เกรดและการประยุกต์ใช้ไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียมในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

4.βอัลลอยและแอปพลิเคชัน

โลหะผสมเบต้าเป็นความแข็งแรงสูงสุดของโลหะผสมไทเทเนียมความแข็งแรงแรงดึงสูงถึง 1240MPa หลังจากการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว 100% ของเฟส metastable สามารถเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้องได้ ด้วยการใช้อุณหภูมิและเวลาที่แตกต่างกันขนาดและสัดส่วนของการตกตะกอนเฟสαในเมทริกซ์เฟสของโลหะผสมสามารถควบคุมได้เพื่อให้ได้ความแข็งแรงสูงกว่าโลหะผสมα+βและคุณสมบัติที่แตกต่างกัน อุณหภูมิและเวลาอายุ

ด้วยข้อยกเว้นบางประการโลหะผสมเบต้าไม่ได้ใช้สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเนื่องจากโดยทั่วไปอัลลอยเบต้าจะลดลงอย่างรวดเร็วกว่าอัลฟ่าใกล้และα+ เบต้าอัลลอยด์ที่มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นและไม่มีความต้านทานการคืบใกล้เคียง อัลฟ่าอัลลอยด์

โลหะผสมเบต้าส่วนใหญ่ใช้สำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีความต้องการความแข็งแรงสูงเช่นอุปกรณ์เชื่อมโยงไปถึงเครื่องบินเริ่มต้นด้วยโบอิ้ง 777 และถูกนำไปใช้ในเครื่องบินพาณิชย์ขนาดใหญ่ใหม่จำนวนมาก ส่วนประกอบอื่น ๆ ที่ใช้ในโลหะผสมเบต้าใน 777 และ 787 รวมถึงรางแผ่นพับน้ำพุ, apu struts, ถังดับเพลิง, แคลมป์และวงเล็บและท่อไอเสีย

โลหะผสมเบต้าที่ใช้ในการบินรวมถึง TI-10V-2FE-3AL, TI-5AL-5MO-5V-3CR, TI-15V-3CR-3AL-3SN, TI-6AL-2SN-4ZR- 6MO, TI-5AL-2SN -2ZR-4MO-4CR, TI-3AL-8V-6CR-4MO-4ZR, TI-35V-15CR และ TI-15MO-2.7NB-3AL-0.2SI

(1) TI-10V-2FE-3AL (TI-10-2-3) โลหะผสม TI-10V-2FE-3AL (TI-10-2-3) เป็นความแข็งแกร่งสูงใกล้กับโลหะผสมเบต้าร่วมกันพัฒนาโดย บริษัท American Timet, Boeing Company และ Wyman-Gordon ในปี 1970 มันถูกนำไปใช้กับชิ้นส่วนโครงสร้างที่สำคัญเช่นลำแสงแบริ่งหลักปีกและเพลาของอุปกรณ์ลงจอดเครื่องบิน หลังจากการทดลองในโบอิ้ง 757 อัลลอยได้รับการอนุมัติอย่างเป็นทางการสำหรับการใช้งานในเกียร์เชื่อมโยงไปถึงของโบอิ้ง 777 ดังที่แสดงในรูปที่ 3 ตั้งแต่นั้นมาแอร์บัสก็ใช้ TI-10-2-3 เป็นเกียร์เชื่อมโยงไปถึง A380 อากาศยาน.

(2) TI-5AL-5MO-5V-3CR (TI-5553) Ti-5553 โลหะผสมเป็นความแข็งแรงสูงและมีความแข็งแรงสูงใกล้กับโลหะผสมβไทเทเนียมร่วมกันพัฒนาโดย Sarda ตอนบนของรัสเซีย (VSMPO) และ บริษัท แอร์บัสในยุโรป สูงกว่าความแข็งแรงของโลหะผสม TI-10-2-3 เล็กน้อย (ประมาณ 1240MPA) หลังการรักษาด้วยความร้อนความต้านทานแรงดึงอาจเกิน 1500MPa โดยมีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพการประมวลผลบางประการและความสามารถในการแข็งตัวที่ดีขึ้น มันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตส่วนประกอบแบริ่งขนาดใหญ่เช่นข้อต่อปีก/ที่แขวนข้อต่อเกียร์/ปีกและส่วนของเกียร์ โลหะผสม Ti-5553 ใช้สำหรับส่วนใหญ่ของเกียร์เชื่อมโยงไปถึงของเครื่องบิน 787 ใหม่ของโบอิ้งและยังใช้สำหรับส่วนเกียร์เชื่อมโยงไปถึงของ Airbus A350-1000

