Titan phân bố rộng rãi, hàm lượng của nó vượt quá 0. 4 phần trăm khối lượng của vỏ trái đất và trữ lượng đã được chứng minh toàn cầu là khoảng 3,4 tỷ tấn, đứng thứ 10 trong số tất cả các nguyên tố (ôxy, silic, nhôm, sắt, canxi , natri, kali, magiê, hydro, titan).
Các nhà khoa học Mỹ lần đầu tiên thu được titan kim loại vào năm 1910 bằng cách sử dụng "phương pháp natri" (natri khử TiCl4), nhưng ngành công nghiệp titan không phát triển ngay lập tức với việc phát hiện ra titan.
Mãi cho đến năm 1948 sau Thế chiến thứ hai, "phương pháp magiê" (magiê khử TiCl4) do các nhà khoa học Luxembourg phát minh mới được sử dụng để sản xuất ở Hoa Kỳ và ngành công nghiệp titan bắt đầu phát triển.
Titan có mật độ thấp hơn 40% so với thép và độ bền của nó tương đương với thép, có thể cải thiện hiệu quả kết cấu. Đồng thời, titan có khả năng chịu nhiệt tốt, chống ăn mòn, đàn hồi, đàn hồi và định hình. Do các đặc tính trên của titan, hợp kim titan đã được sử dụng trong ngành hàng không kể từ khi hợp kim titan xuất hiện. Năm 1953, lần đầu tiên titan được sử dụng trên vách ngăn cháy động cơ DC-T và sợi đốt do Công ty Douglas của Hoa Kỳ sản xuất, và lịch sử của hợp kim titan được sử dụng trong ngành hàng không bắt đầu.
Tàu con thoi là loại máy bay quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi nhất. Titanium là vật liệu cấu trúc chính của máy bay, và nó cũng là vật liệu được lựa chọn cho các bộ phận quan trọng như quạt động cơ aero, đĩa máy nén và cánh quạt, và được gọi là "kim loại vũ trụ". Máy bay càng tân tiến thì càng sử dụng nhiều titan. Ví dụ, hàm lượng titan của máy bay thế hệ thứ tư F22 của Mỹ là 41% (phần khối lượng) và hàm lượng titan của động cơ F119 là 39%, hiện là loại máy bay có hàm lượng titan cao nhất. Nghiên cứu hợp kim titan bắt nguồn từ ngành hàng không, và sự phát triển của ngành hàng không cũng đã thúc đẩy sự phát triển của hợp kim titan. Việc nghiên cứu hợp kim titan cho ngành hàng không luôn là ngành quan trọng và tích cực nhất trong lĩnh vực hợp kim titan, tuy nhiên việc phát triển nó cũng vô cùng khó khăn.
Trong bài báo này, hợp kim titan được phân loại theo quan điểm của thành phần pha ma trận hợp kim. Lấy máy bay làm đại diện cho máy bay, bài báo này tập trung vào việc ứng dụng và nghiên cứu các hợp kim titan trong động cơ hàng không, thân máy bay và ốc vít hàng không. Cuối cùng, các vấn đề tồn tại trong quá trình phát triển hợp kim titan cho ngành hàng không được phân tích.
1 Phân loại hợp kim titan
Việc phân loại hợp kim titan ở Hoa Kỳ, Anh, Nga, Pháp, Nhật Bản và các nước khác hầu hết do các nhà sản xuất xác định, và có rất nhiều tên gọi. Một số công ty sử dụng trực tiếp các ký hiệu hóa học và số của các nguyên tố để thay thế các nguyên tố hợp kim được thêm vào và hàm lượng của chúng, chẳng hạn như Ti -6 Al -4 V (tương đương với TC4 ở quốc gia của tôi). Theo thành phần pha, hợp kim titan có thể được chia thành: -hợp kim titan loại có cấu trúc hình lục giác khép kín (HCP) (bao gồm hợp kim loại gần - -) — nghĩa là, loại trong nước TA và hỗn hợp hai pha hợp kim titan loại cộng — nghĩa là, hợp kim titan loại trong nước là TC và hợp kim titan kiểu khối trung tâm (BCC) (bao gồm cả hợp kim loại gần - -) — nghĩa là, thương hiệu trong nước là TB.
