Aliajul de titan se referă la o varietate de aliaje de metale din titan și alte metale. Titanul este un metal structural important dezvoltat în anii 1950. Aliajul de titan are rezistență ridicată, rezistență bună la coroziune și rezistență ridicată la căldură. În anii 1950 și 1960, accentul principal a fost pe dezvoltarea aliajelor de titan la temperatură înaltă pentru motoarele de avioane și a aliajelor structurale de titan pentru fuzelaje.
În anii 1970, a fost dezvoltat un lot de aliaje de titan rezistente la coroziune. Începând cu anii 1980, aliajele de titan rezistente la coroziune și aliajele de titan de înaltă rezistență au fost dezvoltate în continuare. Aliajele de titan sunt utilizate în principal pentru fabricarea pieselor de compresoare ale motoarelor de aeronave, urmate de rachete, rachete și piese structurale de avioane de mare viteză.
Titanul este un metal structural important dezvoltat în anii 1950. Aliajele de titan sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii datorită rezistenței lor ridicate, rezistenței bune la coroziune și rezistenței ridicate la căldură. Multe țări din lume au recunoscut importanța materialelor din aliaje de titan și au efectuat succesiv cercetări și dezvoltare asupra acestora și au obținut aplicații practice.
Primul aliaj practic de titan a fost aliajul Ti-6Al{-4V dezvoltat cu succes în Statele Unite în 1954. Datorită rezistenței sale bune la căldură, rezistență, plasticitate, tenacitate, formabilitate, sudabilitate, rezistență la coroziune și biocompatibilitate, a devenit aliajul as din industria aliajelor de titan. Utilizarea acestui aliaj a reprezentat 75% până la 85% din toate aliajele de titan. Multe alte aliaje de titan pot fi considerate modificări ale aliajului de Ti-6Al{-4V.
În anii 1950 și 1960, dezvoltarea aliajelor de titan la temperatură înaltă pentru motoarele de avioane și a aliajelor structurale de titan pentru fuzelaje a fost principalul obiectiv. În anii 1970, au fost dezvoltate o serie de aliaje de titan rezistente la coroziune. Începând cu anii 1980, aliajele de titan rezistente la coroziune și aliajele de titan de înaltă rezistență au fost dezvoltate în continuare. Temperatura de utilizare a aliajelor de titan rezistente la căldură a crescut de la 400 de grade în anii 1950 la 600-650 grade în anii 1990. Apariția aliajelor pe bază de A2 (Ti3Al) și r (TiAl) a împins utilizarea titanului în motor de la capătul rece (ventilator și compresor) al motorului până la capătul fierbinte (turbina) al motorului. Aliajele structurale de titan se dezvoltă spre rezistență ridicată, plasticitate ridicată, rezistență și tenacitate ridicate, modul înalt și toleranță ridicată la deteriorare.
În plus, începând cu anii 1970, aliajele cu memorie de formă precum Ti-Ni, Ti-Ni-Fe și Ti-Ni-Nb au apărut și au fost utilizate pe scară largă în inginerie.
Există sute de aliaje de titan dezvoltate în lume, iar cele mai cunoscute aliaje sunt de la 20 la 30, cum ar fi Ti-6Al-4V, Ti-5Al{-2. 5Sn, Ti-2Al{-2.5Zr, Ti-32Mo, Ti-Mo-Ni, Ti-Pd, SP-700, Ti-6242, Ti -10-5-3, Ti-1023, BT9, BT20, IMI829, IMI834 etc. [2,4].