(3) TI-15V-3CR-3SN-3AL (TI-15-3-3-3) TI-15-3-3-3 เป็นโลหะผสมไทเทเนียมชนิดβ-type ที่พัฒนาขึ้นในสหรัฐอเมริกาในปี 1970 หลังการรักษาที่ 800 ℃ 30minac+540 ℃ 8HAC ความต้านทานแรงดึงที่อุณหภูมิห้องถึง 1100MPa และการยืดตัวยังคงสูงกว่า 9% โลหะผสมมีความเหนียวการบีบอัดที่ยอดเยี่ยมการสร้างความเย็นและคุณสมบัติการเชื่อมและเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับส่วนประกอบการบิน ส่วนใหญ่จะใช้เป็นชิ้นส่วนโครงสร้างลำตัวและตัวยึดการบินและยังสามารถใช้ทำสปริงดังแสดงในรูปที่ 4 การใช้เบต้าไทเทเนียมแทนสปริงเหล็กสามารถลดน้ำหนักได้ 70%

(4) TI-6AL-2SN-4ZR-6MO (TI-6-2-4-6) ไทเทเนียม 6246 เป็นโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงที่พัฒนาโดย Timet ในปี 1960 โดยมีความต้านทานอุณหภูมิสูง (ใช้อุณหภูมิที่ 420 ° C) ความแข็งแรงที่ดีความต้านทานการกัดกร่อนการเชื่อมและคุณสมบัติการประมวลผล ความแข็งแรงของความเหนื่อยล้ารอบต่ำของโลหะผสมหลังจากการแก้ปัญหาอายุหรือการหลอมสองเท่านั้นสูงกว่าโลหะผสม Ti-6AL-4V ที่สอดคล้องกันและมีความแข็งแรงของการคืบอุณหภูมิสูงและความแข็งแรงในทันที ดิสก์และใบมีดคอมเพรสเซอร์เครื่องยนต์กังหัน

(5) TI-5AL-2SN-2ZR-4MO-4CR (TI-17) TI-17 เป็น บริษัท อิเล็กทริกของสหรัฐอเมริกาในช่วงต้นทศวรรษ 1970 เริ่มทำการวิจัยและพัฒนาโลหะผสมชนิดβ-type ความแข็งแรงสูงความทนทานที่ดีที่ความแข็งแรงของอุณหภูมิห้องที่ความแข็งแรงของผลผลิต 1137 ~ 1166MPA ความต้านทานแรงดึง 1196 ~ 1235MPA มากกว่า 8% ในขณะเดียวกันก็มีความต้านทานการเจริญเติบโต/ความเหนื่อยล้าที่ดีและความทนทานต่อการแตกหัก ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับดิสก์พัดลมเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ที่พัฒนาขึ้นใหม่และดิสก์เครื่องยนต์ความดันอากาศที่มีความต้องการความแข็งแรงสูง บริษัท United States General Electric และ Wyman Gordon Company ใช้โลหะผสม TI-17 เพื่อผลิตแผ่นดิสก์เครื่องยนต์และเพลาหนีบโรเตอร์เฮลิคอปเตอร์ Kobe Steel ของญี่ปุ่นก็เริ่มพัฒนาโลหะผสมและใช้ในการผลิตแผ่นดิสก์เครื่องยนต์

(6) TI-3AL-8V-6CR-4MO-4ZR (β-C) β-C เป็นโลหะผสมβ-titanium metastable ที่พัฒนาโดย RMI ในปี 1969 โลหะผสมมีสารละลายที่เป็นของแข็งมากขึ้นความต้านทานแรงดึงสามารถเข้าถึง 1240 MPa เนื่องจากความแข็งแรงสูงคุณสมบัติพลาสติกและการสูญเสียความทนทาน ต่ำกว่าอัลลอยα+βดังนั้นจึงไม่ได้ใช้กันทั่วไปในส่วนประกอบที่มีการรับน้ำหนักที่สำคัญมักใช้เป็นสปริงอากาศยานสปริงตัวยึดตัวเชื่อมต่อและส่วนประกอบของขีปนาวุธ

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มจำนวนเล็กน้อยของ C (0.1%) ถึงβ-C และดำเนินการเสียรูปเย็นบางอย่างก่อนที่อายุจะเร่งการตกตะกอนของเฟสαในระหว่างอายุลดการก่อตัวของขอบเขตของธัญพืชα (GB-α) และ ส่งเสริมการปรับแต่งข้าวและรักษาความเหนียวที่ดีในขณะที่ได้รับความแข็งแรงสูงถึง 1500MPa