1. 1 - loại hợp kim titan
Hợp kim dung dịch rắn một pha với -titanium làm ma trận ở trạng thái ủ là hợp kim titan một loại, chủ yếu chứa các nguyên tố như Al và Sn. Al có thể làm tăng độ bền kéo và độ rão của hợp kim, giảm mật độ của hợp kim titan và cải thiện độ bền cụ thể, và là một nguyên tố hợp kim quan trọng trong hợp kim titan. Để tối đa hóa hiệu quả tăng cường dung dịch rắn của nhôm và tránh hiện tượng lõm hợp kim do Al quá nhiều, quá trình tạo hợp kim của hợp kim titan ở nhiệt độ cao phải tuân theo công thức thực nghiệm tương đương do ROSENBERG đề xuất. Ổn định nhiệt tốt. Các nguyên tố này trong hợp kim titan alpha giúp ổn định bằng cách ức chế hoặc tăng nhiệt độ biến đổi ở nhiệt độ biến đổi. So với hợp kim titan loại, hợp kim loại có khả năng chống rão tốt, độ bền, tính hàn và độ dẻo dai, và là hợp kim được ưu tiên sử dụng ở nhiệt độ cao. Đồng thời, hợp kim kiểu không có tính giòn nguội, và nó cũng thích hợp để sử dụng trong môi trường nhiệt độ thấp, mở rộng phạm vi ứng dụng của nó. - loại hợp kim có khả năng giả mạo kém và dễ bị lỗi rèn. Các khuyết tật rèn có thể được kiểm soát bằng cách giảm tốc độ xử lý trên mỗi lần xử lý và xử lý nhiệt thường xuyên. Ma trận là một pha ổn định và đối với một hợp kim có thành phần nhất định, sự thay đổi tính chất của nó chủ yếu là sự thay đổi kích thước hạt, bởi vì cả cường độ chảy và cường độ dão đều liên quan đến kích thước hạt và năng lượng tích trữ trong quá trình biến dạng. Độ bền của hợp kim titan-loại không thể được cải thiện bằng cách xử lý nhiệt, và độ bền về cơ bản không có hoặc ít thay đổi sau khi ủ. Một số hợp kim chứa nhiều Al, Sn, Zr và một lượng nhỏ các nguyên tố ổn định (thường ít hơn 2%). Mặc dù các hợp kim này chứa -phase, ma trận chủ yếu bao gồm -phase, là hợp kim rất gần với -type về độ nhạy nhiệt luyện và khả năng xử lý, và được gọi là hợp kim titan loại gần - -. Các hợp kim loại gần - - được phát triển trên cơ sở công nhận rằng có thể đạt được độ bền rão cao bằng cách tăng cường -matrix bằng các nguyên tố hợp kim dung dịch rắn. Hầu hết các hợp kim loại gần - - hiện đã trở thành hợp kim titan ở nhiệt độ cao do tính ổn định nhiệt tốt của chúng. các loại hợp kim quan trọng. Cơ chế tăng cường của nó là các nguyên tử trong pha khuếch tán nhanh chóng và dễ bị rão.
Hợp kim titan loại phổ biến (bao gồm cả hợp kim loại gần - -) bao gồm Ti811 (Ti -8 Al -1 Mo -1 V), Ti -6 Al {{7 }} Zr -1 Mo -1 V, Ti -679 (Ti -2. 25Al -11 Sn -5 Zr -1 Mo { {16}}. 25Si), BT18 (Ti -7. 7Al -11 Zr -0. 6Mo -1 Nb -0. 3Si) và Ti6242S (Ti { {28}} Al -2 Sn -4 Zr -2 Mo -0. 1Si), v.v. Các thành phần và đặc tính được liệt kê trong Bảng 2.
