O ystyried rôl bwysig titaniwm mewn meysydd amddiffyn, hedfan, uwch-dechnoleg a meysydd eraill, mae'r Unol Daleithiau, Rwsia, Prydain, Ffrainc a phwerau milwrol eraill a Japan a gwledydd eraill wedi ei werthfawrogi'n fawr, ac fe'i rhestrir fel metel strwythurol strategol gydag arwyddocâd strategol yn yr 2l ganrif. Mae datblygiad gwyddoniaeth a thechnoleg titaniwm, gan gynnwys aloion newydd, technoleg toddi newydd, technoleg T newydd a thechnoleg cymhwyso, yn cael newidiadau cyflym. Mae diwydiant titaniwm Tsieina wedi profi bron i 40 mlynedd o ups and downs, gyda chefnogaeth y wladwriaeth, wedi gwneud cynnydd mawr ac wedi sefydlu ei system diwydiant titaniwm annibynnol ei hun. Yn seiliedig ar gynhyrchu 1751t o sbwng titaniwm a 2206t o ddeunyddiau titaniwm wedi'u prosesu yn Tsieina yn 2000, roedd cynhyrchu sbwng titaniwm yn Tsieina yn 49632 yn 2008, cynnydd o 27.3 gwaith mewn 8 mlynedd; Yn 2008, cynhyrchodd Tsieina 27737t o ddeunydd bwtio titaniwm, cynnydd o 11.6 gwaith.
Oherwydd cost uchel deunyddiau crai aloi titaniwm, defnyddir 70% i 80% o ddeunyddiau titaniwm tramor yn y diwydiant hedfan ac awyrofod. Mae'r galw am aloion titaniwm ym meysydd hedfan ac awyrofod Tsieina hefyd yn arbennig o fawr. Ar hyn o bryd, mae cyfran yr aloi titaniwm a ddefnyddir mewn awyrennau uwch yn Tsieina tua 10% i 12%, ac mae cyfran y titaniwm a ddefnyddir mewn awyrennau milwrol yn uwch, tua 20% i 30%, a chyfran y titaniwm a ddefnyddir mewn awyrennau milwrol peiriannau yn fwy na 30%. Mae faint o ditaniwm a ddefnyddir mewn rocedi a thaflegrau newydd hefyd yn cynyddu.
Datblygu a chymhwyso aloion titaniwm strwythurol
Gyda newid graddol cysyniad dylunio awyrennau o gryfder statig syml yn y gorffennol i ddiogelwch - bywyd, difrod - diogelwch, tan y cysyniad dylunio goddefgarwch difrod modern. Mae deunyddiau aloi titaniwm uwch hefyd yn datblygu'n raddol i gyfeiriad goddefgarwch difrod aloion titaniwm gyda chaledwch torri asgwrn uchel a chyfradd twf crac isel. Ar hyn o bryd, mae gwledydd datblygedig tramor wedi bod ar flaen y gad o ran datblygu deunyddiau aloi titaniwm goddefgarwch difrod newydd a chymhwyso awyrennau uwch, yn enwedig fel cryfder canolig Ti-6Al-4V ELI ac uchel -strength Ti-6-2222S, sydd wedi'u cymhwyso'n llwyddiannus yn yr Unol Daleithiau F-22, F-35 a C-17 ac awyrennau cenhedlaeth newydd eraill. Mae bywyd gwasanaeth ac effeithiolrwydd ymladd yr awyren wedi gwella'n fawr. Gyda datblygiad cysyniad dylunio awyrennau, mae'r syniad dylunio o oddefgarwch difrod strwythur aloi titaniwm hefyd wedi dechrau cael sylw yn Tsieina. Ers y "Degfed Cynllun Pum Mlynedd", mae Tsieina wedi datblygu'n annibynnol TC4- DT aloi titaniwm goddefgarwch difrod cryfder canolig a chaledwch uchel ac aloi titaniwm goddefgarwch difrod cryfder uchel a chaledwch uchel TC21, ac wedi sefydlu'r prosesu. technoleg aloi titaniwm goddefgarwch difrod, sydd wedi gosod y sylfaen technoleg cais materol ar gyfer datblygu awyrennau newydd yn Tsieina. Er mwyn diwallu anghenion datblygu aloion titaniwm ar gyfer strwythurau hedfan ac awyrofod, mae Tsieina wedi datblygu'n annibynnol aloion titaniwm gwifren cryfder isel a chaledwch uchel (NbTi) ac aloion pibell (TAl8), 1300 MPa i 2000 o gyfres MPa cryfder uwch-uchel. aloion titaniwm (TB8, TBl9, TB20), ac ati Mae math newydd o system deunydd aloi titaniwm ar gyfer strwythur awyrennau â nodweddion Tsieineaidd wedi'i ffurfio i ddechrau, ac mae cenhedlaeth newydd o strwythur ffrâm cais aloi titaniwm ar gyfer strwythur hedfan ac awyrofod wedi'i osod.