(7) TI-35V-15CR (โลหะผสม C) มีโลหะผสมเบต้าที่แท้จริง (เสถียร) เพียงตัวเดียวที่มีแอพพลิเคชั่นเชิงพาณิชย์ที่ จำกัด โลหะผสม C, TI-35V-15CR-0.05C ในนามผลิตโดย Pratt และ Whitney, Inc. หนึ่งในสอง บริษัท ผู้ผลิตเครื่องยนต์เครื่องบินที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐอเมริกา) ที่พัฒนา. เนื่องจากปริมาณที่สูงของโลหะผสมที่มีความเสถียรβอัลลอยด์ C ไม่สลายเฟสβลงในเฟสα+βที่อุณหภูมิการให้บริการตามปกติβอัลลอยด์ทำ อัลลอยมีคุณสมบัติแรงดึง 1071MPa ที่อุณหภูมิห้องความแข็งแรงของผลผลิต 1023 MPa, การยืดตัวของ 14.7 และอุณหภูมิการคืบ 540 ℃และใช้โดย Pratt & Whitney เป็นระบบไอเสียสำหรับเครื่องยนต์ทหารเนื่องจากไฟไหม้ คุณสมบัติการป้องกัน (ไม่ใช่การเผาไหม้) โลหะผสมไทเทเนียมอื่น ๆ จะเผาไหม้ในอัตราการไหลของมวลสูง (เช่นการไหลเวียนของเครื่องยนต์เจ็ท) และ "เชื้อเพลิง" สำหรับการเผาไหม้คือไทเทเนียมและอลูมิเนียมซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นในโลหะผสมไทเทเนียมเกือบทั้งหมด

(8) T I-1 5 M O-2.7 N B-3 Al-0.2 S I (β-21 1 S) β-21S (TI-15MO-2.7NB-3AL-0.2SI) เป็นความแข็งแรงสูงพิเศษใหม่β-alloy ที่พัฒนาโดย Timet โลหะผสมมีความแข็งแรงสูงและเป็นพลาสติกที่ดีและผ่านการรักษาความร้อนสูงถึงระดับความแข็งแรงสูงมาก (ความต้านทานแรงดึง> 1450MPa) ความเป็นพลาสติกยังคงอยู่ในระดับ TI-1023 β-21s มีคุณสมบัติต้านอนุมูลอิสระอย่างมีนัยสำคัญในระหว่างการประมวลผลและการใช้งานทำให้เหมาะสำหรับการประมวลผลเป็นแผ่นบาง ๆ β-21s สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงกว่าโลหะผสมβอื่น ๆ และอุณหภูมิการทำงานระยะยาวสามารถถึง 540 ℃

เนื่องจากความต้านทานที่ดีขึ้นต่ออุณหภูมิสูงโลหะผสมนี้สามารถใช้เป็นกระดูกสันหลังส่วนท้ายของเครื่องยนต์ Aero ได้ดังแสดงในรูปที่ 5 ซึ่งหัวฉีดจะสัมผัสกับไอเสียของเครื่องยนต์ การแทนที่โลหะผสมนิกเกิลด้วยβ-21s สามารถลดน้ำหนักของหัวฉีดและกระดูกสันหลังส่วนท้ายได้อย่างมาก

การพูดจาโผงผาง

การวิเคราะห์ของโลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมไทเทเนียมอเมริกันและยุโรปแสดงให้เห็นว่าในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงอัลลอยไทเทเนียมอุณหภูมิต่ำความแข็งแรงสูงและความทนทานสูงβอัลลอยไทเทเนียมไทเทเนียม ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสนามบินและอวกาศซึ่งแสดงถึงทิศทางการพัฒนาของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมประสิทธิภาพสูง

(1) โลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูง โลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงที่พัฒนาขึ้นในปี 1950 นั้นแสดงโดยโลหะผสม Ti-6AL-4V ที่พัฒนาขึ้นในสหรัฐอเมริกาซึ่งปรับให้เข้ากับอุณหภูมิ 300-350 ° C โลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงที่พัฒนาขึ้นในภายหลัง ประเภทαซึ่งแสดงโดย TI-6-2-4-2S และ TI-1100 ที่พัฒนาขึ้นในสหรัฐอเมริกา IMI834 พัฒนาขึ้นในสหราชอาณาจักรและ BT-36 พัฒนาในรัสเซียและอุณหภูมิสูงถึง 600 ℃ โลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์ Aero เนื่องจากความแข็งแรงของความร้อนที่ยอดเยี่ยมและความแข็งแรงที่เฉพาะเจาะจงสูง แนวโน้มการพัฒนาอีกประการหนึ่งของโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงคือโลหะผสมอลูมิเนียมไทเทเนียมนั่นคือ Ti3al (α2) และสารประกอบ intermetallic ti3al (α2) และ tial (ϒ ϒ ϒ ϒ ซึ่งมีความต้านทานอุณหภูมิสูง 725 ℃ โลหะผสมอลูมิเนียมไทเทเนียมได้กลายเป็นวัสดุที่มีการแข่งขันสูงที่สุดสำหรับเครื่องยนต์อากาศยานในอนาคตและชิ้นส่วนโครงสร้างเครื่องบิน

