با توجه به نقش مهم تیتانیوم در حوزه‌های دفاعی، هوانوردی، فناوری پیشرفته و سایر زمینه‌ها، از سوی ایالات متحده، روسیه، بریتانیا، فرانسه و دیگر قدرت‌های نظامی و ژاپن و سایر کشورها ارزش بالایی برای آن قائل شده است و به عنوان یک فلز ساختاری استراتژیک با اهمیت استراتژیک در قرن دوم. توسعه علم و فناوری تیتانیوم، از جمله آلیاژهای جدید، فناوری ذوب جدید، فناوری جدید T و فناوری کاربردی، دستخوش تغییرات سریعی است. صنعت تیتانیوم چین نزدیک به 40 سال فراز و نشیب را تجربه کرده است، با حمایت دولت، پیشرفت زیادی داشته و سیستم مستقل صنعت تیتانیوم خود را تأسیس کرده است. بر اساس تولید 1751 تن اسفنج تیتانیوم و 2206 تن مواد فرآوری شده تیتانیوم در چین در سال 2000، تولید اسفنج تیتانیوم در چین در سال 2008 به 49632 تن رسید که طی 8 سال 27.3 برابر افزایش یافته است. در سال 2008، چین 27737 تن مواد قنداق تیتانیوم تولید کرد که افزایش 11.6 برابری داشت.
به دلیل هزینه بالای مواد اولیه آلیاژ تیتانیوم، 70 تا 80 درصد از مواد تیتانیوم خارجی در صنعت هوانوردی و هوافضا استفاده می شود. تقاضا برای آلیاژهای تیتانیوم در زمینه های هوانوردی و هوافضای چین نیز به ویژه زیاد است. در حال حاضر، نسبت آلیاژ تیتانیوم مورد استفاده در هواپیماهای پیشرفته در چین حدود 10% تا 12% است و نسبت تیتانیوم مورد استفاده در هواپیماهای نظامی بیشتر است، حدود 20% تا 30% و نسبت تیتانیوم مورد استفاده در هواپیماهای نظامی. موتور بیش از 30٪ است. میزان تیتانیوم مورد استفاده در راکت ها و موشک های جدید نیز رو به افزایش است.
توسعه و کاربرد آلیاژهای تیتانیوم ساختاری
با تغییر تدریجی مفهوم طراحی هواپیما از استحکام ساکن ساده در گذشته به ایمنی - عمر، آسیب - ایمنی، تا مفهوم طراحی مدرن تحمل آسیب. مواد آلیاژی پیشرفته تیتانیوم نیز به تدریج در جهت تحمل آسیب آلیاژهای تیتانیوم با چقرمگی شکست بالا و نرخ رشد ترک کم در حال توسعه هستند. در حال حاضر، کشورهای توسعه یافته خارجی در توسعه مواد آلیاژ تیتانیوم مقاوم در برابر آسیب و استفاده از هواپیماهای پیشرفته، به ویژه مانند Ti{3}}Al-4V ELI با مقاومت متوسط و بالا، پیشتاز بوده اند. - Strength Ti-6-2222S، که با موفقیت در ایالات متحده F-22، F{8}} و C-17 و سایر هواپیماهای نسل جدید به کار گرفته شده است. عمر سرویس و اثربخشی جنگی هواپیما تا حد زیادی بهبود یافته است. با توسعه مفهوم طراحی هواپیما، ایده طراحی تحمل آسیب ساختار آلیاژ تیتانیوم نیز در چین مورد توجه قرار گرفته است. از زمان "برنامه پنج ساله دهم"، چین به طور مستقل TC{11}}DT آلیاژ تیتانیوم با مقاومت متوسط و چقرمگی بالا و آلیاژ تیتانیوم با مقاومت بالا و چقرمگی بالا را توسعه داده است و پردازش را ایجاد کرده است. فناوری آلیاژ تیتانیوم با تحمل آسیب، که پایه فناوری کاربرد مواد را برای توسعه هواپیماهای جدید در چین قرار داده است. به منظور پاسخگویی به نیازهای توسعه آلیاژهای تیتانیوم برای سازه های هوانوردی و هوافضا، چین به طور مستقل آلیاژهای تیتانیوم سیمی با مقاومت کم و چقرمگی بالا (NbTi) و آلیاژهای لوله (TAl8)، سری 1300 مگاپاسکال تا 2000 مگاپاسکال با استحکام فوق العاده بالا تولید کرده است. آلیاژهای تیتانیوم (TB8، TBl9، TB20) و غیره نوع جدیدی از سیستم مواد آلیاژ تیتانیوم برای ساختار هواپیما با مشخصات چینی در ابتدا شکل گرفته است و نسل جدیدی از ساختار قاب کاربرد آلیاژ تیتانیوم برای ساختار هوانوردی و هوافضا گذاشته شده است.
