Pourquoi les alliages de titane sont-ils nécessaires pour les matériaux aérospatiaux ?

Le titane et l’aviation entretiennent une relation indestructible. 1953, utilisation du titane dans les modules moteurs et les pare-feu des avions DC-T produits par la société américaine Douglas, ouvrant ainsi l'histoire des applications aérospatiales du titane. Depuis, le titane est utilisé dans l’aviation depuis plus d’un demi-siècle. Le titane peut être largement utilisé dans l’aviation car il possède de nombreuses propriétés précieuses adaptées aux applications aéronautiques. Aujourd'hui, nous allons expliquer pourquoi les matériaux aéronautiques doivent utiliser un alliage de titane.

Premièrement, l'introduction du titane

En 1948, les États-Unis DuPont n'ont produit que des tonnes d'éponge de titane avec la méthode du magnésium - cela marque le début de la production industrielle d'éponge de titane et de titane. L'alliage de titane est largement utilisé dans divers domaines en raison de sa haute résistance, de sa bonne résistance à la corrosion, de sa résistance à la chaleur et d'autres caractéristiques.

Le titane est abondant dans la croûte terrestre, se classant au neuvième rang en termes de teneur, bien plus élevé que le cuivre, le zinc, l'étain et d'autres métaux courants. Le titane est largement présent dans de nombreuses roches, notamment dans le sable et l’argile.

Deuxièmement, les caractéristiques du titane

Haute résistance : 1,3 fois celle de l'alliage d'aluminium, 1,6 fois celle de l'alliage de magnésium, 3,5 fois celle de l'acier inoxydable, matériaux métalliques.

Haute résistance thermique : l'utilisation de la température est plusieurs centaines de degrés plus élevée que l'alliage d'aluminium, peut être à une température de 450 ~ 500 degrés pour un travail à long terme.

Bonne résistance à la corrosion : résistance à la corrosion acide, alcaline et atmosphérique, résistance particulièrement forte à la corrosion par piqûre et sous contrainte.

Bonnes performances à basse température : l'alliage de titane TA7 avec de très faibles éléments interstitiels peut maintenir un certain degré de plasticité à -253 degré.

Activité chimique élevée : activité chimique élevée à haute température, réagit facilement chimiquement avec l'hydrogène, l'oxygène et d'autres impuretés gazeuses dans l'air pour générer une couche durcie.

Petite conductivité thermique, petit module d'élasticité : la conductivité thermique est d'environ 1/4 de nickel, 1/5 de fer, 1/14 d'aluminium et divers alliages de titane ont une conductivité thermique d'environ 50 % inférieure à celle du titane. Le module d'élasticité de l'alliage de titane est d'environ la moitié de celui de l'acier.

Troisièmement, la classification et l'utilisation de l'alliage de titane

Les alliages de titane peuvent être divisés en : alliages résistants à la chaleur, alliages à haute résistance, alliages résistants à la corrosion (alliages titane - molybdène, alliages titane - palladium, etc.), alliages à basse température, ainsi qu'alliages fonctionnels spéciaux (titane - fer matériaux de stockage d'hydrogène et alliages à mémoire de titane et de nickel), etc.

Bien que le titane et ses alliages ne soient plus utilisés depuis longtemps, ils ont reçu plusieurs titres honorables en raison de leurs performances exceptionnelles. Le premier est le « space metal ». Son poids léger, sa grande solidité et sa résistance aux hautes températures le rendent particulièrement adapté à la fabrication d'avions et de divers engins spatiaux. À l’heure actuelle, environ les trois quarts du titane et de ses alliages produits dans le monde sont utilisés dans l’industrie aérospatiale. De nombreuses pièces d'origine en alliage d'aluminium ont été remplacées par un alliage de titane.

Quatrièmement, l'application aéronautique de l'alliage de titane

L'alliage de titane est principalement utilisé pour les matériaux de fabrication d'avions et de moteurs, tels que le forgeage du ventilateur en titane, le disque et la pale d'air sous pression, le capot moteur, le dispositif d'échappement et d'autres pièces, ainsi que le cadre à grandes poutres de l'avion et d'autres pièces de cadre structurel. Les engins spatiaux utilisent principalement des alliages de titane à haute résistance, résistance à la corrosion et résistance aux basses températures pour fabriquer une variété de récipients sous pression, de réservoirs de stockage de carburant, de fixations, de sangles d'instruments, de cadres et de coques de fusée. Les satellites artificiels de la Terre, le module lunaire, les vaisseaux spatiaux habités et les navettes spatiales utilisent également des plaques soudées en alliage de titane.

