لماذا تعتبر سبائك التيتانيوم ضرورية للمواد الفضائية؟

التيتانيوم والطيران لديهما علاقة غير قابلة للكسر. 1953، استخدام التيتانيوم في حجرات المحرك وجدران الحماية لطائرة DC-T التي تنتجها شركة دوغلاس الأمريكية، مما يفتح تاريخ تطبيقات التيتانيوم في الفضاء الجوي. منذ ذلك الحين، تم استخدام التيتانيوم في الطيران لأكثر من نصف قرن. يمكن استخدام التيتانيوم على نطاق واسع في الطيران لأنه يحتوي على العديد من الخصائص القيمة المناسبة لتطبيقات الطائرات. سنتحدث اليوم عن سبب ضرورة استخدام سبائك التيتانيوم في مواد الطيران.

أولا، إدخال التيتانيوم

في عام 1948، قامت شركة دوبونت الأمريكية فقط باستخدام أطنان طريقة المغنيسيوم لإنتاج إسفنجة التيتانيوم - وهذا يمثل بداية الإنتاج الصناعي لإسفنجة التيتانيوم التيتانيوم. تستخدم سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في مختلف المجالات بسبب قوتها العالية ومقاومتها الجيدة للتآكل ومقاومة الحرارة وخصائص أخرى.

يتوفر التيتانيوم بكثرة في القشرة الأرضية، حيث يحتل المرتبة التاسعة من حيث محتواه، وهو أعلى بكثير من النحاس والزنك والقصدير والمعادن الشائعة الأخرى. يوجد التيتانيوم على نطاق واسع في العديد من الصخور، خاصة في الرمل والطين.

ثانيا، خصائص التيتانيوم

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

قوة حرارية عالية: استخدام درجة الحرارة أعلى بعدة مئات من الدرجات من سبائك الألومنيوم، ويمكن أن يكون في درجة حرارة 450 ~ 500 درجة عمل طويل الأمد.

مقاومة جيدة للتآكل: مقاومة التآكل الحمضي والقلويات والغلاف الجوي، وخاصة المقاومة القوية للتآكل والتآكل الناتج عن الإجهاد.

أداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة: يمكن لسبائك التيتانيوم TA7 ذات العناصر الخلالية المنخفضة جدًا الحفاظ على درجة معينة من اللدونة عند درجة -253 .

النشاط الكيميائي العالي: نشاط كيميائي مرتفع عند درجات الحرارة المرتفعة، ويتفاعل كيميائياً بسهولة مع الهيدروجين والأكسجين والشوائب الغازية الأخرى الموجودة في الهواء لينتج طبقة صلبة.

الموصلية الحرارية الصغيرة، معامل المرونة الصغيرة: الموصلية الحرارية حوالي 1/4 من النيكل، 1/5 من الحديد، 1/14 من الألومنيوم، وسبائك التيتانيوم المختلفة لديها موصلية حرارية أقل بحوالي 50٪ من التيتانيوم. يبلغ معامل مرونة سبائك التيتانيوم حوالي نصف الفولاذ.

ثالثا، تصنيف واستخدام سبائك التيتانيوم

يمكن تقسيم سبائك التيتانيوم إلى: سبائك مقاومة للحرارة، وسبائك عالية القوة، وسبائك مقاومة للتآكل (التيتانيوم - الموليبدينوم، والتيتانيوم - سبائك البلاديوم، وما إلى ذلك)، وسبائك منخفضة الحرارة، وكذلك السبائك الوظيفية الخاصة (التيتانيوم - الحديد). مواد تخزين الهيدروجين والتيتانيوم - سبائك ذاكرة النيكل) وما إلى ذلك.

على الرغم من عدم استخدام التيتانيوم وسبائكه لفترة طويلة، فقد تم منحهم العديد من الألقاب المشرفة بسبب أدائهم المتميز. الأول هو "معدن الفضاء". إن وزنها الخفيف وقوتها العالية ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية تجعلها مناسبة بشكل خاص لتصنيع الطائرات والمركبات الفضائية المختلفة. في الوقت الحاضر، يتم استخدام حوالي ثلاثة أرباع التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المنتجة في العالم في صناعة الطيران. تم تغيير العديد من أجزاء سبائك الألومنيوم الأصلية إلى سبائك التيتانيوم.