Ti{0}}Al-4V(TC4) یک آلیاژ با استحکام متوسط است - آلیاژ تیتانیوم که در اوایل دهه 1960 ساخته شد، با خواص جامع عالی، معروف به آلیاژ جهانی، آلیاژ تیتانیوم TC4 اولین و پرکاربردترین آلیاژ است. هوانوردی، ساختار هوافضا از آلیاژ تیتانیوم عمومی، از جمله صفحه، نوار و آهنگری و ریخته گری. این آلیاژ خواص جوشکاری و ماشینکاری خوبی دارد و آلیاژ دانه ریز دارای فوق انعطاف پذیری است و اجزای پیچیده را می توان با فرآیند ترکیبی شکل دهی/ انتشار فوق پلاستیک (SPF/DB) تولید کرد.
آلیاژهای تیتانیوم ساختاری با استحکام بالا عموماً به آلیاژهایی با استحکام کششی بالاتر از 1000 مگاپاسکال اطلاق می‌شوند که در حال حاضر سطح پیشرفته بین‌المللی را نشان می‌دهند و کاربردهای عملی در هواپیماها دارند، عمدتاً آلیاژ Ti{3}}، 321s، آلیاژ تقریباً نوع Ti{ آلیاژهای تیتانیوم دو فاز {6}} و - -نوع BT22. جایگزینی فولاد سازه ای با مقاومت بالا 30CrMnSiA که معمولا در سازه های هواپیما استفاده می شود با آلیاژ تیتانیوم ساختاری با استحکام بالا می تواند وزن را تا بیش از 20 درصد کاهش دهد.
Ti{0}}Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo(TC21) نوعی تیتانیوم دو فاز با استحکام بالا، چقرمگی بالا و تحمل آسیب است. آلیاژی که در دهه 1970 ساخته شد. این آلیاژ دارای مزایای استحکام بالا، تحمل آسیب خوب و قابلیت انتشار ترک ضد خستگی عالی پس از عملیات حرارتی-مکانیکی است که برای ساخت قطعات باربر با استحکام و چقرمگی بالا مناسب است. با افزودن عنصر Si، آلیاژ در دمای متوسط استحکام بالاتری را حفظ می‌کند که بهتر از Ti-6AI-4V است. ورق آلیاژی را می توان در دمای اتاق سوپر پلاستیک تشکیل داد.
Ti{0}V-2Fe-3Al(TB6) یک آلیاژ تیتانیوم با استحکام بالا و چقرمگی بالا است که در اواخر دهه 1970 ساخته شد. این آلیاژ دارای مزایای استحکام ویژه بالا، چقرمگی شکست خوب، منطقه خاموش کردن بزرگ، ناهمسانگردی کوچک، عملکرد آهنگری خوب و مقاومت در برابر خوردگی قوی است و دارای مزایای زیادی از آلیاژ تیتانیوم غیر پایدار بدون اتلاف است (ویژگی های محلول جامد آلیاژ تیتانیوم IT-B، می تواند پاسخگویی به نیازهای طراحی تحمل آسیب و مزایای ساختاری بالا، قابلیت اطمینان بالا و نیازهای کم هزینه، حداکثر دمای عملیاتی 320 درجه است چقرمگی شکست را می توان از طریق محلول و عملیات حرارتی پیری به دست آورد، که برای ساخت قطعات ساختاری با نیازهای بالا برای استحکام و چقرمگی شکست می تواند با عملیات حرارتی مکانیکی مناسب به دست آید. سختی.