Conform statisticilor relevante, cantitatea de titan folosită în industria chimică a țării mele a atins 25,000 tone în 2012, ceea ce a reprezentat o scădere față de 2011. Aceasta este prima dată când piața chimică a titanului din țara mea a cunoscut o creștere negativă de când 2009. În ultimii ani, industria chimică a fost cel mai mare utilizator de materiale de prelucrare a titanului, iar utilizarea sa a reprezentat întotdeauna mai mult de 50% din utilizarea totală a titanului, iar în 2011 a reprezentat până la 55%. Cu toate acestea, pe măsură ce economia a căzut într-o recesiune, industria chimică nu numai că a înregistrat o reducere semnificativă a noilor proiecte, ci se va confrunta și cu o restructurare industrială, cu noua capacitate de producție pentru unele produse fiind controlată și capacitatea de producție învechită fiind eliminată treptat. Afectată de acest lucru, utilizarea în scădere a materialelor de prelucrare a titanului a devenit o chestiune desigur. Înainte de aceasta, oamenii din industrie au prezis că utilizarea titanului în industria chimică va atinge vârful între 2013 și 2015. Judecând după performanța actuală a pieței, slăbiciunea economică generală din 2012 ar putea duce la scăderea utilizării titanului în industria chimică.
Titanul este un nou tip de metal. Performanța titanului este legată de conținutul de impurități precum carbonul, azotul, hidrogenul și oxigenul. Cea mai pură iodură de titan are un conținut de impurități de cel mult 0,1%, dar are rezistență scăzută și plasticitate ridicată. Proprietățile titanului pur industrial 99,5% sunt: densitatea ρ=4.5g/cm3, punctul de topire 1725 grade , conductivitate termică λ{=15.24W/(mK), rezistența la tracțiune σb{=539 MPa, alungire δ=25%, contracție în secțiune transversală ψ=25%, modul elastic E{=1,078×105MPa, duritate HB195.
Rezistență ridicată: densitatea aliajului de titan este în general de aproximativ 4,51 g/cm3, ceea ce reprezintă doar 60% din oțel. Unele aliaje de titan de înaltă rezistență depășesc rezistența multor oțeluri structurale aliate. Prin urmare, rezistența specifică (rezistența/densitatea) aliajului de titan este mult mai mare decât cea a altor materiale structurale metalice și pot fi produse piese cu rezistență unitară mare, rigiditate bună și greutate redusă. Componentele motoarelor de aeronave, scheletele, învelișurile, elementele de fixare și trenul de aterizare folosesc toate aliaje de titan.
Rezistenta termica ridicata
Temperatura de funcționare este cu câteva sute de grade mai mare decât cea a aliajului de aluminiu. Poate menține în continuare rezistența necesară la temperatură medie și poate funcționa mult timp la 450-500 grade . Aceste două tipuri de aliaje de titan au încă o rezistență specifică ridicată în intervalul de 150 de grade -500 grade, în timp ce rezistența specifică a aliajului de aluminiu scade semnificativ la 150 de grade. Temperatura de lucru a aliajului de titan poate ajunge la 500 de grade, în timp ce cea a aliajului de aluminiu este sub 200 de grade.
Rezistență bună la coroziune
Aliajul de titan funcționează în atmosferă umedă și mediu cu apă de mare, iar rezistența sa la coroziune este mult mai bună decât cea a oțelului inoxidabil; are rezistență deosebit de puternică la pitting, coroziune acidă și coroziune prin stres; are o rezistență excelentă la coroziune la alcalii, cloruri, substanțe organice clor, acid azotic, acid sulfuric etc. Cu toate acestea, titanul are o rezistență slabă la coroziune la reducerea oxigenului și a sărurilor de crom.
Performanță bună la temperaturi scăzute
Aliajul de titan își poate menține în continuare proprietățile mecanice la temperaturi scăzute și ultra-scăzute. Aliajele de titan cu performanțe bune la temperaturi scăzute și elemente interstițiale extrem de scăzute, cum ar fi TA7, pot menține în continuare o anumită plasticitate la -253 grade . Prin urmare, aliajul de titan este, de asemenea, un material structural important la temperatură joasă.