Mae Ti-6Al-4V(TC4) yn gryfder canolig - aloi titaniwm a ddatblygwyd yn gynnar yn y 1960au, gyda phriodweddau cynhwysfawr rhagorol, a elwir yn aloi cyffredinol, aloi titaniwm TC4 yw'r cynharaf a'r mwyaf a ddefnyddir yn eang. hedfan, strwythur awyrofod yr aloi titaniwm cyffredinol, gan gynnwys plât, bar a ffugio a castio. Mae gan yr aloi briodweddau weldio a pheiriannu da, ac mae gan yr aloi grawn mân uwchblastigedd, a gellir cynhyrchu cydrannau cymhleth trwy broses gyfuniad ffurfio / cysylltiad tryledu superplastig (SPF / DB).
Yn gyffredinol, mae aloion titaniwm strwythurol cryfder uchel yn cyfeirio at aloion â chryfder tynnol uwch na 1000MPa, sydd ar hyn o bryd yn cynrychioli'r lefel uwch ryngwladol ac yn cael cymwysiadau ymarferol mewn awyrennau, yn bennaf aloi metastable-math Ti-15-3, 321s, aloi bron-fath Ti{ Teipiwch {6}} a - -aloi titaniwm dau gam BT22. Gall disodli'r dur strwythurol cryfder uchel 30CrMnSiA a ddefnyddir yn gyffredin mewn strwythurau awyrennau ag aloi titaniwm strwythurol cryfder uchel leihau'r pwysau o fwy nag 20%.
Mae Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo(TC21) yn fath o ditaniwm dau gam cryfder uchel, caledwch uchel a goddefgarwch difrod. aloi a ddatblygwyd yn y 1970au. Mae gan yr aloi fanteision cryfder uchel, goddefgarwch difrod da, a gallu lluosogi crac gwrth-blinder rhagorol ar ôl triniaeth thermol-mecanyddol, sy'n addas ar gyfer gweithgynhyrchu cydrannau llwyth-dwyn cryfder uchel a chaledwch. Trwy ychwanegu elfen Si, mae'r aloi yn cynnal cryfder uwch ar dymheredd canolig, sy'n well na Ti-6AI-4V. Gall y daflen aloi fod yn superplastig wedi'i ffurfio ar dymheredd yr ystafell.
Mae Ti-10V-2Fe-3Al(TB6) yn gryfder uchel a chaledwch uchel ger aloi titaniwm math a ddatblygwyd ar ddiwedd y 1970au. Mae gan yr aloi fanteision cryfder penodol uchel, caledwch torri esgyrn da, ardal diffodd fawr, anisotropi bach, perfformiad meithrin da a gwrthiant cyrydiad cryf, ac mae ganddo lawer o fanteision aloi titaniwm metastable heb golled (nodweddion datrysiad solet aloi titaniwm IT-B, gall cwrdd ag anghenion dylunio goddefgarwch difrod a manteision strwythurol uchel, dibynadwyedd uchel a gofynion cost isel, y tymheredd gweithredu uchaf o 320 gradd Prif gynhyrchion yr aloi yw bariau, gofaniadau, platiau trwchus a phroffiliau Gellir cyflawni gwydnwch torri asgwrn trwy driniaeth wres toddiant a heneiddio, sy'n addas ar gyfer gweithgynhyrchu rhannau strwythurol â gofynion uchel ar gyfer cryfder a chaledwch torri asgwrn Gellir cael caledwch rhagorol a chyfradd twf crac isel trwy driniaeth thermomecanyddol, sy'n addas ar gyfer strwythurau sydd angen toriad uchel caledwch.