توسعه و کاربرد آلیاژهای تیتانیوم با دمای بالا
استحکام حرارتی و مقاومت ویژه بالا به طور گسترده در موتورهای هوا استفاده می شود. آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا عمدتاً در فن ها و کمپرسورهای موتورهای هوایی مانند دیسک های کمپرسور، تیغه ها، ناوبرها، حلقه های اتصال و غیره استفاده می شود. استفاده از آلیاژ تیتانیوم به جای سوپرآلیاژ اصلی نیکل می تواند وزن کمپرسور را بین 30 تا 35 درصد کاهش دهد. نسبت مصرف تیتانیوم در موتورهای هوایی پیشرفته خارجی به 25 ~ 39٪ رسیده است، به عنوان مثال مصرف آلیاژ تیتانیوم موتور F100 25٪ از وزن کل موتور را تشکیل می دهد، موتور V2500 31٪ است، موتور F119 39٪ است. نیازهای توسعه موتورهای هوا با کارایی بالا باعث ایجاد آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا می شود، استفاده از دما به تدریج از دهه 1950 به آلیاژ Ti{13}}Al-4V افزایش یافت که با 400 درجه به آلیاژ IMl834 نشان داده شد. با 600 درجه نشان داده شده است. بالاتر از 600 درجه، کاهش شدید مقاومت در برابر خزش و مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا، دو مانع اصلی هستند که توسعه آلیاژهای تیتانیوم را به دماهای بالاتر محدود می‌کنند. بنابراین، 600 درجه سانتیگراد به عنوان دمای "سد حرارتی" برای توسعه آلیاژهای تیتانیوم در نظر گرفته می شود.
در طول سالها، به منظور پاسخگویی به نیازهای موتورهای هوایی با کارایی بالا، اروپا، ایالات متحده، روسیه و سایر کشورهای توسعه یافته در صنعت هوانوردی اهمیت زیادی به تحقیق و توسعه آلیاژ تیتانیوم با درجه حرارت بالا داده اند. آلیاژ تیتانیوم در دمای 350 ~ 600 درجه استفاده می شود. اتحاد جماهیر شوروی سابق BT6، BT{4}}l، BT8، BT9 و سایر گریدهای آلیاژ تیتانیوم را در اواخر دهه 1950 توسعه داد، و آلیاژهای BTl8 و BT25 در دهه 1960 و 1970 توسعه یافتند. از آن زمان، به منظور بهبود عملکرد و عمر کاری آلیاژهای تیتانیوم با دمای بالا، BTl8y، BT25y، BT8M، BT{16}} و BT8M{18}} و سایر گریدهای آلیاژهای تیتانیوم با دمای بالا بهبود یافته اند. بر اساس آلیاژهای اصلی
در سال های اخیر، آلیاژ تیتانیوم BT36 به ترتیب برای موتورهای HK8، IIC90A و سایر موتورها ساخته شده است. به طور مشابه، ایالات متحده همچنین از Ti64، Ti811، Ti6242 و سایر آلیاژهای تیتانیوم در JT90، F{7}} و سایر موتورهای پیشرفته استفاده خواهد کرد. شاخص های فنی اصلی آلیاژهای تیتانیوم معمولی با دمای بالا در جدول 2 نشان داده شده است.