Hợp kim titan loại 1,2 cộng
Để cải thiện độ bền và độ dẻo dai của hợp kim titan, người ta đã phát triển thêm hợp kim titan. So với các hợp kim titan khác, các hợp kim cộng thêm được thêm vào các nguyên tố-ổn định và-nguyên tố ổn định để tăng cường các pha và pha. cộng với hợp kim có đặc tính toàn diện tuyệt vời. Ví dụ, độ bền nhiệt độ phòng của nó cao hơn độ bền của hợp kim. Nó có hiệu suất xử lý nhiệt tốt và có thể được tăng cường bằng cách xử lý nhiệt, vì vậy nó thích hợp cho các bộ phận cấu trúc hàng không vũ trụ. Cấu trúc ủ của hợp kim titan loại cộng là pha cộng, và hàm lượng của pha nói chung là 5 phần trăm ~ 40 phần trăm. Tuy nhiên, cấu trúc của nó không đủ ổn định và nhiệt độ hoạt động tối đa chỉ có thể đạt 500 độ, đồng thời hiệu suất hàn và khả năng chịu nhiệt của nó thấp hơn so với hợp kim titan loại.
cộng với hợp kim titan loại chủ yếu bao gồm 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 -5 Al -2 Sn -2 Zr -4 Mo -4 Cr), TC19 (Ti -6 Al -2 Sn {{ 31}} Zr -6 Mo) và TC21 (Ti -6. 2Al -2. 8Mo) -2 Nb -2 Sn -2. 1Zr { {42}}. 3Cr), v.v. Trong số đó, hợp kim TC11 còn được gọi là hợp kim gần beta.
ZHOU đã đề xuất một công nghệ xử lý hợp kim TC11. Đầu tiên, hợp kim được xử lý nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn 15 độ so với nhiệt độ truyền, tiếp theo là làm mát bằng nước nhanh chóng, và sau đó trải qua nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp tôi luyện và tăng cường xử lý nhiệt để có được một cấu trúc vi mô mới. Ma trận cấu trúc vi mô mới này bao gồm 15 phần trăm các loại ngũ cốc đều, 50 phần trăm đến 60 phần trăm các loại ngũ cốc nhiều lớp và các loại ngũ cốc đã biến đổi. Các kết quả nghiên cứu cho thấy hợp kim có khả năng chống mỏi cao, tuổi thọ mỏi kéo dài, độ dẻo dai cao và hiệu suất dịch vụ nhiệt độ cao tuyệt vời mà không làm giảm độ dẻo và độ ổn định nhiệt.
Và nguyên tắc thực nghiệm của quy trình mới và cơ chế tăng cường được thảo luận. Vấn đề mấu chốt trong ứng dụng thực tế của công nghệ xử lý này là việc kiểm soát chính xác nhiệt độ.
Quy trình gia công hợp kim titan TC11 này đã được sử dụng để sản xuất đĩa, rôto và các bộ phận khác của động cơ khí nén đáng tin cậy.
1. 3 - loại hợp kim titan
Hàm lượng của các nguyên tố-ổn định đủ cao, và hợp kim thu được bằng cách làm nguội nhanh-pha sau khi xử lý dung dịch và giữ nó ở nhiệt độ phòng được gọi là-loại hợp kim titan. Theo sự phân loại của vi cấu trúc trạng thái ổn định, hợp kim titan có thể được chia thành hợp kim titan ổn định và hợp kim titan siêu bền, như trong Hình 1. Trong Hình 1, MS là đường nhiệt độ biến đổi mactenxit, C là hàm lượng tối thiểu của các nguyên tố -stable trong hợp kim bền và S là hàm lượng tối thiểu của các nguyên tố-ổn định trong hợp kim ổn định.
Hợp kim beta có khả năng định dạng nguội tốt ở trạng thái dung dịch, đồng thời cũng rất tốt về độ cứng và khả năng đáp ứng xử lý nhiệt.