Datblygu a chymhwyso aloion titaniwm tymheredd uchel
Mae cryfder thermol a chryfder penodol uchel wedi'u defnyddio'n helaeth mewn peiriannau aero. Defnyddir aloi titaniwm tymheredd uchel yn bennaf mewn cefnogwyr a chywasgwyr aeroengines, megis disgiau cywasgydd, llafnau, llywwyr, modrwyau cysylltu ac yn y blaen. Gall defnyddio aloi titaniwm yn lle'r superalloy gwreiddiol sy'n seiliedig ar nicel leihau pwysau'r cywasgydd 30% i 35%. Mae cyfran y defnydd o ditaniwm mewn peiriannau aero datblygedig tramor wedi cyrraedd 25 ~ 39%, fel y defnydd aloi titaniwm o injan F100 yn cyfrif am 25% o gyfanswm pwysau'r injan, injan V2500 yw 31%, injan F119 yw 39%. Mae anghenion datblygu peiriannau aero perfformiad uchel yn tynnu datblygiad aloi titaniwm tymheredd uchel, cynyddodd y defnydd o dymheredd yn raddol o'r 1950au i'r aloi Ti-6Al{-4V a gynrychiolir gan 400 gradd i aloi IML834 cynrychioli gan 600 gradd. Yn uwch na 600 gradd, y gostyngiad sydyn mewn ymwrthedd creep a gwrthiant ocsideiddio tymheredd uchel yw'r ddau brif rwystr sy'n cyfyngu ar ddatblygiad aloion titaniwm i dymheredd uwch. Felly, ystyrir mai 600 gradd C yw'r tymheredd "rhwystr thermol" ar gyfer datblygu aloion titaniwm.
Dros y blynyddoedd, er mwyn diwallu anghenion peiriannau aero perfformiad uchel, mae Ewrop, yr Unol Daleithiau, Rwsia a gwledydd datblygedig eraill yn y diwydiant hedfan yn rhoi pwys mawr ar ymchwil a datblygu aloi titaniwm tymheredd uchel, wedi datblygu lefel uchel. aloi titaniwm tymheredd a ddefnyddir mewn 350 ~ 600 gradd. Datblygodd yr hen Undeb Sofietaidd BT6, BT3-l, BT8, BT9 a graddau eraill o aloion titaniwm ar ddiwedd y 1950au, a datblygwyd aloion BTl8 a BT25 yn y 1960au a'r 1970au. Ers hynny, er mwyn gwella perfformiad a bywyd gwaith aloion titaniwm tymheredd uchel, mae BTl8y, BT25y, BT8M, BT8-1 a BT8M-1 a graddau eraill o aloion titaniwm tymheredd uchel wedi'u gwella. ar sail yr aloion gwreiddiol.
Yn y blynyddoedd diwethaf, datblygwyd aloi titaniwm BT36, yn y drefn honno, ar gyfer HK8, IIC90A a pheiriannau eraill. Yn yr un modd, bydd yr Unol Daleithiau hefyd yn defnyddio Ti64, Ti811, Ti6242 ac aloion titaniwm eraill yn JT90, F-110 a pheiriannau datblygedig eraill. Dangosir prif ddangosyddion technegol aloion titaniwm tymheredd uchel nodweddiadol yn Nhabl 2.