En 1950, les États-Unis ont utilisé le chasseur-bombardier F-84 comme bouclier thermique arrière du fuselage, pare-vent, capot arrière et autres composants non porteurs. Les années 60 marquent le début de l'utilisation d'alliages de titane de l'arrière du fuselage au milieu du fuselage, en partie à la place de la fabrication de cadres d'espacement en acier de construction, de poutres, de volets, de glissières et d'autres composants porteurs importants. Dans les années 70, les avions civils ont commencé à utiliser des alliages de titane en grande quantité, par exemple la quantité de titane dans l'avion de passagers Boeing 747 s'élevait à 3 640 kilogrammes de titane. Plus de 28% du poids de la machine. Avec le développement de la technologie de traitement, dans les fusées, les satellites et les engins spatiaux, un grand nombre d'alliages de titane ont également été utilisés.

Plus l'avion est grand, plus le titane est utilisé. US F-14Un chasseur utilisant un alliage de titane, représentant environ 25 % du poids de la machine ; F-15Un combattant à 25,8 % ; Le chasseur américain de quatrième génération avec une quantité de titane de 41 % et le moteur F119 avec une quantité de titane de 39 % utilisent actuellement une quantité de titane pour les avions de grande hauteur.

Traduit avec www.DeepL.com/Translator (version gratuite)

Le titane et l’aviation entretiennent une relation indestructible. 1953, utilisation du titane dans les modules moteurs et les pare-feu des avions DC-T produits par la société américaine Douglas, ouvrant ainsi l'histoire des applications aérospatiales du titane. Depuis, le titane est utilisé dans l’aviation depuis plus d’un demi-siècle. Le titane peut être largement utilisé dans l’aviation car il possède de nombreuses propriétés précieuses adaptées aux applications aéronautiques. Aujourd'hui, nous allons expliquer pourquoi les matériaux aéronautiques doivent utiliser un alliage de titane.

Premièrement, l'introduction du titane

En 1948, les États-Unis DuPont n'ont produit que des tonnes d'éponge de titane avec la méthode du magnésium - cela marque le début de la production industrielle d'éponge de titane et de titane. L'alliage de titane est largement utilisé dans divers domaines en raison de sa haute résistance, de sa bonne résistance à la corrosion, de sa résistance à la chaleur et d'autres caractéristiques.

Le titane est abondant dans la croûte terrestre, se classant au neuvième rang en termes de teneur, bien plus élevé que le cuivre, le zinc, l'étain et d'autres métaux courants. Le titane est largement présent dans de nombreuses roches, notamment dans le sable et l’argile.

Deuxièmement, les caractéristiques du titane

Haute résistance : 1,3 fois celle de l'alliage d'aluminium, 1,6 fois celle de l'alliage de magnésium, 3,5 fois celle de l'acier inoxydable, matériaux métalliques.

Haute résistance thermique : l'utilisation de la température est plusieurs centaines de degrés plus élevée que l'alliage d'aluminium, peut être à une température de 450 ~ 500 degrés pour un travail à long terme.

Bonne résistance à la corrosion : résistance à la corrosion acide, alcaline et atmosphérique, résistance particulièrement forte à la corrosion par piqûre et sous contrainte.

Bonnes performances à basse température : l'alliage de titane TA7 avec de très faibles éléments interstitiels peut maintenir un certain degré de plasticité à -253 degré.

Activité chimique élevée : activité chimique élevée à haute température, réagit facilement chimiquement avec l'hydrogène, l'oxygène et d'autres impuretés gazeuses dans l'air pour générer une couche durcie.

Petite conductivité thermique, petit module d'élasticité : la conductivité thermique est d'environ 1/4 de nickel, 1/5 de fer, 1/14 d'aluminium et divers alliages de titane ont une conductivité thermique d'environ 50 % inférieure à celle du titane. Le module d'élasticité de l'alliage de titane est d'environ la moitié de celui de l'acier.

