لماذا علينا استخدام سبائك التيتانيوم كمادة من طائرات النقل الجوي؟

1. مقدمة من التيتانيوم

في عام 1948، استخدمت شركة دوبونت الأمريكية طريقة المغنيسيوم لإنتاج أطنان من الإسفنج التيتانيوم- وهذا يمثل بداية الإنتاج الصناعي من إسفنج التيتانيوم. وتستخدم سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في مختلف المجالات بسبب قوتها المحددة العالية، ومقاومة التآكل جيدة، ومقاومة الحرارة العالية.　　 التيتانيوم وفيرة في القشرة الأرضية، وتحتل المرتبة التاسعة في المحتوى، أعلى بكثير من المعادن الشائعة مثل النحاس والزنك والقصدير. التيتانيوم موجود على نطاق واسع في العديد من الصخور، وخاصة الرمال والطين.

2.خصائص التيتانيوم

قوة عالية: 1.3 مرات من سبائك الألومنيوم، 1.6 مرات من سبائك المغنيسيوم، 3.5 مرات من الفولاذ المقاوم للصدأ، بطل بين المواد المعدنية.

قوة حرارية عالية: درجة حرارة التشغيل هي عدة مئات من الدرجات أعلى من سبائك الألومنيوم، وأنها يمكن أن تعمل لفترة طويلة في درجة حرارة 450 إلى 500 درجة مئوية.

مقاومة جيدة للتآكل: مقاومة حمض، مقاومة القلويات، مقاومة تآكل الغلاف الجوي، مقاومة قوية خاصة لتآكل التآكل والإجهاد.

أداء جيد في درجة الحرارة المنخفضة: يمكن أن تحافظ سبائك التيتانيوم TA7 مع العناصر الخلالية المنخفضة للغاية على درجة معينة من اللدونة عند -253 درجة مئوية.

النشاط الكيميائي العالي: النشاط الكيميائي مرتفع في درجة حرارة عالية، ويتفاعل بسهولة مع شوائب الغاز مثل الهيدروجين والأكسجين في الهواء لتشكيل طبقة تصلب.

الموصلية الحرارية صغيرة ومعامل المرونة صغير: الموصلية الحرارية حوالي 1/4 من النيكل، 1/5 من الحديد، و 1/14 من الألومنيوم. الموصلية الحرارية لمختلف سبائك التيتانيوم هو حوالي 50٪ أقل من التيتانيوم. معامل مرنة من سبائك التيتانيوم حوالي 1/2 من الفولاذ.

3.The تصنيف واستخدام سبائك التيتانيوم

يمكن تقسيم سبائك التيتانيوم إلى سبائك مقاومة للحرارة ، وسبائك عالية القوة ، وسبائك مقاومة للتآكل (التيتانيوم - الموليبدينوم ، سبائك التيتانيوم - البلاديوم ، وما إلى ذلك) ، وسبائك منخفضة الحرارة ، وسبائك وظيفية خاصة (مواد تخزين الهيدروجين التيتانيوم والحديد وسبائك الذاكرة التيتانيوم - النيكل) الانتظار.　　 على الرغم من أن تاريخ التيتانيوم وسبائكه ليست طويلة، ولكن بسبب أدائها المتفوق، فقد فاز العديد من الألقاب الشرفية. اللقب الأول الذي فاز به هو "ميتال الفضاء". وهو خفيف الوزن وقوي ومقاوم لدرجات الحرارة العالية، وهو مناسب بشكل خاص لتصنيع الطائرات ومختلف المركبات الفضائية. حاليا، حوالي ثلاثة أرباع سبائك التيتانيوم والتيتانيوم المنتجة في العالم تستخدم في صناعة الطيران. العديد من الأجزاء التي استخدمت في الأصل سبائك الألومنيوم تغيرت إلى سبائك التيتانيوم.

