دلایل استفاده از تیتانیوم
کاهش وزن
استحکام بالا و چگالی کم تیتانیوم (حدود 40 درصد کمتر از فولاد) فرصت های زیادی را برای کاهش وزن فراهم می کند. بهترین نمونه استفاده از آن در ارابه فرود هواپیماهای بوئینگ 777 و 787 و ایرباس A380 است. شکل 1 ارابه فرود هواپیمای 777 را نشان می دهد. 1 تمام قطعات مشخص شده از Ti-10V-2Fe-3Al ساخته شده اند. حداقل مقاومت کششی این آلیاژ 1193 مگاپاسکال است. از آن برای جایگزینی فولاد کم آلیاژ 4340M با مقاومت بالا استفاده می شود که در 1930 مگاپاسکال استفاده می شود. این جایگزینی منجر به کاهش بیش از 580 کیلوگرم وزن شد. 1 بوئینگ 787 از نسل بعدی آلیاژ تیتانیوم با استحکام بالا Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr استفاده می کند که از نظر استحکام کمی بالاتر است و دارای مزایای پردازش خاصی است. استفاده از تیتانیوم در ساختار ارابه فرود نیز باید هزینه تعمیر و نگهداری ارابه فرود را به میزان قابل توجهی در برابر خوردگی کاهش دهد. چگالی کم و استحکام بالا آن را برای قطعات رفت و برگشتی مانند میله های اتصال برای کاربردهای خودرو بسیار جذاب می کند. به طور مشابه، قیمت خودروهای خانوادگی بسیار بالاست، اما وزارت انرژی ایالات متحده سرمایه گذاری زیادی را انجام می دهد تا قیمت قطعات تیتانیوم برای خودروها و کامیون ها را معقول کند. (تیتانیوم با موفقیت در اتومبیل های مسابقه ای سطح بالا استفاده شده است و هزینه آن مشکل بزرگی نیست.)
محدودیت های فضایی
این برنامه اغلب ظاهر نمی شود، اما مهم است. بهترین نمونه، تیرهای ارابه فرود مورد استفاده در 737، 747 و 757 است. این جزء بین بالها و بدنه حرکت می کند و ارابه فرود را پشتیبانی می کند. سایر هواپیماهای بوئینگ در این کاربرد از آلیاژ آلومینیوم استفاده می کنند، اما برای هواپیماهای فوق بار بیشتر است و ساختار آلومینیومی برای پوشش بال مناسب نیست. آلیاژ آلومینیوم اولین انتخاب خواهد بود زیرا هزینه آن بسیار کمتر است. فولاد گزینه دیگری است، اما وزن آن بیشتر خواهد بود.
دمای عملیاتی
ساختار موتور و ناحیه اگزوز در دماهای بالا کار می کند، بنابراین انتخاب اصلی آلیاژهای مبتنی بر تیتانیوم یا نیکل است. به طور مشابه، آلیاژهای نیکل به طور قابل توجهی وزن را افزایش می دهند. دمای سرویس آلیاژ موتور تیتانیوم تا حدود 600 درجه سانتیگراد است. برخی از کاربردها، مانند شاخه ها و نازل ها (شکل 2)، می توانند در شرایط کاری خاص، دمای بالاتر از این دما را برای مدت کوتاهی تحمل کنند. به جز آلیاژهای مخصوص موتور، حد دمای آلیاژهای تیتانیوم تقریباً 540 درجه سانتیگراد است. بالاتر از این دما، آلودگی اکسیژن مشکل ساز می شود و سطح را شکننده می کند. تیتانیوم همچنین در سازه هایی با دمای پایین مانند پروانه موتورهای موشک استفاده می شود.