Troisièmement, la classification et l'utilisation de l'alliage de titane

Les alliages de titane peuvent être divisés en : alliages résistants à la chaleur, alliages à haute résistance, alliages résistants à la corrosion (alliages titane - molybdène, alliages titane - palladium, etc.), alliages à basse température, ainsi qu'alliages fonctionnels spéciaux (titane - fer matériaux de stockage d'hydrogène et alliages à mémoire de titane et de nickel), etc.

Bien que le titane et ses alliages ne soient plus utilisés depuis longtemps, ils ont reçu plusieurs titres honorables en raison de leurs performances exceptionnelles. Le premier est le « space metal ». Son poids léger, sa grande solidité et sa résistance aux hautes températures le rendent particulièrement adapté à la fabrication d'avions et de divers engins spatiaux. À l’heure actuelle, environ les trois quarts du titane et de ses alliages produits dans le monde sont utilisés dans l’industrie aérospatiale. De nombreuses pièces d'origine en alliage d'aluminium ont été remplacées par un alliage de titane.

Quatrièmement, l'application aéronautique de l'alliage de titane

L'alliage de titane est principalement utilisé pour les matériaux de fabrication d'avions et de moteurs, tels que le forgeage du ventilateur en titane, le disque et la pale d'air sous pression, le capot moteur, le dispositif d'échappement et d'autres pièces, ainsi que le cadre à grandes poutres de l'avion et d'autres pièces de cadre structurel. Les engins spatiaux utilisent principalement des alliages de titane à haute résistance, résistance à la corrosion et résistance aux basses températures pour fabriquer une variété de récipients sous pression, de réservoirs de stockage de carburant, de fixations, de sangles d'instruments, de cadres et de coques de fusée. Les satellites artificiels de la Terre, le module lunaire, les vaisseaux spatiaux habités et les navettes spatiales utilisent également des plaques soudées en alliage de titane.

En 1950, les États-Unis ont utilisé le chasseur-bombardier F-84 comme bouclier thermique arrière du fuselage, pare-vent, capot arrière et autres composants non porteurs. Les années 60 marquent le début de l'utilisation d'alliages de titane de l'arrière du fuselage au milieu du fuselage, en partie à la place de la fabrication de cadres d'espacement en acier de construction, de poutres, de volets, de glissières et d'autres composants porteurs importants. Dans les années 70, les avions civils ont commencé à utiliser des alliages de titane en grande quantité, par exemple la quantité de titane dans l'avion de passagers Boeing 747 s'élevait à 3 640 kilogrammes de titane. Plus de 28% du poids de la machine. Avec le développement de la technologie de traitement, dans les fusées, les satellites et les engins spatiaux, un grand nombre d'alliages de titane ont également été utilisés.

Plus l'avion est grand, plus le titane est utilisé. US F-14Un chasseur utilisant un alliage de titane, représentant environ 25 % du poids de la machine ; F-15Un combattant à 25,8 % ; Le chasseur américain de quatrième génération avec une quantité de titane de 41 % et le moteur F119 avec une quantité de titane de 39 % utilisent actuellement une quantité de titane pour les avions de grande hauteur.

V. L'alliage de titane dans l'aviation présente un grand nombre de raisons d'application

Navigation aérienne moderne La grande vitesse a atteint 2,7 fois la vitesse du son. Un vol supersonique si rapide entraînera une friction entre l'avion et l'air et produira beaucoup de chaleur. Lorsque la vitesse de vol atteint 2,2 fois la vitesse du son, l'alliage d'aluminium ne peut pas résister. Un alliage de titane résistant à la chaleur doit être utilisé.

Lorsque le rapport poussée/poids du moteur d'avion est passé de 4 à 6 à 8 à 10, la température de sortie du gaz sous pression a augmenté en conséquence de 200 à 300 degrés à 500 à 600 degrés, les disques et pales de gaz sous pression à basse pression d'origine ont été fabriqués. L'aluminium doit être remplacé par un alliage de titane.

Ces dernières années, les scientifiques sur la performance des travaux de recherche sur les alliages de titane et réalisent constamment de nouveaux progrès. La composition originale de titane, d'aluminium, d'alliage de titane vanadium, une température de travail élevée de 550 degrés ~ 600 degrés, et le nouvel alliage de titane et d'aluminium (TiAl), une température de travail élevée a augmenté jusqu'à 1040 degrés.

