بدأ تاريخ تطبيقات التيتانيوم في مجال الطيران في عام 1953 مع أول استخدام للتيتانيوم في كبسولات المحرك والجدران النارية في DC-T المصنعة من قبل دوغلاس في الولايات المتحدة. منذ ذلك الوقت ، تم استخدام التيتانيوم في الطائرات لما يقرب من 50 عامًا. نظرًا لأنه يحتوي على العديد من الصفات المفيدة المناسبة لتطبيقات الطائرات ، يستخدم التيتانيوم على نطاق واسع في مجال الطيران. سنناقش الحاجة إلى التيتانيوم في مناقشة اليوم حول مواد الطائرات.
1. مقدمة التيتانيوم
بدأ أول تصنيع صناعي لإسفنج التيتانيوم ، أو التيتانيوم ، فقط في عام 1948 عندما صنعت شركة DuPont الأمريكية أطنانًا من إسفنج التيتانيوم باستخدام عملية المغنيسيوم. نظرًا لقوتها النوعية العالية ، ومقاومتها الممتازة للتآكل ، ومقاومة الحرارة العالية ، يتم استخدام سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من الصناعات. يحتل التيتانيوم المرتبة العاشرة من حيث الوفرة في قشرة الأرض ، وهو أكبر بكثير من المعادن الشائعة مثل النحاس والزنك والقصدير. الرمل والطين نوعان من الصخور حيث يوجد التيتانيوم بشكل خاص.
2. خصائص التيتانيوم
قوة عالية: 1.3 مرة من سبائك الألومنيوم ، 1.6 مرة من سبائك المغنيسيوم و 3.5 مرة من الفولاذ المقاوم للصدأ ، البطل بين المواد المعدنية.
قوة حرارية عالية: درجة حرارة الاستخدام أعلى بعدة مئات من الدرجات من درجة حرارة سبائك الألومنيوم ، ويمكن أن تعمل لفترة طويلة عند درجة حرارة 450 إلى 500 درجة.
مقاومة جيدة للتآكل: مقاومة للتآكل الحمضي والقلوي والجوي ، ومقاومة قوية بشكل خاص للتنقر والتآكل الناتج عن الإجهاد.
خصائص جيدة لدرجات الحرارة المنخفضة: يمكن أن تحافظ سبيكة التيتانيوم TA7 ذات العناصر الخلالية المنخفضة جدًا على درجة معينة من اللدونة عند درجة -253.
نشاط كيميائي عالي: نشاط كيميائي عالي في درجات حرارة عالية ، يتفاعل كيميائيًا بسهولة مع الشوائب الغازية مثل الهيدروجين والأكسجين في الهواء لإنتاج طبقة صلبة.
الموصلية الحرارية الصغيرة ، معامل المرونة الصغير: الموصلية الحرارية حوالي 1/4 من النيكل ، 1/5 من الحديد و 1/14 من الألومنيوم ، بينما الموصلية الحرارية لسبائك التيتانيوم المختلفة أقل بحوالي 50 بالمائة من تلك الخاصة بالتيتانيوم. يبلغ معامل مرونة سبائك التيتانيوم حوالي نصف معامل مرونة الفولاذ.
3. تصنيف واستخدامات سبائك التيتانيوم
السبائك المقاومة للحرارة ، السبائك عالية القوة ، السبائك المقاومة للتآكل (سبائك التيتانيوم - الموليبدينوم ، سبائك التيتانيوم والبلاديوم ، إلخ) ، السبائك منخفضة الحرارة ، والسبائك الوظيفية الفريدة هي بعض الفئات لسبائك التيتانيوم على أساس استخدامها المقصود ( مواد تخزين هيدروجين التيتانيوم والحديد وسبائك ذاكرة التيتانيوم والنيكل). على الرغم من حقيقة أن التيتانيوم وسبائكه لم يتم استخدامها لفترة طويلة جدًا ، فقد حصلوا بالفعل على العديد من الجوائز الكبرى لصفاتهم الاستثنائية. نظرًا لقوتها وخفة وزنها وقوة تحملها لدرجات الحرارة المرتفعة ، فهي مناسبة بشكل خاص لتصنيع مختلف المركبات الفضائية والطائرات. يستخدم قطاع الطيران حاليًا حوالي 75 في المائة من سبائك التيتانيوم والتيتانيوم المنتجة في جميع أنحاء العالم. هناك العديد من المكونات التي تم بناؤها سابقًا من سبائك التيتانيوم ولكنها بنيت في الأصل من سبائك الألومنيوم.
4. سبائك التيتانيوم لتطبيقات الطيران
تُستخدم سبائك التيتانيوم بشكل أساسي في مواد تصنيع الطائرات والمحركات ، مثل تشكيل مراوح التيتانيوم وأقراص وشفرات الضاغط وأغطية المحرك وأجهزة العادم وأجزاء أخرى ، وكذلك فاصل شعاع الطائرة وأجزاء الهيكل الهيكلي الأخرى. تستخدم الأقمار الصناعية الأرضية ووحدات القمر والمركبات الفضائية المأهولة والمكوكات الفضائية أيضًا أجزاء ملحومة من ألواح سبائك التيتانيوم.