Activitate chimică ridicată
Titanul are activitate chimică mare și reacționează puternic cu O2, N2, H2, CO, CO2, vapori de apă, amoniac etc. din atmosferă. Când conținutul de carbon este mai mare de 0.2%, TiC dur se va forma în aliajul de titan; când temperatura este ridicată, va forma și un strat de suprafață dur de TiN atunci când reacţionează cu N; peste 600 grade, titanul absoarbe oxigenul pentru a forma un strat întărit cu duritate mare; când conținutul de hidrogen crește, se va forma și un strat fragil. Adâncimea stratului de suprafață dur și casant produs prin absorbția gazului poate ajunge la 0,1-0,15 mm, iar gradul de întărire este de 20%-30%. Titanul are, de asemenea, afinitate chimică mare și este predispus la aderență cu suprafața de frecare.
Elasticitate scăzută a conductibilității termice
Conductivitatea termică a titanului este λ=15.24W/(m·K), care este aproximativ 1/4 de nichel, 1/5 de fier și 1/14 de aluminiu, în timp ce conductivitatea termică a diferitelor titani aliajele este cu aproximativ 50% mai mică decât cea a titanului. Modulul elastic al aliajului de titan este de aproximativ 1/2 din cel al oțelului, deci are o rigiditate slabă și este ușor de deformat. Nu este potrivit pentru realizarea de tije subțiri și piese cu pereți subțiri. Recuperarea suprafeței prelucrate în timpul tăierii este foarte mare, de aproximativ 2 până la 3 ori mai mare decât cea a oțelului inoxidabil, provocând frecare severă, aderență și uzură de lipire pe partea din spate a sculei.
Aliajul de titan are rezistență ridicată și densitate scăzută, proprietăți mecanice bune și rezistență bună și rezistență la coroziune. În plus, aliajul de titan are performanțe slabe de proces și este dificil de tăiat. În timpul procesării la cald, este foarte ușor să absorbiți impurități precum hidrogenul, oxigenul, azotul și carbonul. Are, de asemenea, rezistență slabă la uzură și procese de producție complexe. Producția industrială a titanului a început în 1948. Nevoile dezvoltării industriei aviației au dus la dezvoltarea industriei titanului la o rată medie anuală de creștere de aproximativ 8%. Producția anuală de materiale de prelucrare a aliajelor de titan în lume a atins peste 40 de 000 tone și există aproape 30 de tipuri de aliaje de titan. Cele mai utilizate aliaje de titan sunt Ti-6Al{-4V (TC4), Ti{-5Al{-2.5Sn (TA7) și titanul pur industrial (TA1, TA2 și TA3).
Aliajele de titan sunt utilizate în principal pentru fabricarea pieselor de compresoare ale motoarelor de aeronave, urmate de rachete, rachete și piese structurale de avioane de mare viteză. La mijlocul-1960sului, titanul și aliajele sale erau folosite în industria generală pentru a face electrozi pentru industria electrolizei, condensatoare pentru centrale electrice, încălzitoare pentru rafinarea petrolului și desalinizarea apei de mare și dispozitive de control al poluării mediului. Titanul și aliajele sale au devenit un material structural rezistent la coroziune. În plus, ele sunt folosite și pentru a produce materiale de stocare a hidrogenului și aliaje cu memorie de formă.
China a început cercetările privind titanul și aliajele de titan în 1956; la mijlocul-1960s-ului, a început producția industrială de materiale de titan și au fost dezvoltate aliaje TB2.