L'alliage de titane au lieu de l'acier inoxydable pour fabriquer le disque et la pale du compresseur haute pression peut réduire le poids structurel. Les avions peuvent économiser 4 % de carburant pour chaque réduction de poids de 10 %. Pour les fusées, chaque réduction de poids de 1 kg peut augmenter la portée de 15 km.

Sixièmement, analyse des caractéristiques d'usinage des alliages de titane

Tout d'abord, la faible conductivité thermique de l'alliage de titane, seulement 1/4 de l'acier, de l'aluminium 1/13, du cuivre 1/25, en raison de la lente dissipation de la chaleur dans la zone de coupe, peu propice à l'équilibre thermique, dans le processus de coupe. , la dissipation thermique et l'effet de refroidissement sont très mauvais, il est facile de former une température élevée dans la zone de coupe, la déformation des pièces après le rebond de l'usinage, ce qui entraîne une augmentation du couple sur l'outil de coupe, le bord du bord de l'usure rapide et durabilité réduite.

Deuxièmement, la faible conductivité thermique de l'alliage de titane, de sorte que la chaleur de coupe accumulée dans le couteau de coupe près de la petite zone n'est pas facile à diffuser, le frottement de la face avant augmente, pas facile à écailler, la chaleur de coupe n'est pas facile à diffuser, accélérer l'usure des outils. Après, l'activité chimique de l'alliage de titane est élevée, le traitement à haute température est facile à réagir avec le matériau de l'outil, la formation de dissolution, de diffusion, entraînant un couteau collant, un couteau brûlant, un couteau cassé et d'autres phénomènes.

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V. L'alliage de titane dans l'aviation présente un grand nombre de raisons d'application

Navigation aérienne moderne La grande vitesse a atteint 2,7 fois la vitesse du son. Un vol supersonique si rapide entraînera une friction entre l'avion et l'air et produira beaucoup de chaleur. Lorsque la vitesse de vol atteint 2,2 fois la vitesse du son, l'alliage d'aluminium ne peut pas résister. Un alliage de titane résistant à la chaleur doit être utilisé.

Lorsque le rapport poussée/poids du moteur d'avion est passé de 4 à 6 à 8 à 10, la température de sortie du gaz sous pression a augmenté en conséquence de 200 à 300 degrés à 500 à 600 degrés, les disques et pales de gaz sous pression à basse pression d'origine ont été fabriqués. L'aluminium doit être remplacé par un alliage de titane.

Ces dernières années, les scientifiques sur la performance des travaux de recherche sur les alliages de titane et réalisent constamment de nouveaux progrès. La composition originale de titane, d'aluminium, d'alliage de titane vanadium, une température de travail élevée de 550 degrés ~ 600 degrés, et le nouvel alliage de titane et d'aluminium (TiAl), une température de travail élevée a augmenté jusqu'à 1040 degrés.

L'alliage de titane au lieu de l'acier inoxydable pour fabriquer le disque et la pale du compresseur haute pression peut réduire le poids structurel. Les avions peuvent économiser 4 % de carburant pour chaque réduction de poids de 10 %. Pour les fusées, chaque réduction de poids de 1 kg peut augmenter la portée de 15 km.

Sixièmement, analyse des caractéristiques d'usinage des alliages de titane

Tout d'abord, la faible conductivité thermique de l'alliage de titane, seulement 1/4 de l'acier, de l'aluminium 1/13, du cuivre 1/25, en raison de la lente dissipation de la chaleur dans la zone de coupe, peu propice à l'équilibre thermique, dans le processus de coupe. , la dissipation thermique et l'effet de refroidissement sont très mauvais, il est facile de former une température élevée dans la zone de coupe, la déformation des pièces après le rebond de l'usinage, ce qui entraîne une augmentation du couple sur l'outil de coupe, le bord du bord de l'usure rapide et durabilité réduite.

Deuxièmement, la faible conductivité thermique de l'alliage de titane, de sorte que la chaleur de coupe accumulée dans le couteau de coupe près de la petite zone n'est pas facile à diffuser, le frottement de la face avant augmente, pas facile à écailler, la chaleur de coupe n'est pas facile à diffuser, accélérer l'usure des outils. Après, l'activité chimique de l'alliage de titane est élevée, le traitement à haute température est facile à réagir avec le matériau de l'outil, la formation de dissolution, de diffusion, entraînant un couteau collant, un couteau brûlant, un couteau cassé et d'autres phénomènes.