(2) โลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิต่ำ โลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมบางชนิดสามารถรักษาคุณสมบัติเชิงกลดั้งเดิมที่อุณหภูมิต่ำและต่ำเป็นพิเศษ การศึกษาเกี่ยวกับโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิต่ำในสหรัฐอเมริกาส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่α ti-5AL-2.5SN ELI และα+βประเภท TI-6AL-4V ELI ด้วยการลดเนื้อหาขององค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่องอัลลอยไทเทเนียมทั้งสองจะรักษาความแข็งแรงและความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำมาก 20k ใช้ในภาชนะแช่แข็งท่อแช่แข็งและใบพัดเครื่องยนต์เครื่องยนต์ของเหลว

(3) โลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูง โลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูงโดยทั่วไปอ้างถึงโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความต้านทานแรงดึงสูงกว่า 1,000MPa และโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูงจากต่างประเทศส่วนใหญ่ได้รับการพัฒนาในสหรัฐอเมริกาและรัสเซีย เบต้าอัลลอยเป็นโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูงสุดซึ่งปัจจุบันเป็นตัวแทนของระดับสูงระดับนานาชาติและในด้านการบินเพื่อให้ได้การใช้งานจริงของโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูงส่วนใหญ่βประเภทอัลลอยไทเทเนียมประเภทเช่นสหรัฐอเมริกา TI-10-2-3 TI-15-3-3-3 และβ-21s, รัสเซีย Ti-5-5-5-3-1 ฯลฯ ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีความต้องการความแข็งแรงสูงเช่นอุปกรณ์ลงจอดเครื่องบินและชิ้นส่วนลำตัว

(4) โลหะผสมไทเทเนียมสารหน่วงไฟ เพื่อแก้ปัญหา "การเผาไหม้ไทเทเนียม" ของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับเครื่องยนต์เครื่องบินเพื่อตอบสนองความต้องการของเครื่องยนต์อัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักสูงสหรัฐอเมริกาและรัสเซียได้ดำเนินการพัฒนาของโลหะผสมไทเทเนียมสารหน่วงไฟตั้งแต่ปี 1970 โลหะผสมไทเทเนียมสารหน่วงไฟส่วนใหญ่มีระบบโลหะผสมสองระบบ: โลหะผสมของสหรัฐอเมริกา TI-V-CR โลหะผสม C (T-35V-15CR); ซีรี่ส์ Russian Ti-Cu-Al คือ BTT-1 และ BTT-3 [3] อัลลอยด์ C เป็นโลหะผสมไทเทเนียมสารหน่วงไฟที่มีความเสถียรและมีความแข็งแรงอุณหภูมิสูงความแข็งแรงการคืบที่ดีความแข็งแรงของความเมื่อยล้าที่ยอดเยี่ยมและความสามารถในการก่อตัวของเย็น หัวฉีดหางของเครื่องยนต์ F119

อัลลอยไทเทเนียมความทนทานต่อความเสียหาย เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของเครื่องบินใหม่เกี่ยวกับความแข็งแรงเฉพาะของวัสดุความต้านทานต่อความเหนื่อยล้าการเจริญเติบโตของรอยร้าวความเหนียวแตกหักค่าใช้จ่ายวัฏจักรชีวิตและคุณสมบัติที่ครอบคลุมอื่น ๆ อัลลอยไทเทเนียมความทนทานต่อความเสียหายที่มีความทนทานต่อการแตกหักสูงและอัตราการเติบโตของรอยแตกต่ำได้รับการพัฒนาในต่างประเทศ มันถูกแสดงโดยα+ββ alloys Ti-6AL-4V ELI และ TI-6-2-2-2-2-2-2S ที่พัฒนาขึ้นในสหรัฐอเมริกา Ti-6AL-4V ELI เป็นโลหะผสมไทเทเนียมความทนทานต่อความแข็งแรงปานกลางและ TI-6-2-2-2-2-2-2-2-2-2S เป็นอัลลอยไทเทเนียมความทนทานต่อความเสียหายที่มีความแข็งแรงสูงซึ่งถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในเครื่องบินขับไล่ F-22 สหรัฐ.