ทําไมทิตาเนียมท่อเหมาะสําหรับอุตสาหกรรมอากาศ?

I. ความต้องการหลักของวัสดุในสาขาอากาศศาสตร์: น้ําหนักเบา ความแข็งแรงสูง และความสามารถในการปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อม
การออกแบบอุปกรณ์อากาศศาสตร์ปฏิบัติตามหลักการ "น้ําหนักคือค่าใช้จ่าย"

ความต้องการการลดน้ําหนัก: การลดน้ําหนักของเครื่องบินทุก 1 กิโลกรัม สามารถลดการบริโภคเชื้อเพลิงประมาณ 5-10 กิโลกรัม (ยกตัวอย่างเครื่องบินพาณิชย์พาณิชย์)ลดต้นทุนการดําเนินงานและการปล่อยคาร์บอนโดยตรง.
ความท้าทายทางสิ่งแวดล้อมอย่างมาก
การเกรดอากาศที่สูง (โอโซน, แสงอัลตราไวโอเล็ต, อุณหภูมิที่สลับกัน)
ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ต้องเผชิญกับอุณหภูมิสูงเกิน 800 °C และการกัดกรองจากก๊าซ
เครื่องบินอวกาศได้รับการกระแทกทางความร้อนและการออกซิเดนที่รุนแรง เมื่อเข้าสู่ชั้นบรรยากาศอีกครั้ง

II. ข้อดีความต้านทานต่อการกัดกร่อนของไทเทเนียมหม้อท่อ: เป็น "หม้อป้องกันอวกาศ" ที่ทนทานต่อการกัดกร่อนโดยธรรมชาติ
1กลไกการซ่อมแซมหนังออกไซด์: "การป้องกันตัวเองในสภาพแวดล้อมที่กัดกรอง"
ไทเทเนียมตอบสนองกับออกซิเจนในอุณหภูมิห้อง เพื่อสร้างฟิล์มออกไซด์ TiO2 ที่หนา (ความหนาประมาณ 5-10nm) ซึ่งมีลักษณะดังต่อไปนี้:
ความอ่อนแอทางเคมี: เกือบไม่มีการกัดกรองในน้ําทะเล, คลอรีนที่ชื้น, กรดอินทรีย์ส่วนใหญ่และสารแก้วคลอรีด (ตัวอย่างเช่น อัตราการกัดกรองรายปีของไทเทเนียมการโยนในสภาพแวดล้อมทะเลต่ํากว่า 0.001 มม.)
ความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง: หลังจากชั้นหนังได้รับความเสียหายมันสามารถฟื้นฟูใหม่ได้อย่างรวดเร็วในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจน เพื่อรักษาผลป้องกัน (เมื่อเทียบกับสับสกัดอลูมิเนียมที่ต้องการเคลือบเพิ่มเติมเพื่อป้องกันการกัดกร่อน).

2การเปรียบเทียบความต้านทานต่อการกัดกรองกับวัสดุประเพณี
สายสลัดอลูมิเนียม: มีแนวโน้มที่จะเกิดรูในบรรยากาศที่มีความชื้น จําเป็นต้องฉีดเคลือบโครเมท (เป็นพิษและไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม)
เหล็ก: ต้องการผงซิงก์หรือเหล็กเหล็กเหล็กเหล็ก nickel-chromium และการกัดกรองทางเคมีไฟฟ้ายังอาจเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมทะเล
ทิตาเนียม: ไม่จําเป็นต้องมีการรักษาต่อการกัดกร่อนเพิ่มเติม และค่ารักษาลดลงกว่า 40% (แหล่งข้อมูล: รายงานการใช้ส่วนประกอบของทิตาเนียม Airbus A350)

III. ข้อดีความแข็งแรงของไทเทเนียมโหลด: ความสมดุลที่สมบูรณ์แบบระหว่างน้ําหนักเบาและความน่าเชื่อถือสูง

1ความแข็งแรงเฉพาะ (ความแข็งแรง / ความหนาแน่น) คือที่ดีที่สุดในหมู่วัสดุโลหะ

ความแข็งแกร่งเฉพาะของเหล็กเหล็กไทเทเนียมสามารถถึง 15-20 × 104N · m / kg, เกินเหล็กเหล็กเหล็กอัลลูมิเนียม (7-10 × 104N · m / kg) และเหล็ก (4-6 × 104N · m / kg) มาก

สารสกัดไทเทเนียม TC4 (Ti-6Al-4V): ความหนาแน่น 4.5g/cm3, ความแข็งแรงในการดึง ≥895MPa, เหมาะสําหรับการผลิตองค์ประกอบที่รับภาระ เช่น รางปีกเครื่องบินและกรอบกองบินและน้ําหนักเบากว่าส่วนประกอบเหล็ก 40%.