Aliajul de titan este un nou material structural important folosit în industria aerospațială. Greutatea sa specifică, rezistența și temperatura de funcționare sunt între aluminiu și oțel, dar este mai puternic decât aluminiul și oțelul și are o rezistență excelentă la coroziune în apă de mare și performanță la temperaturi ultra-scăzute. În 1950, Statele Unite l-au folosit pentru prima dată pe avionul de vânătoare-bombardament F-84 ca componente neportante, cum ar fi scuturi termice pentru fuzelaj din spate, capace de ghidare a vântului și capace de coadă. Începând cu anii 1960, utilizarea aliajelor de titan s-a mutat de la fuzelajul din spate la fuzelajul mijlociu și a înlocuit parțial oțelul structural pentru a produce componente importante portante, cum ar fi pereții etanși, grinzile și șinele clapete. Utilizarea aliajelor de titan în aeronavele militare a crescut rapid, ajungând la 20% până la 25% din greutatea structurii aeronavei. Din anii 1970, aeronavele civile au început să folosească aliaje de titan în cantități mari. De exemplu, aeronava de pasageri Boeing 747 folosește mai mult de 3.640 de kilograme de titan. Avioanele cu numere Mach mai mari de 2,5 folosesc titan în principal pentru a înlocui oțelul pentru a reduce greutatea structurală. De exemplu, aeronava de recunoaștere SR-71 de mare altitudine și de mare viteză din SUA (numărul Mach de zbor 3, altitudinea de zbor de 26.212 metri), titanul reprezintă 93% din greutatea structurii aeronavei, cunoscută sub numele de „toate aeronave din titan. Când raportul tracțiune-greutate al unui motor de avion crește de la 4-6 la 8-10, iar temperatura de ieșire a compresorului crește de la 200-300 grade la 500-600 grade , discurile și paletele compresoarelor de presiune realizate inițial din aluminiu trebuie înlocuite cu aliaje de titan, sau aliaje de titan trebuie utilizate în loc de oțel inoxidabil pentru a face discuri și palete de compresor de înaltă presiune pentru a reduce greutatea structurii. În anii 1970, cantitatea de aliaj de titan folosită în motoarele de avioane reprezenta în general 20% până la 30% din greutatea totală a structurii și era folosită în principal pentru fabricarea pieselor compresoarelor, cum ar fi ventilatoare forjate din titan, discuri și palete de compresor, turnate. carcase compresoare de titan, carcase intermediare, carcase de rulmenți etc. Navele spațiale folosesc în principal rezistența specifică ridicată, rezistența la coroziune și rezistența la temperatură scăzută a aliajelor de titan pentru a fabrica diverse recipiente sub presiune, rezervoare de combustibil, elemente de fixare, curele de instrumente, rame și carcase de rachetă. Sateliții de pământ artificial, modulele lunare, navele spațiale cu echipaj și navetele spațiale folosesc, de asemenea, piese sudate din aliaj de titan.
Tăierea, găurirea și filetarea aliajului de titan au cerințe deosebit de ridicate pentru sculele de tăiere, burghiele de prelucrare a găurilor și robinete de filet: Când duritatea aliajului de titan este mai mare decât HB350, tăierea este deosebit de dificilă. Când este mai mică de HB300, este ușor să lipiți de unealtă și, de asemenea, este dificil de tăiat. Cu toate acestea, duritatea aliajului de titan este doar un aspect al dificultății de tăiere. Cheia constă în influența cuprinzătoare a proprietăților chimice, fizice și mecanice ale aliajului de titan în sine asupra procesabilității sale de tăiere. Aliajul de titan are următoarele caracteristici de tăiere:
(1) Coeficient de deformare mic: Aceasta este o caracteristică semnificativă a tăierii aliajului de titan. Coeficientul de deformare este mai mic sau aproape de 1. Distanța de frecare de alunecare a așchiei pe muchia frontală de tăiere este mult crescută, ceea ce accelerează uzura sculei.
(2) Temperatură ridicată de tăiere: Deoarece conductivitatea termică a aliajului de titan este foarte mică (echivalent doar cu 1/5 până la 1/7 din oțel 45), lungimea de contact dintre așchiu și muchia frontală de tăiere este extrem de scurtă. Căldura generată în timpul tăierii nu este ușor de transmis și este concentrată într-un interval mic în apropierea zonei de tăiere și a muchiei de tăiere. Temperatura de tăiere este foarte ridicată. În aceleași condiții de tăiere, temperatura de tăiere poate fi mai mult de două ori mai mare decât cea a oțelului de tăiere 45.