Mae datblygiad aloi titaniwm tymheredd uchel Rwsia yn berffaith ac yn aeddfed iawn, gan ffurfio set gyflawn o system aloi titaniwm. Mae dwy neu dri gradd aloi titaniwm tymheredd uchel dewisol ar lefel tymheredd penodol, megis yr aloion y gellir eu defnyddio ar 500 gradd yw BT8, BT9 a BT8-1,550 gradd yw BT25 a BT25y, a 600 gradd yw BTl8y a BT36. Mae Rwsia yn argymell BT25y ar gyfer y disgiau roulette a llafnau rotor a ddefnyddir ar 450-550 gradd C mewn cywasgwyr pwysedd uchel aero-injan, a BTl8y ar gyfer y disgiau roulette a ddefnyddir yn 550-600 't3. Er bod y BT36 wedi'i ddatblygu, nid yw'n ymddangos iddo gael y sylw cyfatebol. Mae Tsieina wedi cyflwyno cynhyrchiad Rwsia o blatiau aloi a bariau BT36, ar ôl dadansoddi, mae yna lawer o wahanu cydrannau ar y platiau aloi a'r bariau, nid yw problem cyfansoddiad unffurfiaeth wedi'i datrys yn dda, ac nid yw ei berfformiad tymheredd uchel wedi cyrraedd y lefel aloi IML834.
Mae aloi titaniwm tymheredd uchel Prydain wedi datblygu'r mwyaf aeddfed, gyda'i system annibynnol ei hun, gan ffurfio cyfres aloi titaniwm a ddefnyddir ar dymheredd gwahanol. Hyd yn hyn, aloi IML685 yw'r un a ddefnyddir fwyaf a'r nifer fwyaf o aloion titaniwm tymheredd uchel yn y DU, megis injan cyfres RB211, injan RBl99, injan Adour ac injan M53. Defnyddir yr aloi IML829 yng nghywasgydd pwysedd uchel yr injan RB211-535C. Mae'r disg llwyfan cefn 3-, y drwm a'r echel gefn wedi'u hintegreiddio â weldio trawst electron, sy'n disodli'r deunydd aloi sy'n seiliedig ar nicel ar RB211-535C, gan leihau pwysau'r rotor 30%. Mae datblygiad llwyddiannus aloi IMl834 wedi darparu cefnogaeth dechnegol gadarn ar gyfer rhai peiriannau perfformiad uchel, er nad yw'r amser datblygu yn hir, ond fe'i profwyd a'i gymhwyso ar amrywiaeth o beiriannau, megis detholiad awyrennau Boeing 777 o injan sifil fawr. Trent700 (Tyrbulence), Mae holl olwynion, drymiau a siafftiau cefn y cywasgydd pwysedd uchel wedi'u gwneud o aloi IML834 ac yn cael eu weldio gyda'i gilydd gan broses weldio trawst electron. Y Trent700 yw'r injan sifil newydd gyntaf i ddefnyddio rotor cywasgydd pwysedd uchel holl-titaniwm, sy'n lleihau pwysau'r injan yn sylweddol, ac mae rotor cywasgydd pwysedd uchel yr injan EJ200 hefyd yn defnyddio aloi Iml834. Mae'r IML834 hefyd yn cael ei ddefnyddio ar injan Pratt & Whitney PW350.
Mae datblygiad aloion titaniwm tymheredd uchel yn yr Unol Daleithiau hefyd yn gymharol aeddfed, a'r aloion mwyaf a ddefnyddir yn yr injan yn bennaf yw Ti-6Al-4V a Ti-6242S.
Mae aloi Ti-1100 yn seiliedig ar gyfansoddiad aloi Ti-6242S, trwy addasu cynnwys elfennau Al, Sn, Mo a Si, cynyddir tymheredd defnydd uchaf yr aloi i 600 gradd. Deellir bod yr aloi Ti-1 100 wedi'i ddefnyddio i gynhyrchu disgiau cywasgydd pwysedd uchel a llafnau tyrbin gwasgedd isel o injan wedi'i haddasu gan T{55-712 Lycoming.