في عام 1950 ، ظهرت الولايات المتحدة لأول مرة في -84 قاذفة القنابل المقاتلة مثل الدرع الحراري لجسم الطائرة الخلفي ودرع الرياح وغطاء الذيل والمكونات الأخرى غير الحاملة. بدأ الستينيات في استخدام أجزاء من سبائك التيتانيوم من جسم الطائرة الخلفي إلى جسم الطائرة ، جزئيًا بدلاً من فاصل تصنيع الفولاذ الهيكلي ، والحزمة ، والشريحة المنزلق وغيرها من المكونات الحاملة المهمة. سبعينيات القرن الماضي ، بدأت الطائرات المدنية في استخدام سبائك التيتانيوم بكميات كبيرة ، مثل طائرة ركاب بوينج 747 التي يبلغ وزنها 3640 أكثر من 28 بالمائة من وزن الطائرة. مع تطور تكنولوجيا المعالجة ، في الصواريخ والأقمار الصناعية والمركبات الفضائية ، استخدمت أيضًا عددًا كبيرًا من سبائك التيتانيوم.
كلما كانت الطائرة أكثر تقدمًا ، زاد استخدام التيتانيوم. الولايات المتحدة -14 طائرة مقاتلة تستخدم سبائك التيتانيوم ، وهو ما يمثل حوالي 25 في المائة من وزن الطائرة ؛ -15 طائرة مقاتلة بنسبة 25.8 بالمائة ؛ الجيل الرابع من الطائرات المقاتلة الأمريكية بنسبة 41 في المائة من كمية التيتانيوم ، ومحركها F119 مع 39 في المائة من كمية التيتانيوم ، هو حاليًا أكبر كمية من التيتانيوم في الطائرات.
5. أسباب استخدام سبائك التيتانيوم بأعداد كبيرة في مجال الطيران
وصلت السرعة القصوى لإبحار الطائرات الحديثة إلى أكثر من 2.7 ضعف سرعة الصوت. ستؤدي مثل هذه الرحلة الأسرع من الصوت إلى احتكاك الطائرة بالهواء وتوليد الكثير من الحرارة. عندما تصل سرعة الطيران إلى 2.2 ضعف سرعة الصوت ، لم يعد بإمكان سبائك الألومنيوم تحملها. يجب استخدام سبائك التيتانيوم المقاومة للحرارة العالية.
عند زيادة نسبة الدفع إلى الوزن للمحرك الهوائي من 4-6 إلى 8-10 ، تزداد درجة حرارة مخرج الضاغط وفقًا لذلك من 200-300 درجة إلى 500-600 درجة ، يجب تغيير قرص الضاغط الأصلي ذي الضغط المنخفض والشفرة المصنوعة من الألومنيوم إلى سبيكة تيتانيوم.
في السنوات الأخيرة العلماء في عمل أبحاث أداء سبائك التيتانيوم ، يواصلون إحراز تقدم جديد. سبيكة التيتانيوم الأصلية المكونة من التيتانيوم والألومنيوم والفاناديوم ، وأعلى درجة حرارة للعمل من 550 درجة ~ 600 درجة ، وسبائك التيتانيوم والألومنيوم (TiAl) المطورة حديثًا ، تمت زيادة أعلى درجة حرارة تشغيل إلى 1040 درجة.
يمكن أن يؤدي استخدام سبائك التيتانيوم بدلاً من الفولاذ المقاوم للصدأ لتصنيع أقراص وشفرات ضاغط الضغط العالي إلى تقليل وزن الهيكل. يمكن تحقيق وفورات في الوقود بنسبة 4 في المائة مقابل كل تخفيض بنسبة 10 في المائة في وزن الطائرة. بالنسبة للصواريخ ، يمكن أن تؤدي كل عملية إنقاص وزن بمقدار 1 كجم إلى زيادة النطاق بمقدار 15 كم.
6. تحليل خصائص تصنيع سبائك التيتانيوم
بادئ ذي بدء ، الموصلية الحرارية لسبائك التيتانيوم منخفضة ، فقط 1/4 من الفولاذ والألمنيوم 1/13 والنحاس 1/25. بسبب التبديد البطيء للحرارة في منطقة القطع ، لا يفضي إلى التوازن الحراري ، في عملية القطع ، يكون تبديد الحرارة وتأثير التبريد ضعيفًا للغاية ، ومن السهل تشكيل درجة حرارة عالية في منطقة القطع ، بعد معالجة أجزاء تشوه انتعاش ، مما أدى إلى في أداة قطع عزم الدوران المتزايدة ، تآكل الحافة بسرعة ، تقليل المتانة.
ثانيًا ، الموصلية الحرارية لسبائك التيتانيوم منخفضة ، لذا فإن حرارة القطع تتراكم في منطقة صغيرة بالقرب من أداة القطع ليس من السهل تفريقها ، ويزداد احتكاك سطح الأداة الأمامية ، وليس من السهل تقطيعها ، وقطع الحرارة ليس من السهل تفريقها ، وتسريعها ارتداء أداة. أخيرًا ، النشاط الكيميائي لسبائك التيتانيوم مرتفع ، المعالجة في درجات حرارة عالية سهلة للتفاعل مع مادة الأداة ، وتشكيل قابل للذوبان ، وانتشار ، مما ينتج عنه سكين لزج ، وسكين محترق ، وسكين مكسور وظواهر أخرى.