(3) Forță mare de tăiere pe unitate de suprafață: Forța principală de tăiere este cu aproximativ 20% mai mică decât cea la tăierea oțelului. Deoarece lungimea de contact dintre așchiu și muchia frontală de tăiere este extrem de scurtă, forța de tăiere pe unitate de suprafață de contact este mult crescută, ceea ce este ușor de cauzat așchierea. În același timp, datorită modulului elastic mic al aliajului de titan, este ușor să se producă deformare la îndoire sub acțiunea forței radiale în timpul procesării, provocând vibrații, crescând uzura sculei și afectând precizia pieselor. Prin urmare, sistemul de proces ar trebui să aibă o rigiditate bună.
(4) Fenomen sever de întărire la rece: datorită activității chimice ridicate a titanului, este ușor să absorbiți oxigenul și azotul din aer pentru a forma o piele exterioară tare și fragilă la temperatură de tăiere ridicată; în același timp, deformarea plastică în timpul tăierii va provoca și întărirea suprafeței. Fenomenul de întărire la rece nu numai că reduce rezistența la oboseală a pieselor, dar și agravează uzura sculei. Este o caracteristică foarte importantă atunci când tăiați aliajul de titan.
(5) Instrumentul este ușor de purtat: după prelucrarea semifabricatului prin ștanțare, forjare, laminare la cald și alte metode, se formează o piele exterioară neuniformă tare și fragilă, care este foarte ușor de cauzat ciobirea, făcând îndepărtarea pielii dure. cel mai dificil proces în prelucrarea aliajelor de titan. În plus, datorită afinității chimice puternice a aliajului de titan față de materialele sculei, în condițiile unei temperaturi ridicate de tăiere și a unei forțe mari de tăiere pe unitate de suprafață, unealta este predispusă la uzura adezivului. La strunjirea aliajului de titan, uzura muchiei de tăiere din față este uneori chiar mai gravă decât cea a muchiei de tăiere din spate; când viteza de avans f<0.1 mm/r, the wear mainly occurs on the back cutting edge; when f>{{0}}.2 mm/r, muchia de tăiere din față va fi uzată; la folosirea sculelor din carbură pentru strunjire fină și semifinisare, uzura tăișului din spate este mai potrivită atunci când VBmax este mai mică de 0,4 mm.
La frezare, din cauza conductibilității termice scăzute a materialelor din aliaj de titan și a lungimii de contact extrem de scurte dintre așchii și muchia frontală de tăiere, căldura generată în timpul tăierii nu este ușor de transmis și este concentrată într-un interval mic în apropierea tăierii. zona de deformare și muchia de tăiere. În timpul prelucrării, muchia de tăiere va genera temperaturi de tăiere extrem de ridicate, ceea ce va scurta foarte mult durata de viață a sculei. Pentru aliajul de titan Ti6Al4V, în condițiile pe care le permit rezistența sculei și puterea mașinii-unelte, nivelul temperaturii de tăiere este factorul cheie care afectează durata de viață a sculei, nu dimensiunea forței de tăiere.
Materiale pentru scule
Tăierea aliajelor de titan ar trebui să înceapă de la reducerea temperaturii de tăiere și reducerea aderenței. Trebuie selectate materiale de scule cu duritate roșie bună, rezistență mare la îndoire, conductivitate termică bună și afinitate slabă cu aliajele de titan. Carbura cimentată YG este mai potrivită. Deoarece oțelul de mare viteză are o rezistență scăzută la căldură, uneltele din carbură cimentată trebuie folosite cât mai mult posibil. Materialele utilizate în mod obișnuit pentru scule din carbură cimentată includ YG8, YG3, YG6X, YG6A, 813, 643, YS2T și YD15.
