถึง 600 ° C ในปัจจุบันโดยทั่วไปถือว่าเป็นอุณหภูมิสูงสุดใกล้กับอัลลอยไทเทเนียมอัลฟ่า เข้าสู่การผลิตอุตสาหกรรม 834 โลหะผสมส่วนใหญ่ใช้ในวงแหวนเครื่องยนต์ Aero แผ่นดิสก์คอมเพรสเซอร์และใบมีด

(5) TI-6.2AL-2SN-3.6ZR-0.7 MO-0.1Y-5.0 W-0.15 SI (BT36) BT36 เป็นโลหะผสมไทเทเนียมที่มีอุณหภูมิ 600-650 ℃พัฒนาได้สำเร็จในรัสเซียในปี 1992 โลหะผสมแทนที่ 1% NB ด้วยจุดหลอมเหลวสูง 5% W บนพื้นฐานของ BT18Y การเพิ่ม W ช่วยเพิ่มความแข็งแรงการคืบและความทนทานของโลหะผสมที่อุณหภูมิห้องอย่างมีนัยสำคัญและปรับปรุงความเสถียรทางความร้อนของโลหะผสม

3α +βโลหะผสมและแอปพลิเคชัน

โลหะผสมα+βเป็นโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด มันมีเนื้อหาที่สูงกว่า (4-6%) องค์ประกอบเบต้าดังนั้นจึงมีปริมาณเฟสเบต้าที่สูงกว่าโลหะผสมไทเทเนียมใกล้อัลฟ่าและสามารถรับความแข็งแรงสูงขึ้นผ่านการรักษาความร้อน กลไกการเสริมสร้างความเข้มแข็งหลัก ได้แก่ การเก็บรักษาเฟส metastable βที่อุณหภูมิห้องและการก่อตัวของมาร์เทนไซต์จากเฟสβดั้งเดิมโดยการดับไปจนถึงอุณหภูมิห้อง โดยการแก่ชราอัลลอยด์ที่มีเฟส metastable สามารถสร้างได้สามารถสร้างαได้ในภูมิภาคนี้ซึ่งสามารถเพิ่มความแข็งแรงได้ด้วยการสูญเสียพลาสติกน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้

โลหะผสมα+βที่ใช้กันมากที่สุดคือ TI-6AL-4V (TI-6-4), โลหะผสมα+βอื่น ๆ สำหรับการบินรวมถึง TI-6AL-6V-2SN (TI-662), TI-6AL-2SN-2ZR -2MO-2CR-0.2SI (6-2-2-2-2-2S), TI-6AL-2SN-2ZR-2MO-2CR-0.2SI (6-2-2-2-2S), TI-6AL-6V-2SN (Ti-662), Ti-6AL-2SN-2ZR-2MO-2CR-0.2SI (6-2-2-2S), TI-6AL-6V-2SN (TI-6V-2SN), TI-6AL-2SN -2ZR-2MO-2CR-0.2SI IMI550 (TI-4AL-2SN-4MO-0.5SI)

(1) TI-6AL-4V (TI-6-4) Ti-6-4 เป็นวัสดุอัลลอยไทเทเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดพร้อมคุณสมบัติที่ครอบคลุมที่ดีมักใช้ในสภาวะอบอ่อนความแข็งแรงแรงดึงต่ำสุดที่ 896MPa (130KSI) Ti-6-4 เป็นโลหะผสมไทเทเนียมเสริมความร้อนที่สามารถรับความร้อนได้พร้อมความสามารถในการเชื่อมที่ดีการก่อตัวและคุณสมบัติการปลอมแปลง มันเป็นโลหะผสมไทเทเนียมหลักที่ใช้ในชิ้นส่วนโครงสร้างลำตัวและยังใช้ในการผลิตใบมีดคอมเพรสเซอร์เครื่องยนต์เจ็ท, ใบพัด, เกียร์เชื่อมโยงไปถึงและชิ้นส่วนโครงสร้าง, ตัวยึด, วงเล็บ, อุปกรณ์เสริมเครื่องบิน, เฟรม, โครงสร้าง Stringer, ท่อ

(2) TI-6AL-6V-2SN (TI-662) ความต้านทานแรงดึงของ TI-662 คือ 1030MPA ความแข็งแรงของผลผลิตคือ 970MPA ความแข็งแรงสูงกว่า TI-6-4 ความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยมการเชื่อมและประสิทธิภาพการประมวลผลเป็นสื่อกลางที่ใช้ในการเป็นลำตัวของเครื่องบินเครื่องยนต์จรวดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาการประยุกต์ใช้การขุดเจาะน้ำมันเพิ่มขึ้น

(3) TI-6AL-2SN-2ZR-2MO-2CR-0.2SI (6-2-2-2-2-2S) พัฒนาโดย RMI ในปี 1970 6-2-2-2s มีความแข็งแรงที่ยอดเยี่ยมความเหนียวแตกหักคุณสมบัติอุณหภูมิสูงเช่นเดียวกับความสามารถในการกลึงที่ดีและความสามารถในการเชื่อมสำหรับชิ้นส่วนที่มีโครงสร้างหนา ใช้สำหรับลำตัว, ปีก, โครงสร้างเครื่องยนต์ อัลลอยมีความแข็งแรงสูงความแข็งแรงของ 1,068MPA ในสถานะอบอ่อนหลังจากการแก้ปัญหาการเสริมสร้างและการชราภาพสามารถเข้าถึงความแข็งแรงสูงสุดของ 1241MPA และมีความทนทานต่อความเสียหายอย่างมาก รัฐกองทัพอากาศ F-22 Raptor Fighter

(3) TI-4AL-2SN-4MO-0.5SI (IMI550) IMI550 ที่พัฒนาโดย British Imperial Metal Company (IMI) มีความต้านทานแรงดึง 1100MPa ความแข็งแรงของผลผลิต 940MPa และอุณหภูมิการทำงาน 400 ℃สำหรับลำตัวและชิ้นส่วนโครงสร้างเครื่องยนต์ ใช้ครั้งแรกเป็นอัลลอยที่ทนต่อคืบในเครื่องยนต์ Rolls Royce Pegasus และ Olympus ในภายหลังมันถูกใช้ในการก่อตัวของเครื่องบินพลเรือนและทหารในยุโรปเช่นจากัวร์พายุทอร์นาโดและแอร์บัส