2ความสามารถในการรักษาความแข็งแรงในอุณหภูมิสูง: การทํางานที่มั่นคงใน "สภาพแวดล้อมร้อน"

สายเหล็กไทเทเนียมยังสามารถรักษาความแข็งแรงในอุณหภูมิห้องมากกว่า 70% ในช่วงอุณหภูมิ 400-600 °C (ความแข็งแรงของสายเหล็กอลูมิเนียมลดลงอย่างสําคัญเหนือ 200 °C)การใช้งานทั่วไป:
ใบพัดเครื่องยนต์เครื่องบิน: ใช้สับสน Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) สามารถทํางานได้นานในอุณหภูมิ 500 °C โดยแทนสับสนที่มีฐานของนิกเกิลเพื่อลดน้ําหนัก 15%
ช่องเจาะเครื่องบินอวกาศ: หม้อเหล็กไทเทเนียมยังคงสามารถรักษาความสมบูรณ์แบบของโครงสร้างภายใต้การกวาดก๊าซที่อุณหภูมิสูง
3ความทนทานต่อความเหนื่อยล้าและความแข็งแกร่งต่อการหัก: ความแข็งแกร่งในการรับมือกับภาระที่สลับกัน
ความแข็งแรงในการเหนื่อยของทิตานีਅਮหล่อสามารถถึง 50%-60% ของความแข็งแรงในการดึง (สกัดอลูมิเนียมมีเพียง 30%-40%) และความแข็งแรงในการแตก (KIC) เป็นสูงถึง 50-100MPa· m1/2,ที่เหมาะสําหรับชิ้นส่วนที่ทนต่อการสั่นและการกระแทกเช่น:
ห้องระบบส่งเฮลิคอปเตอร์
โครงสร้างรองรับแผ่นแสงอาทิตย์ดาวเทียม

4. กรณีการใช้งานทั่วไปของทิตานีมท่อในสาขาอากาศ
Airbus A380: หม้อทิตานีมถูกใช้ในการผลิตเครื่องเชื่อมกล่องปีกกลาง ลดน้ําหนัก 1.2 ตันและเพิ่มอายุการใช้งานโครงสร้างเป็น 60,000 ชั่วโมงการบิน
เครื่องรบ F-22 ของสหรัฐอเมริกา: หม้อทิตาเนียมมีส่วนประกอบ 41% ของน้ําหนักโครงสร้างกองบิน โดยใช้เป็นหลักในส่วนสําคัญ เช่น รถลงพื้นและกองยนต์
สเปซเอ็กซ์ สตาร์ชัพ: ห้องขับเคลื่อนเครื่องยนต์ทําจากสายเหล็กไทเทเนียมการท่อท่อแบบลงทุน ที่สามารถทนอุณหภูมิของก๊าซได้มากกว่า 3000 °C และสามารถนําไปใช้ใหม่ได้มากกว่า 100 ครั้ง

5. "ประเด็นบวก" อื่น ๆ ของทิตานีโอหล่อ: การเสริมพลังการออกแบบอากาศ
ความสามารถในการพิมพ์โครงสร้างที่ซับซ้อน: ผ่านการท่อการลงทุน (วิธีการปูนสูญเสีย) องค์ประกอบที่ซับซ้อนที่มีช่องว่างและปีกบาง (เช่นกล่องเครื่องยนต์ที่รวม) สามารถผลิตโดยตรงลดจํานวนชิ้นส่วนและกระบวนการประกอบ;
ความหนาแน่นต่ําและความแข็งแรงสูงอยู่ร่วมกัน: โมดูลความยืดหยุ่นของไทเทเนียมคือ 110GPa ซึ่งอยู่ระหว่างอลูมิเนียม (70GPa) และเหล็ก (210GPa) เหมาะสําหรับการออกแบบโครงสร้างเบาที่มีความแข็งแรงสูง
ข้อดีของการเข้ากันได้: ไทเทเนียมไม่เสื่อมต่อการกัดกร่อนทางไฟฟ้าเคมีเมื่อเข้าสัมผัสกับวัสดุประกอบ (เช่นใยคาร์บอน)ซึ่งอํานวยความสะดวกในการออกแบบผสมรวมหลายวัสดุของอุปกรณ์อากาศศาสตร์.

VI. ความท้าทายและแนวโน้มในอนาคต: ค่าใช้จ่ายและนวัตกรรมทางเทคโนโลยี
จุดเด่นของค่าใช้จ่าย: การหลอมเหล็กไทเทเนียมต้องดําเนินการในสภาพแวดล้อมว่าง และการลงทุนในอุปกรณ์การหลอมสูง (เตาอบเปลือกว่างราคากว่า 10 ล้านหยวน)ส่งผลให้ราคาต่อหน่วยของเหล็กไทเทเนียมประมาณ 5-8 เท่าของเหล็กเหล็กอลูมิเนียม;
ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี
การพิมพ์ 3D ของอุปกรณ์เหล็กเหล็ก(เทคโนโลยี SLM) สามารถลดการบริโภควัสดุได้ถึง 30% และลดวงจรการจัดส่ง
โลหะไทเทเนียม α+β ใหม่ (เช่น Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr) เพิ่มความแข็งแรงในอุณหภูมิสูงและความสามารถในการประมวลผลผ่านการปรับปรุงองค์ประกอบ

สรุป:เครื่องโยงจากไทเทเนียมได้กลายเป็นวัสดุที่ไม่สามารถแทนที่ได้ในสาขาเครื่องบินและอวกาศ ด้วยข้อดีสามมิติของ "ความทนทานต่อการกัดกร่อน + ความแข็งแรงสูง + น้ําหนักเบา"จากเครื่องบินพาณิชย์ ถึงเครื่องสํารวจอวกาศลึก, ผลงานของพวกเขาไม่เพียงแค่ตอบสนองความต้องการของสภาพการทํางานที่เข้มงวด แต่ยังส่งเสริมการปรับปรุงต่อเนื่องของประสิทธิภาพของเครื่องบินโดยการปรับปรุงโครงสร้างด้วยการลดค่าใช้จ่ายในการโยงและการพัฒนาสแตนเลสใหม่, ขอบเขตการใช้งานของทิตาเนียมท่อในสนามอากาศจะยังคงขยาย

อีเมล: cast@ebcastings.com