4.Aerospace التطبيقات من سبائك التيتانيوم

وتستخدم سبائك التيتانيوم أساسا في الطائرات ومواد تصنيع المحركات، مثل مراوح التيتانيوم المزورة، وأقراص الضاغط والشفرات، وأغطية المحركات، وأجهزة العادم، وغيرها من الأجزاء، فضلا عن أجزاء الإطار الهيكلي مثل إطارات عارضة الطائرات. وتستخدم المركبة الفضائية أساسا القوة العالية المحددة، ومقاومة التآكل ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة لسبائك التيتانيوم لتصنيع مختلف أوعية الضغط وخزانات الوقود والسحابات والأشرطة والأطر والقذائف الصاروخية. وتستخدم أيضا سواتل الأرض الاصطناعية، والوحدات القمرية، والمركبات الفضائية المأهولة، ومكوكات الفضاء أجزاء ملحومة من سبائك التيتانيوم.　　لماذا علينا استخدام سبيكة التيتانيوم لمواد طائرات النقل الجوي؟　　 في عام 1950، استخدمت الولايات المتحدة لأول مرة على مقاتلات F-84 كمكونات غير محملة الحمل مثل الدروع الحرارية لجسم الطائرة الخلفية، ومنحرفات الرياح، وأغطية الذيل. منذ ستينيات القرن العشرين، انتقل استخدام سبيكة التيتانيوم من جسم الطائرة الخلفي إلى جسم الطائرة الأوسط، ليحل جزئياً محل الصلب الهيكلي لصنع مكونات هامة تحمل الحمولة مثل رؤوس البضائع، الحزم، والشرائح الزلق. ومنذ السبعينات، بدأت الطائرات المدنية في استخدام سبائك التيتانيوم بكميات كبيرة. على سبيل المثال، تستخدم طائرة الركاب من طراز بوينغ 747 أكثر من 3640 كجم من التيتانيوم، وهو ما يمثل 28٪ من وزن الطائرة. ومع تطور تكنولوجيا المعالجة، تستخدم أيضا كمية كبيرة من سبيكة التيتانيوم في الصواريخ والسواتل الاصطناعية والمركبات الفضائية. كلما كانت الطائرة أكثر تقدمًا ، كلما تم استخدام المزيد من التيتانيوم. وتمثل سبيكة التيتانيوم التي تستخدمها الطائرات المقاتلة الأمريكية من طراز F-14A حوالي 25 في المائة من وزن الطائرة؛ وتمثل الطائرات المقاتلة من طراز F-15A 25.8 في المائة؛ تستخدم الطائرات المقاتلة الأمريكية من الجيل الرابع 41٪ من التيتانيوم، ويستخدم محرك F119 39٪ من التيتانيوم. الطائرة التي بها أعلى كمية من التيتانيوم.

5.The السبب في استخدام سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في مجال الطيران

وقد وصلت السرعة القصوى للطائرات الحديثة أكثر من 2.7 مرة من سرعة الصوت. مثل هذه الرحلة السريعة الأسرع من الصوت سوف يسبب الطائرة لفرك ضد الهواء وتوليد الكثير من الحرارة. عندما تصل سرعة الطيران إلى 2.2 مرة من سرعة الصوت، لا يمكن لسبائك الألومنيوم أن تصمد أمام ذلك. يجب استخدام سبيكة التيتانيوم المقاومة للحرارة العالية. عندما ترتفع نسبة الدفع إلى الوزن في المحرك الجوي من 4-6 إلى 8-10 ، وتزداد درجة حرارة مخرج الضاغط من 200-300 درجة مئوية إلى 500-600 درجة مئوية ، يجب تغيير أقراص الضاغط المنخفضة الضغط الأصلية والشفرات المصنوعة من الألومنيوم إلى سبيكة التيتانيوم. في السنوات الأخيرة، أحرز العلماء باستمرار تقدما جديدا في البحوث على خصائص سبائك التيتانيوم. سبائك التيتانيوم الأصلي تتألف من التيتانيوم، والألومنيوم، وvanadium لديها درجة حرارة التشغيل القصوى من 550 درجة مئوية إلى 600 درجة مئوية، في حين أن سبائك الألومنيوم التيتانيوم المطورة حديثا (TiAl) لديها درجة حرارة تشغيل قصوى تبلغ 1040 درجة مئوية. استخدام سبائك التيتانيوم بدلا من الفولاذ المقاوم للصدأ لتصنيع أقراص ضاغط الضغط العالي والشفرات يمكن أن تقلل من الوزن الهيكلي. كل تخفيض الوزن 10٪ من الطائرة يمكن أن ينقذ 4٪ من الوقود. بالنسبة للصاروخ، يمكن لكل تخفيض في الوزن 1kg زيادة مدى 15km.

6.Analysis من خصائص الآلات من سبائك التيتانيوم

أولا ، التوصيل الحراري لسبائك التيتانيوم منخفضة ، فقط 1 / 4 من الصلب ، 1 / 13 من الألومنيوم ، و 1 / 25 من النحاس. بسبب بطء تبديد الحرارة في منطقة القطع ، فإنه لا يؤدي إلى توازن الحرارة. خلال عملية القطع، وتبدد الحرارة وتأثير التبريد سيئة للغاية، وأنه من السهل أن تشكل درجة حرارة عالية في منطقة القطع. بعد المعالجة, تشوه وانتعاش الأجزاء كبيرة, مما تسبب في عزم دوران أداة القطع لزيادة وقطع حافة ارتداء سريع. يتم تقليل المتانة. ثانيا، التوصيلية الحرارية المنخفضة من سبيكة التيتانيوم يجعل من الصعب أن تتبدد الحرارة القطع في منطقة صغيرة بالقرب من أداة القطع. يتم زيادة الاحتكاك من وجه أشعل النار، وإزالة رقاقة ليست سهلة، وقطع الحرارة من الصعب أن تتبدد، مما يسرع ارتداء أداة. وأخيرا، سبائك التيتانيوم لديها نشاط كيميائي عالية وسهلة للرد مع مواد الأدوات عند معالجتها في درجات حرارة عالية، وتشكيل حل ونشر، مما تسبب في الالتصاق، وحرق، وكسر السكين.