การใช้โลหะผสมไทเทเนียมในเครื่องยนต์อากาศยาน

เครื่องยนต์คือหัวใจของเครื่องบิน ชิ้นส่วนที่หมุนได้ เช่น พัดลมของเครื่องยนต์ จานคอมเพรสเซอร์แรงดันสูง และใบพัด ไม่เพียงแต่ต้องทนทานต่อแรงเค้นสูงเท่านั้น แต่ยังต้องทนความร้อนได้ในระดับหนึ่งด้วย สภาพการทำงานดังกล่าวร้อนเกินไปสำหรับอะลูมิเนียมและมีความหนาแน่นมากเกินไปสำหรับเหล็ก ไทเทเนียมเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด ไทเทเนียมมีความต้านทานต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการคืบคลาน และต้านทานการเกิดออกซิเดชันได้ดีที่อุณหภูมิ 300~650 องศา ในเวลาเดียวกัน ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพที่สำคัญของเครื่องยนต์คืออัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก ซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงขับที่เกิดจากเครื่องยนต์ต่อมวล เครื่องยนต์รุ่นแรกสุดมีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักอยู่ที่ 2:3 แต่ตอนนี้สามารถมีอัตราส่วนถึง 10 ได้แล้ว ยิ่งอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักสูงเท่าใด ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น การใช้โลหะผสมไทเทเนียมแทนโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งมีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักสามารถลดมวลของเครื่องยนต์และปรับปรุงอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์เครื่องบินได้อย่างมาก ไทเทเนียมถูกนำมาใช้มากขึ้นในเครื่องยนต์เครื่องบิน ในเครื่องยนต์การบินและอวกาศขั้นสูงในต่างประเทศ ปริมาณโลหะผสมไทเทเนียมที่มีอุณหภูมิสูงคิดเป็น 25% ถึง 40% ของมวลเครื่องยนต์ทั้งหมด ตัวอย่างเช่น ปริมาณโลหะผสมไทเทเนียมของเครื่องยนต์รุ่นที่สาม F100 คือ 25% และปริมาณโลหะผสมไทเทเนียมของเครื่องยนต์รุ่นที่สี่ F119 คือ 40%

ส่วนประกอบของเครื่องยนต์อากาศยานต้องใช้โลหะผสมไททาเนียมซึ่งมีความแข็งแรงทันที ทนความร้อน ความแข็งแรงยาวนาน ทนต่อการคืบคลานที่อุณหภูมิสูง และความเสถียรของโครงสร้างตั้งแต่อุณหภูมิห้องไปจนถึงอุณหภูมิที่สูงขึ้น แม้ว่าโลหะผสมไททาเนียมประเภทและใกล้- -จะมีความต้านทานแรงดึงสูงจากอุณหภูมิห้องถึงประมาณ 300 องศา แต่ความต้านทานการคืบคลานและความเสถียรในการทนความร้อนของโลหะผสมจะลดลงอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิสูงขึ้น ดังนั้นโลหะผสมไทเทเนียมประเภทดังกล่าวจึงหาได้ยาก ใช้แล้ว. ใช้ในเครื่องยนต์อากาศยาน โลหะผสมไททาเนียมชนิดอัลฟ่าและใกล้- -มีคุณสมบัติการคืบ ความทนทาน และความสามารถในการเชื่อมที่ดี และเหมาะสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง

โลหะผสมไททาเนียมไม่เพียงแต่มีคุณสมบัติในการทำงานที่ดีเท่านั้น แต่ยังมีคุณสมบัติที่ครอบคลุมที่ดีในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิปานกลางและสูงอีกด้วย ดังนั้น โลหะผสมไทเทเนียมประเภท -type, near- -type และ - - จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์การบินและอวกาศ
ปัจจุบัน อุณหภูมิการทำงานสูงสุดของโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงที่ใช้ในเครื่องยนต์การบินและอวกาศเพิ่มขึ้นจาก 350 องศาเป็น 600 องศา ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการวัสดุของเครื่องยนต์ขั้นสูง หลังจากครึ่งศตวรรษแห่งความพยายามโดยนักวิจัยโลหะผสมไทเทเนียมทั่วโลก Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V), Ti-6Al-2Zr -1Mo-1V, Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si, Ti{{ 18}}.25Al-11Sn-5Zr, Ti-6อัล-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe{{29} }.3Si, Ti-5อัล-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr, Ti-6อัล-2Sn{ {38}}Zr-6Mo, Ti-6.2Al- 2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr{{48} }.3Cr, Ti-6อัล-2.75Sn-4Zr-4Mo-0.45Si, Ti-5.8Al{{59} }Sn -3.5 Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C) ฯลฯ โลหะผสม
โลหะผสม Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V) มีข้อดีคือมีความหนาแน่นต่ำ โมดูลัสยืดหยุ่นสูง ประสิทธิภาพการหน่วงการสั่นสะเทือนที่ดีเยี่ยม เสถียรภาพทางความร้อนที่ดี ประสิทธิภาพการเชื่อมที่ดี และความสามารถในการขึ้นรูปที่ดี . ความแข็งจำเพาะของมันสูงที่สุดในบรรดาโลหะผสมไททาเนียมอุตสาหกรรมทั้งหมด ของ. จ้าว หยงชิง และคณะ เราทำการศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับความเสถียรทางความร้อนและประสิทธิภาพความล้าที่อุณหภูมิสูงของโลหะผสม Ti811 และศึกษาอิทธิพลของโครงสร้างจุลภาคและสถานะพื้นผิวตัวอย่างต่อประสิทธิภาพความเสถียรทางความร้อนของโลหะผสม Ti811 ผลการวิจัยพบว่าโลหะผสม Ti811 ที่มีโครงสร้างเท่ากันและโครงสร้างดูอัลสเตตมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี การมีอยู่ของโครงสร้างคล้ายเข็มจะช่วยลดเสถียรภาพทางความร้อนของโลหะผสม Ti811 นอกจากนี้ การศึกษายังแสดงให้เห็นว่าเมื่ออัลลอยด์ Ti811 ถูกให้ความร้อนที่ 425 องศา ชั้นออกไซด์ของพื้นผิวและเวลาสัมผัสจะไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อเสถียรภาพทางความร้อนของโลหะผสม

ที่อุณหภูมิสูง 350 องศาและ 500 องศา ความไวต่อความเมื่อยล้าของโลหะผสม Ti811 จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น การคืบคลานเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความล้มเหลว FF ของโลหะผสม Ti811 ที่อุณหภูมิสูง การเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดของการกระจัดส่งผลต่อความเมื่อยล้า บทบาทและกลไกของปัจจัยความเครียดและการสึกหรอระหว่างกระบวนการ FF

โลหะผสมไทเทเนียมทนความร้อนที่ใช้งานจริงในปัจจุบันคือ Ti1100 และ IMI834 ซึ่งใช้ในเครื่องยนต์ดัดแปลง EJ2000 และ 55-712 ตามลำดับ เนื่องจากเกิดอุบัติเหตุ "ไฟไหม้ไทเทเนียม" โลหะผสมไทเทเนียมที่ทนไฟจึงได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ สหรัฐอเมริกา รัสเซีย และประเทศอื่นๆ ได้พัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมใหม่ที่มีคุณสมบัติหน่วงการติดไฟที่ดี Alloy C เป็นโลหะผสมไททาเนียมทนไฟความแข็งแรงสูงที่พัฒนาโดย Pratt & Whitney ในสหรัฐอเมริกา มันถูกใช้เป็นส่วนประกอบหัวฉีดแบบเวกเตอร์สำหรับเครื่องยนต์ F119 องค์ประกอบที่ระบุของโลหะผสมคือ Ti-35V-15Cr (เศษส่วนมวล, %) และโลหะผสมมีวาเนเดียมโลหะราคาแพงจำนวนมาก ประกอบกับกระบวนการเปลี่ยนรูปร้อนของแท่งโลหะผสม Alloy-C ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษบางอย่าง ทำให้ราคาวัสดุเพิ่มขึ้นอีก รัสเซียได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับโลหะผสม Ti-Cu ต้นทุนต่ำและรายงานโลหะผสม BT25 และ BT36 นักวิจัยทางวิทยาศาสตร์ชาวจีนได้สรุปอย่างเป็นระบบและประเมินผลการวิจัยในช่วงแรกเกี่ยวกับโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับเครื่องยนต์