الرابعة، تطبيق الطيران من سبائك التيتانيوم

يتم استخدام سبائك التيتانيوم بشكل أساسي في مواد تصنيع الطائرات والمحركات، مثل مروحة التيتانيوم وقرص الهواء المضغوط والشفرة وغطاء المحرك وجهاز العادم وأجزاء أخرى، بالإضافة إلى إطار العوارض الكبيرة للطائرة وأجزاء الإطار الهيكلي الأخرى. تستخدم المركبات الفضائية بشكل أساسي سبائك التيتانيوم ذات القوة العالية والمقاومة للتآكل ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة لتصنيع مجموعة متنوعة من أوعية الضغط وخزانات الوقود والمثبتات وأشرطة الأدوات والإطارات وقذائف الصواريخ. تستخدم أقمار الأرض الاصطناعية والوحدة القمرية وسفن الفضاء المأهولة والمكوكات الفضائية أيضًا لحام ألواح سبائك التيتانيوم.

في عام 1950، استخدمت الولايات المتحدة في القاذفة المقاتلة F-84 كدرع حراري لجسم الطائرة الخلفي، ودرع للرياح، وقلنسوة ذيل ومكونات أخرى غير حاملة. الستينيات بداية استخدام سبائك التيتانيوم من جسم الطائرة الخلفي إلى جسم الطائرة الأوسط، جزئيًا بدلاً من تصنيع الهياكل الفولاذية للإطارات الفاصلة والحزم واللوحات وقضبان الشرائح وغيرها من المكونات الحاملة المهمة. وفي السبعينيات بدأت الطائرات المدنية في استخدام سبائك التيتانيوم بكميات كبيرة، مثل كمية التيتانيوم الموجودة في طائرة الركاب البوينغ 747 التي بلغت 3640 كيلوغراماً من التيتانيوم. أكثر من 28% من وزن الآلة. مع تطور تكنولوجيا المعالجة، في الصواريخ والأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، تم أيضًا استخدام عدد كبير من سبائك التيتانيوم.

كلما زاد عدد الطائرات، زاد استخدام التيتانيوم. US F-14مقاتل يستخدم سبائك التيتانيوم، والتي تمثل حوالي 25% من وزن الماكينة؛ F-15مقاتل بنسبة 25.8%؛ مقاتلة الجيل الرابع الأمريكية بكمية تيتانيوم تبلغ 41% من محرك F119 بكمية تيتانيوم تبلغ 39%، وتستخدم حالياً كمية تيتانيوم للطائرات العالية.

تمت ترجمته باستخدام www.DeepL.com/Translator (نسخة مجانية)

التيتانيوم والطيران لديهما علاقة غير قابلة للكسر. 1953، استخدام التيتانيوم في حجرات المحرك وجدران الحماية لطائرة DC-T التي تنتجها شركة دوغلاس الأمريكية، مما يفتح تاريخ تطبيقات التيتانيوم في الفضاء الجوي. منذ ذلك الحين، تم استخدام التيتانيوم في الطيران لأكثر من نصف قرن. يمكن استخدام التيتانيوم على نطاق واسع في الطيران لأنه يحتوي على العديد من الخصائص القيمة المناسبة لتطبيقات الطائرات. سنتحدث اليوم عن سبب ضرورة استخدام سبائك التيتانيوم في مواد الطيران.

أولا، إدخال التيتانيوم

في عام 1948، قامت شركة دوبونت الأمريكية فقط باستخدام أطنان طريقة المغنيسيوم لإنتاج إسفنجة التيتانيوم - وهذا يمثل بداية الإنتاج الصناعي لإسفنجة التيتانيوم التيتانيوم. تستخدم سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في مختلف المجالات بسبب قوتها العالية ومقاومتها الجيدة للتآكل ومقاومة الحرارة وخصائص أخرى.

يتوفر التيتانيوم بكثرة في القشرة الأرضية، حيث يحتل المرتبة التاسعة من حيث محتواه، وهو أعلى بكثير من النحاس والزنك والقصدير والمعادن الشائعة الأخرى. يوجد التيتانيوم على نطاق واسع في العديد من الصخور، خاصة في الرمل والطين.