Phương pháp xử lý nhiệt thường được sử dụng là xử lý dung dịch đầu tiên, sau đó lão hóa ở 450 ~ 650 độ, pha mịn sẽ được kết tủa trên nền ban đầu của hợp kim, tạo thành pha thứ hai với sự phân bố phân tán, đó là cơ chế tăng cường của hợp kim. So với các loại hợp kim titan khác, hợp kim -titanium kết tủa nhiều pha hơn trong quá trình lão hóa, và chứa nhiều pha hơn để cản trở sự chuyển động của sự lệch vị trí, do đó, độ bền nhiệt độ phòng của hợp kim -titanium là cao nhất.
Khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu kim loại trong quá trình biến dạng và đứt gãy được gọi là độ dẻo dai. Vật liệu càng hấp thụ nhiều năng lượng thì độ dẻo dai càng tốt. Độ dẻo dai của vết nứt là một chỉ số về độ dẻo dai của vật liệu, phản ánh khả năng chống lại sự lan truyền của các vết nứt và các khuyết tật sắc nhọn khác của vật liệu. Nói chung, độ dẻo dai và độ bền đứt gãy của hợp kim titan cho thấy một xu hướng nghịch đảo, đó là độ bền đứt gãy giảm khi độ bền tăng lên. Để nghiên cứu ứng dụng của hợp kim -titanium trong ngành hàng không vũ trụ, cần thiết kế các cấu trúc vi mô có độ bền tốt và độ dẻo dai đứt gãy, cũng như công nghệ gia công và chế độ nhiệt luyện. Thành phần hợp kim và cấu trúc vi mô là hai yếu tố chính quyết định độ bền đứt gãy của hợp kim titan beta. Thành phần hợp kim xác định lượng pha beta trong hợp kim, cũng như kiểu và độ bền đứt gãy của hợp kim. Hình thái, số lượng và thể tích của cấu trúc vi mô cũng ảnh hưởng đến độ bền đứt gãy của hợp kim. Fu Yanyan và những người khác tin rằng nguyên tố-ổn định và nguyên tố trung bình Zr của hợp kim -titanium có thể cải thiện độ bền của hợp kim và giảm độ dẻo dai khi đứt gãy. Các hạt mịn không thể cải thiện một cách hiệu quả độ bền của hợp kim titan lâu năm và sẽ làm giảm độ dai đứt gãy của hợp kim Ti -15-3, nhưng không ảnh hưởng đáng kể đến độ bền đứt gãy của hợp kim C và Ti -1023.
Độ bền của hợp kim -titanium lão hóa chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng và kích thước của pha thứ cấp kết tủa bởi quá trình lão hóa. Trong trường hợp chứa cùng một pha sơ cấp, pha thứ cấp mịn có thể cải thiện đáng kể độ bền của hợp kim.
Quá trình thô của pha sơ cấp và sự biến đổi của pha sơ cấp từ dạng cầu sang dạng bong sẽ dẫn đến giảm độ dẻo và tăng độ dai đứt gãy của hợp kim -titanium. Cấu trúc chế độ kép của hợp kim -titanium có độ bền, độ dẻo và độ dai phù hợp.
Sở dĩ hợp kim -titanium được sử dụng rộng rãi cũng là do nó có ưu điểm là độ bền và độ dẻo cao mà các loại hợp kim titan khác không thể sánh được sau khi lão hóa. Đồng thời, khả năng tăng cường có thể xử lý nhiệt và khả năng làm cứng sâu của hợp kim titan khiến nó dần thay thế hợp kim titan hai pha cộng với làm vật liệu cấu trúc ưa thích cho thân và cánh máy bay, và nó ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong việc ngành công nghiệp hàng không vũ trụ. ngày càng có vai trò quan trọng.