Mae datblygu aloion titaniwm yn Tsieina yn bennaf i gymryd y llwybr dynwared, megis aloi TC11 sy'n cyfateb i aloi BT9, TA11, TA19, TC17, sy'n cyfateb i radd yr Unol Daleithiau yw Ti-811, Ti-6242 S a Ti-17. Yn ystod y 2 flynedd ddiwethaf, mae Tsieina wedi dechrau dilyn llwybr hunan-ddatblygiad wrth efelychu, megis aloi titaniwm tymheredd uchel TA12(Ti-55), gan ychwanegu elfen daear prin Nd; Ar sail aloi TAl2, mae cynnwys Al, Sn a Si yn cael ei gynyddu'n briodol mewn aloi Ti-60, sy'n gwella ymhellach eiddo ymgripiad tymheredd uchel a chryfder yr aloi, ac yn gwneud tymheredd gwasanaeth yr aloi yn cyrraedd. 600 gradd. Paratowyd aloi titaniwm tymheredd uchel 550 gradd Ti-633G trwy ychwanegu elfen daear prin Gd ar sail aloi IML829 o Brydain. Yn ddiweddar, ar sail Ti-1100 aloi, ychwanegwyd tua 0.1Y a'i enwi'n Ti-600.
Datblygu a chymhwyso aloi titaniwm tymheredd isel
Mae rhannau strwythurol a ddefnyddir ar dymheredd isel yn gofyn am blastigrwydd da, dargludedd thermol isel ac eiddo prosesu rhagorol wrth gynnal cryfder penodol. Mae deunyddiau strwythurol tymheredd isel gartref a thramor yn bennaf yn ddur di-staen, aloi alwminiwm, aloi titaniwm ac aloi sy'n seiliedig ar nicel. Mae gan aloi titaniwm briodweddau cynhwysfawr da ar dymheredd isel, ac mae gwledydd ledled y byd wedi'i werthfawrogi'n eang ers blynyddoedd lawer. Ar dymheredd isel, mae cryfder cynnyrch aloi titaniwm yn cynyddu'n sylweddol, sydd tua 3 i 6 gwaith yn fwy na dur di-staen austenitig. Fodd bynnag, mae'r caledwch torri asgwrn yn gostwng gyda'r gostyngiad mewn tymheredd, tua 0.25 i 0.5 o ddur di-staen austenitig. Oherwydd bod dwysedd aloi titaniwm yn llawer llai na dur di-staen, ac ar dymheredd isel, mae'r dargludedd thermol yn isel, mae'r cyfernod ehangu yn fach, ac nid yw'n magnetig, fe'i defnyddir fel deunydd peirianneg tymheredd isel pwysig. ym meysydd awyrofod ac uwchddargludedd.
aloi titaniwm gyda strwythur gwenyn ar dymheredd isel a metelau ciwbig eraill sy'n canolbwyntio ar y corff, mae ei dymheredd pontio plastig-brau (TPR) yn uchel, wrth i'r tymheredd ostwng, mae'r caledwch plastig yn lleihau, yn gyffredinol ni ellir ei ddefnyddio ar dymheredd isel. Yn gyffredinol, mae TPR aloion titaniwm ac aloion bron yn isel iawn, ac mae plastigrwydd da ar dymheredd isel, felly mae rhai o'r aloion titaniwm tymheredd isel a gydnabyddir yn rhyngwladol yn perthyn yn y bôn i aloion titaniwm ac yn agos atynt. Ymhlith - aloion titaniwm, gellir defnyddio aloion titaniwm sy'n cynnwys llai, megis Ti-6Al-4V ELI, yn dda hefyd ar dymheredd hydrogen hylifol (22 K). Mae aloion titaniwm pur a -titaniwm fel Ti-5Al-2.5Sn ELl yn ddeunyddiau strwythurol tymheredd isel delfrydol ar dymheredd heliwm hylifol (4.2 K), ond rhaid rheoli amhureddau heblaw'r cyfansoddiad aloi, yn enwedig cynnwys ocsigen a haearn. Mae'r cynnydd mewn cydrannau haearn ac ocsigen yn gwneud y deunydd titaniwm yn frau ar dymheredd isel, ac mae'r cynnydd mewn elfennau sefydlog cyfnod megis haearn a manganîs yn arwain yn hawdd at embrittlement rhicyn.