ثانيا، خصائص التيتانيوم

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

قوة حرارية عالية: استخدام درجة الحرارة أعلى بعدة مئات من الدرجات من سبائك الألومنيوم، ويمكن أن يكون في درجة حرارة 450 ~ 500 درجة عمل طويل الأمد.

مقاومة جيدة للتآكل: مقاومة التآكل الحمضي والقلويات والغلاف الجوي، وخاصة المقاومة القوية للتآكل والتآكل الناتج عن الإجهاد.

أداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة: يمكن لسبائك التيتانيوم TA7 ذات العناصر الخلالية المنخفضة جدًا الحفاظ على درجة معينة من اللدونة عند درجة -253 .

النشاط الكيميائي العالي: نشاط كيميائي مرتفع عند درجات الحرارة المرتفعة، ويتفاعل كيميائياً بسهولة مع الهيدروجين والأكسجين والشوائب الغازية الأخرى الموجودة في الهواء لينتج طبقة صلبة.

الموصلية الحرارية الصغيرة، معامل المرونة الصغيرة: الموصلية الحرارية حوالي 1/4 من النيكل، 1/5 من الحديد، 1/14 من الألومنيوم، وسبائك التيتانيوم المختلفة لديها موصلية حرارية أقل بحوالي 50٪ من التيتانيوم. يبلغ معامل مرونة سبائك التيتانيوم حوالي نصف الفولاذ.

ثالثا، تصنيف واستخدام سبائك التيتانيوم

يمكن تقسيم سبائك التيتانيوم إلى: سبائك مقاومة للحرارة، وسبائك عالية القوة، وسبائك مقاومة للتآكل (التيتانيوم - الموليبدينوم، والتيتانيوم - سبائك البلاديوم، وما إلى ذلك)، وسبائك منخفضة الحرارة، وكذلك السبائك الوظيفية الخاصة (التيتانيوم - الحديد). مواد تخزين الهيدروجين والتيتانيوم - سبائك ذاكرة النيكل) وما إلى ذلك.

على الرغم من عدم استخدام التيتانيوم وسبائكه لفترة طويلة، فقد تم منحهم العديد من الألقاب المشرفة بسبب أدائهم المتميز. الأول هو "معدن الفضاء". إن وزنها الخفيف وقوتها العالية ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية تجعلها مناسبة بشكل خاص لتصنيع الطائرات والمركبات الفضائية المختلفة. في الوقت الحاضر، يتم استخدام حوالي ثلاثة أرباع التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المنتجة في العالم في صناعة الطيران. تم تغيير العديد من أجزاء سبائك الألومنيوم الأصلية إلى سبائك التيتانيوم.

الرابعة، تطبيق الطيران من سبائك التيتانيوم

يتم استخدام سبائك التيتانيوم بشكل أساسي في مواد تصنيع الطائرات والمحركات، مثل مروحة التيتانيوم وقرص الهواء المضغوط والشفرة وغطاء المحرك وجهاز العادم وأجزاء أخرى، بالإضافة إلى إطار العوارض الكبيرة للطائرة وأجزاء الإطار الهيكلي الأخرى. تستخدم المركبات الفضائية بشكل أساسي سبائك التيتانيوم ذات القوة العالية والمقاومة للتآكل ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة لتصنيع مجموعة متنوعة من أوعية الضغط وخزانات الوقود والمثبتات وأشرطة الأدوات والإطارات وقذائف الصواريخ. تستخدم أقمار الأرض الاصطناعية والوحدة القمرية وسفن الفضاء المأهولة والمكوكات الفضائية أيضًا لحام ألواح سبائك التيتانيوم.