2 Phát triển và ứng dụng hợp kim titan cho ngành hàng không
Vào những năm 1950, máy bay quân sự bước vào kỷ nguyên tốc độ siêu thanh, và các cấu trúc nhôm và thép ban đầu không còn đáp ứng được nhu cầu mới. Đó là thời điểm hợp kim titan bước vào giai đoạn phát triển công nghiệp. Hợp kim titan có các đặc tính tuyệt vời như mật độ thấp, độ bền riêng cao, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ cao, không từ tính, có thể hàn, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng (269 ~ 600 độ) và có thể được sử dụng cho các bộ phận khác nhau tạo hình, hàn và gia công . Hàng không nhanh chóng được sử dụng rộng rãi. Vào đầu những năm 1950, các máy bay quân sự bắt đầu sử dụng titan nguyên chất công nghiệp để chế tạo các bộ phận kết cấu ít chịu áp lực hơn như tấm chắn nhiệt, tấm chắn đuôi và phanh giảm tốc của thân sau. Trong những năm 1960, hợp kim titan tiếp tục được ứng dụng vào các bộ phận kết cấu chịu ứng suất lớn như trượt cánh máy bay, vách ngăn chịu lực, dầm hộp giữa cánh và dầm bánh đáp. Đến những năm 1970, việc ứng dụng hợp kim titan trong cấu trúc máy bay đã mở rộng từ máy bay chiến đấu đến máy bay ném bom quân sự và máy bay vận tải lớn, và một số lượng lớn cấu trúc hợp kim titan cũng đã được sử dụng trong máy bay dân dụng.
Sau khi bước vào những năm 1980, titan được sử dụng trong máy bay dân dụng đã dần dần tăng lên, và đã vượt qua titan được sử dụng trong máy bay quân sự. Máy bay càng tân tiến thì càng sử dụng nhiều titan. Bảng 3 và 5 liệt kê phần khối lượng của vật liệu titan được sử dụng trong máy bay chiến đấu thế hệ thứ ba và thứ tư, máy bay ném bom và máy bay vận tải tiên tiến ở Hoa Kỳ, các loại hợp kim titan được sử dụng trong máy bay nói chung, và lượng hợp kim titan và vật liệu composite được sử dụng trong máy bay Airbus. Có thể thấy từ Bảng 5, việc sử dụng titan trên máy bay Airbus A380 đã đạt 10%, và titan đã trở thành vật liệu cấu trúc không thể thiếu cho các máy bay hiện đại. Theo các mục đích sử dụng khác nhau, hợp kim titan cho hàng không có thể được chia thành hợp kim titan cho động cơ máy bay, hợp kim titan cho thân máy bay và hợp kim titan cho chốt hàng không. Trong những năm gần đây, người ta đã tiến hành nghiên cứu sâu về ứng dụng của hợp kim titan hàng không ở 3 khía cạnh trên.
Tóm lại, hợp kim titan có tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng lớn, độ dẻo dai cao, độ bền và khả năng hàn tốt, và là một vật liệu hàng không có các đặc tính toàn diện tuyệt vời. Trong vài thập kỷ qua, lý thuyết hợp kim hóa, công nghệ tăng cường và dẻo dai toàn diện và quy trình xử lý nhiệt của hợp kim titan dùng trong ngành hàng không đã được phát triển rất nhiều. Hiện nay, các nghiên cứu về hợp kim titan chủ yếu tập trung vào tính ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao, khả năng chống rão và quy trình thiết kế và chế tạo hợp kim titan chi phí thấp. Với việc nghiên cứu sâu hơn, tiến bộ công nghệ chế biến hợp kim titan chi phí thấp sẽ được thúc đẩy bởi các ứng dụng hàng không cao cấp, do đó về cơ bản phá vỡ nút thắt về chi phí hạn chế việc cải thiện liều lượng và mức độ ứng dụng của hợp kim titan cho ngành hàng không. Một chiếc máy bay hoàn toàn bằng titan có thể sẽ trở thành hiện thực trong một tương lai không xa.
Liên hệ với chúng tôi để biết thêm thông tin. Cảm ơn bạn
Nicole
Công ty: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Cuntry: Trung Quốc
Add: Baoti road, Jintai, Baoji city, Thiểm Tây, Trung Quốc
Cel: cộng với 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Trang web: www.jm-titanium.com