مقاومت در برابر خوردگی
تیتانیوم دارای اکسید نوپا بسیار سختی است که بلافاصله پس از قرار گرفتن در معرض هوا تشکیل می شود. این اکسید مسئول مقاومت عالی در برابر خوردگی است. در محیط هوافضا، خوردگی عاملی در تیتانیوم نیست. تیتانیوم حفره ای ندارد. به نظر نویسنده'، این جوهر تجربه خدمات با کیفیت بالا است. در استفاده، آلیاژهای آلومینیوم و فولاد در نهایت حفره های خوردگی را تشکیل می دهند که به عنوان افزایش دهنده تنش عمل می کنند و سپس باعث خوردگی تنش یا ترک های خستگی می شوند. این اتفاق با تیتانیوم نمی افتد. این مقاومت در برابر خوردگی در صنایع شیمیایی، پتروشیمی، خمیر کاغذ، کاغذ و ساخت و ساز جریان دارد. تیتانیوم و آلیاژهای آن در اکثر شرایط اکسید کننده، خنثی و کاهشی دارای مقاومت عالی هستند. همچنین دارای مقاومت در برابر خوردگی در بدن انسان است. زیست سازگاری نیز بسیار خوب است. در یک دستگاه پروتز استفاده می شود و استخوان به یک ساختار تیتانیومی با طراحی معقول تبدیل می شود. تیتانیوم خالص تجاری نیز در کاربردهای ساخت و ساز خارجی استفاده می شود و این عمل در ژاپن آغاز شد. در سطح بیرونی استفاده می شود زیرا هرگز نیاز به نگهداری ندارد. معروف ترین آنها استفاده از آن در نمای بیرونی موزه گوگنهایم در بیلبائو، اسپانیا است.
سازگاری مواد کامپوزیت
تیتانیوم با الیاف گرافیت در کامپوزیت های پلیمری سازگار است. پتانسیل الکتریکی بالایی بین آلومینیوم و گرافیت وجود دارد. اگر آلومینیوم هنگام خیس شدن با گرافیت تماس پیدا کند، آلومینیوم خورده می شود. می توان آن را با روش هایی مانند لایه های الیاف شیشه از مواد کامپوزیت جدا کرد، اما در مناطقی که بازرسی و جایگزینی آن دشوار است، از تیتانیوم به عنوان یک روش محافظه کارانه استفاده می شود. علاوه بر این، اگرچه ضریب انبساط حرارتی (CTE) تیتانیوم بیشتر از گرافیت است، اما بسیار کمتر از آلومینیوم است. حتی در محدوده دمای عملیاتی ساختار بدنه، از حدود -60 درجه سانتیگراد در طول سفر تا 55 درجه سانتیگراد در هوای گرم، تفاوت CTE ساختار آلومینیومی متصل به مواد کامپوزیت باعث بار بسیار زیاد می شود. این مشکلی با ساختار تیتانیوم نیست. بدیهی است که هر چه قطعه طولانی تر باشد، مشکل استفاده از آلومینیوم بیشتر می شود.
مدول پایین
موضوع اصلی مورد توجه، تعویض فنرهای فولادی است. از آنجایی که مدول تقریباً نصف فولاد است، تنها نصف تعداد سیم پیچ ها مورد نیاز است. فنرهای فولادی با ترکیب استحکام و چگالی بالا (تقریباً 60٪ فولاد)، می توانند وزن را تقریباً 70٪ کاهش دهند. علاوه بر این، تیتانیوم مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی ایجاد می کند و در نتیجه هزینه های تعمیر و نگهداری را کاهش می دهد.
زره
تیتانیوم دارای مقاومت بالستیک عالی است. در مقایسه با زره های فولادی یا آلومینیومی، دارای همان حفاظت بالستیک در تراکم منطقه مورد نظر است و می تواند وزن را 15-35٪ کاهش دهد، در نتیجه وزن وسایل نقلیه جنگی زمینی نظامی را تا حد زیادی کاهش می دهد. خودروهای سبک تر قابلیت حمل و نقل و مانور بهتری دارند. مقاومت در برابر خوردگی عالی، فرومغناطیس کم و سازگاری با مواد کامپوزیت نیز مزایای قابل توجهی را به همراه دارد. دو پروژه ای که از تیتانیوم در وسایل نقلیه ارتقا یافته استفاده می کنند، خودروی جنگی پیاده نظام بردلی (شکل 3) و تانک اصلی نبرد آبرامز هستند. 2 هزینه نسبتا بالای تیتانیوم با استفاده از صفحات ساخته شده از پرتوهای الکترونی، کوره های سرد و شمش های تک ذوب با موفقیت کاهش یافته است. 3