في عام 1950، استخدمت الولايات المتحدة في القاذفة المقاتلة F-84 كدرع حراري لجسم الطائرة الخلفي، ودرع للرياح، وقلنسوة ذيل ومكونات أخرى غير حاملة. الستينيات بداية استخدام سبائك التيتانيوم من جسم الطائرة الخلفي إلى جسم الطائرة الأوسط، جزئيًا بدلاً من تصنيع الهياكل الفولاذية للإطارات الفاصلة والحزم واللوحات وقضبان الشرائح وغيرها من المكونات الحاملة المهمة. وفي السبعينيات بدأت الطائرات المدنية في استخدام سبائك التيتانيوم بكميات كبيرة، مثل كمية التيتانيوم الموجودة في طائرة الركاب البوينغ 747 التي بلغت 3640 كيلوغراماً من التيتانيوم. أكثر من 28% من وزن الآلة. مع تطور تكنولوجيا المعالجة، في الصواريخ والأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، تم أيضًا استخدام عدد كبير من سبائك التيتانيوم.

كلما زاد عدد الطائرات، زاد استخدام التيتانيوم. US F-14مقاتل يستخدم سبائك التيتانيوم، والتي تمثل حوالي 25% من وزن الماكينة؛ F-15مقاتل بنسبة 25.8%؛ مقاتلة الجيل الرابع الأمريكية بكمية تيتانيوم تبلغ 41% من محرك F119 بكمية تيتانيوم تبلغ 39%، وتستخدم حالياً كمية تيتانيوم للطائرات العالية.

V. سبائك التيتانيوم في مجال الطيران لديها عدد كبير من الأسباب للتطبيق

الملاحة بالطائرات الحديثة وصلت سرعتها العالية إلى 2.7 ضعف سرعة الصوت. إن الطيران السريع الذي يفوق سرعة الصوت، سيجعل الطائرة والهواء تحتكاك وينتج الكثير من الحرارة. عندما تصل سرعة الطيران إلى 2.2 مرة سرعة الصوت، لا يمكن لسبائك الألومنيوم الصمود. يجب استخدام سبائك التيتانيوم المقاومة للحرارة.

عندما زادت نسبة دفع المحرك إلى الوزن من 4 إلى 6 إلى 8 إلى 10، زادت درجة حرارة مخرج الغاز المضغوط بالمقابل من 200 إلى 300 درجة إلى 500 إلى 600 درجة، وتم تصنيع أقراص وشفرات الغاز المضغوطة ذات الضغط المنخفض الأصلية يجب تغيير الألومنيوم إلى سبائك التيتانيوم.

في السنوات الأخيرة، العلماء على أداء العمل البحثي لسبائك التيتانيوم، ويحرزون تقدمًا جديدًا باستمرار. التركيب الأصلي للتيتانيوم والألومنيوم وسبائك التيتانيوم الفاناديوم، درجة حرارة العمل العالية 550 درجة ~ 600 درجة، وسبائك الألومنيوم التيتانيوم (TiAl) المطورة حديثًا، زادت درجة حرارة العمل العالية إلى 1040 درجة.

يمكن لسبائك التيتانيوم بدلاً من الفولاذ المقاوم للصدأ لتصنيع قرص وشفرة الضاغط عالي الضغط، أن تقلل من الوزن الهيكلي. يمكن للطائرة توفير 4% من الوقود مقابل كل 10% تخفيض في الوزن. بالنسبة للصواريخ، كل تخفيض بمقدار 1 كجم من الوزن يمكن أن يزيد مدى الصاروخ بمقدار 15 كم.

ستة، تحليل خصائص تصنيع سبائك التيتانيوم

بادئ ذي بدء، الموصلية الحرارية المنخفضة لسبائك التيتانيوم، فقط 1/4 من الفولاذ، والألومنيوم 1/13، والنحاس 1/25، بسبب تبديد الحرارة البطيء في منطقة القطع، لا يفضي إلى التوازن الحراري، في عملية القطع ، تأثير تبديد الحرارة والتبريد ضعيف جدًا، وسهل تشكيل درجة حرارة عالية في منطقة القطع، وتشوه الأجزاء بعد ارتداد التصنيع، مما يؤدي إلى زيادة عزم الدوران على أداة القطع، وحافة حافة التآكل السريع و انخفاض المتانة.