توسعه آلیاژ تیتانیوم در دمای بالا روسیه بسیار کامل و بالغ است و مجموعه کاملی از سیستم آلیاژ تیتانیوم را تشکیل می دهد. دو یا سه درجه اختیاری آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا در یک سطح دمایی خاص وجود دارد، مانند آلیاژهایی که در دمای 500 درجه قابل استفاده هستند BT8، BT9 و BT{3}}، 550 درجه BT25 و BT25y و 600 درجه هستند. BTl8y و BT36 هستند. روسیه BT25y را برای دیسک‌های رولت و تیغه‌های روتور مورد استفاده در 450-550 درجه سانتیگراد در کمپرسورهای فشار قوی موتور هوا و BTl8y را برای دیسک‌های رولت مورد استفاده در 550-600 't3 توصیه می‌کند. اگرچه BT36 توسعه یافته است، اما به نظر نمی رسد که مورد توجه قرار گرفته باشد. چین تولید روسی صفحات و میله های آلیاژی BT36 را معرفی کرده است، پس از تجزیه و تحلیل، جداسازی اجزای زیادی روی صفحات و میله های آلیاژی وجود دارد، مشکل یکنواختی ترکیب به خوبی حل نشده است و عملکرد دمای بالای آن به حد مطلوب نرسیده است. سطح آلیاژ IMl834.
آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا در بریتانیا بالغ ترین آلیاژ را توسعه داده است، با سیستم مستقل خود که یک سری آلیاژ تیتانیوم را تشکیل می دهد که در دماهای مختلف استفاده می شود. تا کنون آلیاژ IMl685 پرکاربردترین و بیشترین تعداد آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا در انگلستان است، مانند موتور سری RB211، موتور RBl99، موتور Adour و موتور M53. آلیاژ IMl829 در کمپرسور پرفشار موتور RB211-535C استفاده می‌شود. 3-دیسک مرحله عقب، درام و محور عقب با جوشکاری پرتو الکترونی یکپارچه شده‌اند که جایگزین مواد آلیاژی مبتنی بر نیکل در RB211-535C می‌شود و وزن روتور را تا 30% کاهش می‌دهد. توسعه موفقیت آمیز آلیاژ IMl834 پشتیبانی فنی محکمی را برای برخی از موتورهای با کارایی بالا فراهم کرده است، اگرچه زمان توسعه آن طولانی نیست، اما بر روی انواع موتورها مانند انتخاب هواپیمای بوئینگ 777 از موتورهای بزرگ عمرانی آزمایش و اعمال شده است. Trent700 (Turbulence)، تمام چرخ‌ها، درام‌ها و محورهای عقب کمپرسور فشار قوی از آلیاژ IMl834 ساخته شده‌اند و با فرآیند جوشکاری پرتو الکترونی به یکدیگر جوش داده می‌شوند. Trent700 اولین موتور عمرانی جدید است که از روتور کمپرسور پرفشار تمام تیتانیوم استفاده می کند که وزن موتور را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و روتور کمپرسور فشار قوی موتور EJ200 نیز از آلیاژ IMl834 استفاده می کند. IMl834 همچنین در موتور Pratt & Whitney PW350 استفاده می شود.
توسعه آلیاژهای تیتانیوم با دمای بالا در ایالات متحده نیز نسبتاً بالغ است و بزرگترین آلیاژهای مورد استفاده در موتور عمدتا Ti-6Al-4V و Ti-6242S هستند.
آلیاژ Ti{0}} بر اساس ترکیب آلیاژ Ti-6242S است، با تنظیم محتوای عناصر Al، Sn، Mo و Si، حداکثر دمای استفاده از آلیاژ به 600 درجه افزایش می یابد. مشخص است که آلیاژ Ti-1 100 در ساخت دیسک‌های کمپرسور فشار بالا و پره‌های توربین فشار پایین موتور اصلاح‌شده Lycoming's T55-712 استفاده شده است.
