Причины использования титана
снизить вес
Высокая прочность и низкая плотность титана (примерно на 40% ниже, чем у стали) предоставляют много возможностей для снижения веса. Лучшими примерами являются его использование на шасси самолетов Boeing 777 и 787 и Airbus A380. На рисунке 1 показано шасси на самолете 777. 1 Все маркированные детали изготовлены из Ti-10V-2Fe-3Al. Минимальная прочность на растяжение этого сплава составляет 1 193 МПа; используется для замены высокопрочной низколегированной стали 4340М, используемой при 1 930 МПа. Эта замена привела к снижению веса более чем на 580 кг. 1 Boeing 787 использует следующее поколение высокопрочного титанового сплава Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, который немного выше по прочности и обладает определенными преимуществами обработки. Использование титана в конструкции шасси также должно значительно снизить затраты на обслуживание шасси до его коррозионной стойкости. Низкая плотность и высокая прочность делают его очень привлекательным для поршневых деталей, таких как шатуны для автомобильных применений. Точно так же цена на семейные автомобили слишком высока, но Министерство энергетики США вкладывает значительные средства, чтобы сделать цену титановых компонентов для легковых и грузовых автомобилей разумной. (Титан успешно используется в высококлассных гоночных автомобилях, и стоимость не такая уж большая проблема.)
Ограничения пространства
Это приложение появляется не часто, но это важно. Лучшими примерами являются балки шасси, используемые на 737, 747 и 757. Этот компонент проходит между крыльями и фюзеляжем, поддерживая шасси. Другие самолеты Boeing используют алюминиевый сплав в этом применении, но для вышеуказанных самолетов нагрузка выше, а алюминиевая конструкция не подходит для оболочки крыла. Алюминиевый сплав будет первым выбором, потому что его стоимость намного ниже. Сталь – еще один вариант, но вес будет выше.
Рабочая температура
Конструкция двигателя и выхлопная зона работают при высоких температурах, поэтому основной выбор – сплавы на основе титана или никеля; точно так же никелевые сплавы значительно увеличат вес. Рабочая температура титанового сплава двигателя достигает около 600 °C. Некоторые приложения, такие как заглушки и сопла (рисунок 2), могут выдерживать температуры выше этой температуры в течение короткого периода времени при определенных условиях эксплуатации. За исключением специальных моторных сплавов, температурный предел титановых сплавов составляет примерно 540°C. Выше этой температуры кислородное загрязнение становится проблемой, делая поверхность хрупкой. Титан также используется в конструкциях при низких температурах, таких как рабочие колеса ракетных двигателей.
Коррозионная стойкость
Титан имеет очень жесткий зарождающийся оксид, который будет образовываться сразу при воздействии воздуха. Этот оксид отвечает за отличную коррозионную стойкость. В аэрокосмической среде коррозия не является фактором титана. Титан не подвергается точечной коррозии. По мнению автора, в этом и заключается суть качественного сервисного опыта. При использовании алюминиевые и стальные сплавы в конечном итоге образуют коррозионные ямы, которые действуют как стояки напряжения, а затем вызывают коррозию под напряжением или усталостные трещины. С титаном этого не происходит. Эта коррозионная стойкость распространяется на химическую, нефтехимическую, целлюлозно-бумажную и строительную промышленность. Титан и его сплавы обладают отличной стойкостью в большинстве окислительных, нейтральных и ингибированных восстановительных условий. Он также обладает коррозионной стойкостью в организме человека. Биосовместимость также очень хорошая; он используется в протезном устройстве, и кость вырастет в разумно спроектированную титановую структуру. Коммерческий чистый титан также используется в наружном строительстве, и эта практика началась в Японии. Он используется на внешней поверхности, потому что он никогда не нуждается в обслуживании. Самым известным из них является его использование на внешней стороне музея Гуггенхайма в Бильбао, Испания.
Совместимость с композитными материалами
Титан совместим с графитовыми волокнами в полимерных композитах. Существует высокий электрический потенциал между алюминием и графитом. Если алюминий вступает в контакт с графитом при намокании, алюминий будет подвергаться коррозии. Он может быть выделен из композитных материалов такими методами, как слои стекловолокна, но в областях, которые трудно проверить и заменить, титан используется в качестве консервативного метода. Кроме того, хотя коэффициент теплового расширения (CTE) титана выше, чем у графита, он намного ниже, чем у алюминия. Даже в диапазоне рабочих температур конструкции фюзеляжа, от примерно -60°C во время крейсерства до +55°C в жаркую погоду, разница в CTE алюминиевой конструкции, прикрепленной к композитному материалу, вызовет очень высокую нагрузку. Это не проблема с титановой структурой. Очевидно, что чем длиннее компонент, тем больше проблема использования алюминия.
Низкий модуль упругости
Основным направлением важности является замена стальных пружин. Поскольку модуль примерно вдвое меньше, чем у стали, требуется только половина количества катушек. Сочетая высокую прочность и плотность (примерно 60% стали), стальные пружины могут идеально снизить вес примерно на 70%. Кроме того, титан обеспечивает отличную коррозионную стойкость, тем самым снижая затраты на техническое обслуживание.
Броня
Титан обладает отличной баллистической стойкостью. По сравнению со стальной или алюминиевой броней, она обладает такой же баллистической защитой при интересующей площади плотности и может снижать вес на 15-35%, тем самым значительно снижая вес боевых наземных боевых машин. Более легкие транспортные средства имеют лучшую транспортабельность и маневренность. Отличная коррозионная стойкость, низкая ферромагнетичность и совместимость с композитными материалами также обеспечивают значительные преимущества. Два проекта, которые используют титан в модернизированных машинах, - это боевая машина пехоты Bradley (рисунок 3) и основной боевой танк Abrams. 2 Относительно высокая стоимость титана была успешно снижена за счет использования пластин из электронных пучков, холодных очагов и одноплавких слитков. 3