ثانيًا، الموصلية الحرارية المنخفضة لسبائك التيتانيوم، بحيث لا يسهل نشر حرارة القطع المتراكمة في سكين القطع بالقرب من منطقة صغيرة، ويزداد احتكاك الوجه الأمامي، وليس من السهل تقطيعه، وليس من السهل قطع الحرارة نشر وتسريع تآكل الأداة. بعد ذلك، يكون النشاط الكيميائي لسبائك التيتانيوم مرتفعًا، ومن السهل التفاعل مع مادة الأداة عند المعالجة في درجات حرارة عالية، وتشكيل الذوبان والانتشار، مما يؤدي إلى التصاق السكين، وحرق السكين، والسكين المكسور وغيرها من الظواهر.

تمت ترجمته باستخدام www.DeepL.com/Translator (نسخة مجانية)

V. سبائك التيتانيوم في مجال الطيران لديها عدد كبير من الأسباب للتطبيق

الملاحة بالطائرات الحديثة وصلت سرعتها العالية إلى 2.7 ضعف سرعة الصوت. إن الطيران السريع الذي يفوق سرعة الصوت، سيجعل الطائرة والهواء تحتكاك وينتج الكثير من الحرارة. عندما تصل سرعة الطيران إلى 2.2 مرة سرعة الصوت، لا يمكن لسبائك الألومنيوم الصمود. يجب استخدام سبائك التيتانيوم المقاومة للحرارة.

عندما زادت نسبة دفع المحرك إلى الوزن من 4 إلى 6 إلى 8 إلى 10، زادت درجة حرارة مخرج الغاز المضغوط بالمقابل من 200 إلى 300 درجة إلى 500 إلى 600 درجة، وتم تصنيع أقراص وشفرات الغاز المضغوطة ذات الضغط المنخفض الأصلية يجب تغيير الألومنيوم إلى سبائك التيتانيوم.

في السنوات الأخيرة، العلماء على أداء العمل البحثي لسبائك التيتانيوم، ويحرزون تقدمًا جديدًا باستمرار. التركيب الأصلي للتيتانيوم والألومنيوم وسبائك التيتانيوم الفاناديوم، درجة حرارة العمل العالية 550 درجة ~ 600 درجة، وسبائك الألومنيوم التيتانيوم (TiAl) المطورة حديثًا، زادت درجة حرارة العمل العالية إلى 1040 درجة.

يمكن لسبائك التيتانيوم بدلاً من الفولاذ المقاوم للصدأ لتصنيع قرص وشفرة الضاغط عالي الضغط، أن تقلل من الوزن الهيكلي. يمكن للطائرة توفير 4% من الوقود مقابل كل 10% تخفيض في الوزن. بالنسبة للصواريخ، كل تخفيض بمقدار 1 كجم من الوزن يمكن أن يزيد مدى الصاروخ بمقدار 15 كم.

ستة، تحليل خصائص تصنيع سبائك التيتانيوم

بادئ ذي بدء، الموصلية الحرارية المنخفضة لسبائك التيتانيوم، فقط 1/4 من الفولاذ، والألومنيوم 1/13، والنحاس 1/25، بسبب تبديد الحرارة البطيء في منطقة القطع، لا يفضي إلى التوازن الحراري، في عملية القطع ، تأثير تبديد الحرارة والتبريد ضعيف جدًا، وسهل تشكيل درجة حرارة عالية في منطقة القطع، وتشوه الأجزاء بعد ارتداد التصنيع، مما يؤدي إلى زيادة عزم الدوران على أداة القطع، وحافة حافة التآكل السريع و انخفاض المتانة.

ثانيًا، الموصلية الحرارية المنخفضة لسبائك التيتانيوم، بحيث لا يسهل نشر حرارة القطع المتراكمة في سكين القطع بالقرب من منطقة صغيرة، ويزداد احتكاك الوجه الأمامي، وليس من السهل تقطيعه، وليس من السهل قطع الحرارة نشر وتسريع تآكل الأداة. بعد ذلك، يكون النشاط الكيميائي لسبائك التيتانيوم مرتفعًا، ومن السهل التفاعل مع مادة الأداة عند المعالجة في درجات حرارة عالية، وتشكيل الذوبان والانتشار، مما يؤدي إلى التصاق السكين، وحرق السكين، والسكين المكسور وغيرها من الظواهر.