Mae'r hen Undeb Sofietaidd wedi bod yn lefel flaenllaw yn y byd o ran datblygu a chymhwyso aloion titaniwm tymheredd isel, a'i ddatblygiad cynnar o aloion titaniwm OT4, OT4-L, BT5-1KT, TT{ {5}}Mae BKT ac aloion eraill wedi cael eu defnyddio'n helaeth mewn offer rocedi gofod. Cynyddodd cryfder yr aloion hyn i 1400 MPa ar 2 K, tra arhosodd yr elongation yn uwch na 10%. Mae'r aloion titaniwm tymheredd isel a ddatblygwyd ac a ddefnyddiwyd yn yr Unol Daleithiau yn bennaf yn cynnwys Ti-5Al-2.5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti -6Al-3Nb-2Zr ac aloion titaniwm tymheredd isel eraill.
Dechreuodd Tsieina wrth ddatblygu a chymhwyso aloi titaniwm tymheredd isel na'r Unol Daleithiau a Rwsia yn ddiweddarach, mae Tsieina wedi cynnal y prawf perfformiad tymheredd isel aloi titaniwm TA7, TC1, TC4 presennol ac ymchwil cymhwyso, yn y "nawfed Cynllun Pum Mlynedd " cyfnod a ddatblygwyd yn addas ar gyfer system biblinell tymheredd isel o aloion titaniwm, system aloi yw Ti-Al-Zr, Ti-A 1-Zr-Mo. Ti-AIL-Sn-Mo, Ti-Al-Zr-Sn-Mo, ac ati.
Datblygu a chymhwyso aur bwrdd titaniwm ar gyfer rhannau tynn
Mae cymhwyso caewyr aloi titaniwm dramor wedi bod yn gyffredin iawn, ac mae gwahanol glymwyr newydd yn parhau i ymddangos. Cost sifil mawr caewyr aloi titaniwm sengl gyfystyr â channoedd o filoedd o ddarnau. O dan yr un mynegai cryfder, mae caewyr titaniwm 70% yn ysgafnach na'r màs o ddur, ac mae cryfder blinder aloi titaniwm a sensitifrwydd i grynodiad straen yn well na defnyddiau tebyg o ddur, mewn amrywiaeth o stribedi tywydd gyda sefydlogrwydd cyrydiad uchel, felly mae'r cais o gylchoedd tynn titaniwm ar gyfer offer hedfan yn bwysig iawn.
Datblygiad aloi titaniwm clymwr
Defnyddir caewyr aloi titaniwm yn bennaf mewn tri math o ddeunyddiau: mae'r math cyntaf yn gyfwerth â Mo isel - aloi dau gam math, megis Ti-6Al-4V; Yr ail gategori yw aloion metasefydlog, gan gynnwys III, Ti-44.5Nb, Ti-15-3 yn yr Unol Daleithiau a TB2, TB3 a TB8 yn Tsieina; Y trydydd dosbarth yw cyfansoddiad subcritical - aloion dau gam math, fel BT16l Rwsia. Mae'r tabl canlynol yn dangos nodweddion deunyddiau clymwr aloi titaniwm.
Mae Ti{{0}}Al-4V yn gyfwerth â Mo isel - aloi dau gam gyda'r cyfernod sefydlogrwydd isaf (dim ond 0.27) a'r cyfwerth alwminiwm uchaf (hyd at 6) o'r tri aloi . Felly dim ond 7% (ffracsiwn cyfaint) yw cynnwys y cyfnod beta yn y cyflwr annealed. Ei fanteision yw'r dwysedd isaf, y cryfder a'r perfformiad blinder gorau, y cyfansoddiad symlaf, a chost isaf cynhyrchion lled-orffen. Fodd bynnag, oherwydd nad yw plastigrwydd tymheredd yr ystafell yn ddigon uchel, mae angen defnyddio anwythiad wrth brosesu caewyr