Lamele acoperite și carburile cimentate de tip YT vor avea o afinitate puternică cu aliajele de titan, agravând uzura de lipire a sculei și nu sunt potrivite pentru tăierea aliajelor de titan; pentru unelte complexe, cu mai multe tăișuri, oțel de mare viteză cu vanadiu (cum ar fi W12Cr4V4Mo), oțel rapid de mare cobalt (cum ar fi W2Mo9Cr4VCo8) sau oțel rapid din aluminiu (cum ar fi W6Mo5Cr4V2Al, M10Mo4Cr4V3Al) și alte materiale pentru scule pot fi selectate, care sunt potrivite pentru realizarea de burghie, alezoare, freze, broșe, robinete și alte unelte pentru tăierea aliajelor de titan.
Utilizarea diamantului și a nitrurii de bor cubice ca instrumente pentru tăierea aliajelor de titan poate obține rezultate semnificative. De exemplu, folosind unelte cu diamant natural în condiții de răcire a emulsiilor, viteza de tăiere poate ajunge la 200 m/min; dacă nu se utilizează lichid de tăiere, viteza de tăiere admisă este de numai 100 m/min la aceeași cantitate de uzură.
Precauții
În timpul procesului de tăiere a aliajului de titan, trebuie remarcate următoarele aspecte:
(1) Datorită modulului elastic mic al aliajului de titan, deformarea prin strângere și deformarea la stres a piesei de prelucrat în timpul procesării sunt mari, ceea ce va reduce precizia de prelucrare a piesei de prelucrat; forța de strângere nu trebuie să fie prea mare la instalarea piesei de prelucrat, iar suportul auxiliar poate fi adăugat dacă este necesar.
(2) Dacă se utilizează fluid de tăiere care conține hidrogen, acesta se va descompune și elibera hidrogen la temperatură ridicată în timpul procesului de tăiere, care va fi absorbit de titan și va provoca fragilizarea hidrogenului; poate provoca, de asemenea, fisurarea prin coroziune la stres la temperaturi ridicate a aliajului de titan.
(3) Clorurile din fluidul de tăiere pot, de asemenea, descompune sau volatiliza gazele toxice în timpul utilizării. La utilizarea acestuia trebuie luate măsuri de protecție de siguranță, altfel nu ar trebui folosit; după tăiere, piesele trebuie curățate temeinic cu un agent de curățare fără clor la timp pentru a îndepărta reziduurile care conțin clor.
(4) Este interzisă folosirea sculelor și dispozitivelor de fixare din plumb sau aliaje pe bază de zinc pentru a contacta aliajele de titan. De asemenea, sunt interzise cuprul, staniul, cadmiul și aliajele acestora.
(5) Toate uneltele, dispozitivele de fixare sau alte dispozitive care vin în contact cu aliajele de titan trebuie să fie curate; piesele curățate din aliaj de titan trebuie prevenite să fie contaminate cu grăsime sau amprente, altfel pot provoca coroziune sub tensiune a sării (clorură de sodiu) în viitor.
(6) În condiții normale, nu există niciun risc de aprindere la tăierea aliajelor de titan. Doar atunci când tăiați o cantitate mică de aliaje de titan, tăierea
Doar așchiile fine de sub mașină pot lua foc și pot arde. Pentru a evita incendiul, pe lângă turnarea unei cantități mari de lichid de tăiere, este de asemenea necesar să se prevină acumularea așchiilor pe mașina unealtă, să se înlocuiască unealta imediat după ce devine tocită sau să se reducă viteza de tăiere și să se mărească avansul. rata pentru a crește grosimea așchiei. Dacă se produce un incendiu, pentru stingerea acestuia ar trebui să se folosească pulbere de talc, pulbere de calcar, nisip uscat și alte echipamente de stingere a incendiilor. Este strict interzisă utilizarea stingătoarelor cu tetraclorură de carbon și dioxid de carbon, iar apa nu trebuie turnată, deoarece apa poate accelera arderea și chiar poate provoca explozii de hidrogen.