توسعه آلیاژهای تیتانیوم در چین عمدتاً در مسیر تقلید است، مانند آلیاژ TC11 مربوط به آلیاژ BT9، TA11، TA19، TC17، مربوط به درجه ایالات متحده Ti-811، Ti-6242 S و Ti-17. در 20 سال گذشته، چین شروع به پیروی از مسیر خودسازی در عین تقلید کرده است، مانند آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا TA12(Ti{-55)، افزودن عنصر خاکی کمیاب Nd. بر اساس آلیاژ TAl2، محتوای Al، Sn و Si به طور مناسب در آلیاژ Ti{14}} افزایش می‌یابد که باعث بهبود خاصیت خزشی در دمای بالا و استحکام آلیاژ می‌شود و دمای سرویس آلیاژ را افزایش می‌دهد. 600 درجه. یک آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا 550 درجه Ti{17}}G با افزودن عنصر خاکی کمیاب Gd بر اساس آلیاژ IMl829 از بریتانیا تهیه شد. اخیراً بر اساس آلیاژ Ti{19}} حدود 0.1Y اضافه شده و Ti{22}} نامگذاری شده است.
توسعه و کاربرد آلیاژ تیتانیوم با دمای پایین
قطعات سازه ای که در دماهای پایین استفاده می شوند نیاز به پلاستیسیته خوب، رسانایی حرارتی کم و خواص پردازش عالی دارند در حالی که استحکام خاصی را حفظ می کنند. مواد ساختاری با دمای پایین در داخل و خارج از کشور عمدتاً فولاد ضد زنگ، آلیاژ آلومینیوم، آلیاژ تیتانیوم و آلیاژ مبتنی بر نیکل هستند. آلیاژ تیتانیوم خواص جامع خوبی در دماهای پایین دارد و سال هاست که توسط کشورهای سراسر جهان به طور گسترده ای ارزش گذاری شده است. در دمای پایین، استحکام تسلیم آلیاژ تیتانیوم به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد که حدود 3 تا 6 برابر فولاد زنگ نزن آستنیتی است. با این حال، چقرمگی شکست با کاهش دما، حدود 0.25 تا 0.5 فولاد زنگ نزن آستنیتی کاهش می‌یابد. از آنجایی که چگالی آلیاژ تیتانیوم بسیار کوچکتر از فولاد ضد زنگ است و در دماهای پایین، هدایت حرارتی کم، ضریب انبساط کم و غیر مغناطیسی است، به عنوان یک ماده مهندسی مهم در دمای پایین استفاده می شود. در زمینه های هوافضا و ابررسانایی.
آلیاژ تیتانیوم با ساختار زنبور عسل در دماهای پایین و سایر فلزات مکعبی متمرکز بدن، دمای انتقال شکننده پلاستیکی (TPR) آن بالا است، با کاهش دما، چقرمگی پلاستیک کاهش می یابد، به طور کلی نمی توان در دماهای پایین استفاده کرد. TPR آلیاژهای تیتانیوم و نزدیک به تیتانیوم عموماً بسیار پایین است و در دماهای پایین انعطاف پذیری خوبی وجود دارد، بنابراین برخی از آلیاژهای تیتانیوم با دمای پایین شناخته شده بین المللی اساساً متعلق به آلیاژهای تیتانیوم نزدیک به آن هستند. در میان آلیاژهای تیتانیوم، آلیاژهای تیتانیوم حاوی کمتر، مانند Ti-6Al-4V ELI نیز می‌توانند در دمای هیدروژن مایع (22 K) به خوبی استفاده شوند. تیتانیوم خالص و آلیاژهای تیتانیوم مانند Ti{10}}Al-2.5Sn ELl مواد ساختاری ایده‌آل با دمای پایین در دمای هلیوم مایع (4.2 K) هستند، اما ناخالصی‌های غیر از ترکیب آلیاژ باید کنترل شوند. به خصوص محتوای اکسیژن و آهن. افزایش اجزای آهن و اکسیژن باعث شکننده شدن ماده تیتانیوم در دمای پایین می شود و افزایش عناصر پایدار فاز مانند آهن و منگنز به راحتی منجر به شکنندگی بریدگی می شود.
اتحاد جماهیر شوروی سابق در توسعه و کاربرد آلیاژهای تیتانیوم با دمای پایین و توسعه اولیه آلیاژهای تیتانیوم OT4، OT{3}}L، BT5-1KT، TT{ در سطح جهانی پیشرو بوده است. {5}}BKT و سایر آلیاژها به طور گسترده در تجهیزات موشک فضایی استفاده شده است. استحکام این آلیاژها به 1400 مگاپاسکال در 2 K افزایش یافت، در حالی که ازدیاد طول بالای 10٪ باقی ماند. آلیاژهای تیتانیوم با دمای پایین که در ایالات متحده تولید و به کار می‌روند عمدتاً شامل Ti-5Al-2. -6Al-3Nb-2Zr و سایر آلیاژهای تیتانیوم با دمای پایین.
چین در توسعه و کاربرد آلیاژ تیتانیوم با دمای پایین نسبت به ایالات متحده و روسیه دیرتر شروع کرد، چین آزمایش عملکرد دمای پایین آلیاژ تیتانیوم TA7، TC1، TC4 موجود را انجام داده است و تحقیقات کاربردی، در "برنامه پنج ساله نهم" "دوره توسعه مناسب برای سیستم خط لوله با دمای پایین آلیاژهای تیتانیوم، سیستم آلیاژ Ti-Al-Zr، Ti-A1-Zr-Mo است. Ti-AIL-Sn-Mo، Ti-Al-Zr-Sn-Mo و غیره.
توسعه و کاربرد طلای رومیزی تیتانیوم برای قطعات سفت
استفاده از اتصال دهنده های آلیاژ تیتانیوم در خارج از کشور بسیار متداول بوده است و بست های جدید مختلفی همچنان ظاهر می شوند. بست های تک آلیاژ تیتانیوم با هزینه های عمرانی بزرگ به صدها هزار قطعه می رسد. تحت همین شاخص استحکام، اتصال دهنده های تیتانیوم 70 درصد سبک تر از جرم فولاد هستند و استحکام خستگی آلیاژ تیتانیوم و حساسیت به غلظت تنش بهتر از کاربردهای مشابه فولاد در انواع نوارهای آب و هوایی با پایداری در برابر خوردگی بالا است، بنابراین کاربرد حلقه های تنگ تیتانیوم برای تجهیزات هوانوردی بسیار مهم است.
توسعه آلیاژ تیتانیوم اتصال دهنده
اتصال دهنده‌های آلیاژ تیتانیوم عمدتاً در سه نوع مواد استفاده می‌شوند: نوع اول معادل مو کم است - آلیاژ دوفاز نوع، مانند Ti-6Al-4V; دسته دوم آلیاژهای ناپایدار هستند، از جمله III، Ti{4}}.5Nb، Ti-15-3 در ایالات متحده و TB2، TB3 و TB8 در چین. طبقه سوم، ترکیب زیر بحرانی آلیاژهای دو فازی نوع، مانند BT16l روسیه است. جدول زیر مشخصات مواد اتصال دهنده آلیاژ تیتانیوم را نشان می دهد.
Ti{0}}Al-4V یک آلیاژ دو فاز با مولیبدن کم است که دارای کمترین ضریب پایداری (فقط 0.27) و بالاترین معادل آلومینیوم (تا 6) از سه آلیاژ است. . بنابراین محتوای فاز بتا در حالت آنیل شده تنها 7 درصد (کسر حجمی) است. از مزایای آن می توان به کمترین چگالی، بهترین عملکرد و مقاومت در برابر خستگی، ساده ترین ترکیب و کمترین هزینه محصولات نیمه تمام اشاره کرد. با این حال، از آنجایی که انعطاف پذیری دمای اتاق به اندازه کافی بالا نیست، لازم است در هنگام پردازش بست ها از القایی استفاده شود
