El titanio está ampliamente distribuido, su contenido supera el 0,4 por ciento de la masa de la corteza terrestre, y las reservas mundiales probadas son de unos 3400 millones de toneladas, ocupando el décimo lugar entre todos los elementos (oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio , sodio, potasio, magnesio, hidrógeno, titanio).
Los científicos estadounidenses obtuvieron titanio metálico por primera vez en 1910 utilizando el "método del sodio" (reducción de TiCl4 con sodio), pero la industria del titanio no se desarrolló inmediatamente con el descubrimiento del titanio.
No fue hasta 1948, después de la Segunda Guerra Mundial, que el "método del magnesio" (reducción de magnesio TiCl4) inventado por científicos luxemburgueses se utilizó para la producción en los Estados Unidos y la industria del titanio comenzó a despegar.
El titanio es un 40 por ciento menos denso que el acero y su resistencia es comparable a la del acero, lo que puede mejorar la eficiencia estructural. Al mismo tiempo, el titanio tiene buena resistencia al calor, resistencia a la corrosión, elasticidad, elasticidad y formabilidad. Debido a las características anteriores del titanio, las aleaciones de titanio se han utilizado en la industria de la aviación desde la aparición de las aleaciones de titanio. En 1953, se utilizó titanio por primera vez en la góndola y la pared cortafuegos del motor DC-T producidos por Douglas Company de los Estados Unidos, y comenzó la historia de las aleaciones de titanio utilizadas en la aviación.
El transbordador espacial es el avión más importante y más utilizado. El titanio es el principal material estructural de las aeronaves, y también es el material elegido para componentes importantes, como los ventiladores de los motores aeronáuticos, los discos y las palas del compresor, y se lo conoce como "metal espacial". Cuanto más avanzado es el avión, más titanio se utiliza. Por ejemplo, el contenido de titanio del avión de cuarta generación del US F22 es del 41 por ciento (fracción de masa), y el contenido de titanio del motor F119 es del 39 por ciento, que actualmente es el avión con mayor contenido de titanio. La investigación de aleaciones de titanio se originó en la aviación, y el desarrollo de la industria de la aviación también ha promovido el desarrollo de aleaciones de titanio. La investigación de aleaciones de titanio para la aviación siempre ha sido la rama más importante y activa en el campo de las aleaciones de titanio, pero su desarrollo también es extremadamente difícil.
En este artículo, las aleaciones de titanio se clasifican desde la perspectiva de la composición de la fase de la matriz de la aleación. Tomando la aeronave como representante de la aeronave, este documento se centra en la aplicación e investigación de aleaciones de titanio en motores aeronáuticos, fuselajes de aeronaves y sujetadores de aviación. Finalmente, se analizan los problemas existentes en el desarrollo de aleaciones de titanio para aviación.
1 Clasificación de las aleaciones de titanio
La clasificación de las aleaciones de titanio en los Estados Unidos, Gran Bretaña, Rusia, Francia, Japón y otros países está determinada principalmente por los fabricantes, y hay muchos nombres. Algunas empresas utilizan directamente los símbolos químicos y los números de los elementos para reemplazar los elementos de aleación añadidos y sus contenidos, como Ti-6Al-4V (equivalente a TC4 en mi país). De acuerdo con la composición de la fase, las aleaciones de titanio se pueden dividir en: -aleaciones de titanio de tipo con estructura compacta hexagonal (HCP) (incluidas las aleaciones de tipo casi - -), es decir, grados domésticos TA y mixtos de dos fases. aleaciones de titanio de tipo plus, es decir, grados domésticos TC y aleaciones de titanio de tipo cúbico centrado en el cuerpo (BCC) (incluidas las aleaciones de tipo casi - -), es decir, la marca nacional es TB.
1.1 -tipo aleación de titanio
La aleación de solución sólida monofásica con -titanio como matriz en estado recocido es una aleación de titanio de tipo -, que contiene principalmente elementos como Al y Sn. Al puede aumentar la resistencia a la tracción y a la fluencia de la aleación, reducir la densidad de la aleación de titanio y mejorar la resistencia específica, y es un elemento de aleación importante en la aleación de titanio. Para maximizar el efecto de fortalecimiento de la solución sólida del aluminio y evitar la fragilización de la aleación causada por el exceso de Al, el trabajo de aleación de las aleaciones de titanio de alta temperatura debe seguir la fórmula empírica equivalente propuesta por ROSENBERG. Buena estabilidad térmica. Estos elementos en las aleaciones de titanio alfa sirven para estabilizar inhibiendo o aumentando la temperatura de transformación a la temperatura de transformación. En comparación con las aleaciones de titanio de tipo -, las aleaciones de tipo - tienen buena resistencia a la fluencia, resistencia, soldabilidad y tenacidad, y son las aleaciones preferidas para usar a altas temperaturas. Al mismo tiempo, la aleación de tipo no tiene fragilidad en frío y también es adecuada para su uso en ambientes de baja temperatura, lo que amplía su rango de aplicación. -Las aleaciones de tipo tienen mala forjabilidad y son propensas a defectos de forja. Los defectos de forjado se pueden controlar reduciendo la tasa de procesamiento por pasada y el tratamiento térmico frecuente. La matriz es una fase estable, y para una aleación de composición dada, el cambio en sus propiedades es principalmente el cambio en el tamaño del grano, porque tanto el límite elástico como el límite de fluencia están relacionados con el tamaño del grano y la energía almacenada durante la deformación. La resistencia de la aleación de titanio tipo - no puede mejorarse mediante tratamiento térmico, y la resistencia básicamente no cambia o cambia poco después del recocido. Algunas aleaciones contienen más Al, Sn, Zr y una pequeña cantidad de elementos estabilizadores (generalmente menos del 2 por ciento). Aunque estas aleaciones contienen fase -, la matriz se compone principalmente de fase -, que está muy cerca de las aleaciones de tipo - en términos de sensibilidad al tratamiento térmico y procesabilidad, y se denominan aleaciones de titanio de tipo - - cercano. Las aleaciones de tipo Near- - se desarrollaron sobre la base del reconocimiento de que se puede obtener una alta resistencia a la fluencia mediante el fortalecimiento de la matriz con elementos de aleación de solución sólida. La mayoría de las aleaciones de tipo cercano- - se han convertido ahora en aleaciones de titanio de alta temperatura debido a su buena estabilidad térmica. tipos de aleaciones importantes. Su mecanismo de fortalecimiento es que los átomos en la fase se difunden rápidamente y son propensos a arrastrarse.
Las aleaciones de titanio de tipo común (incluidas las aleaciones de casi- -tipo) incluyen Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V), Ti-6Al{{7 }}Zr-1Mo-1V, Ti-679 (Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo{ {16}}.25Si), BT18 (Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si) y Ti6242S (Ti{ {28}}Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si), etc. Las composiciones y propiedades se enumeran en la Tabla 2.
Aleación de titanio tipo 1.2 plus
Con el fin de mejorar la resistencia y dureza de las aleaciones de titanio, la gente ha desarrollado más aleaciones de titanio. En comparación con otras aleaciones de titanio, las aleaciones plus se agregan con elementos estabilizadores y elementos estabilizadores para fortalecer las fases y. Además, la aleación tiene excelentes propiedades integrales. Por ejemplo, su resistencia a temperatura ambiente es mayor que la de la aleación. Tiene un buen rendimiento de procesamiento térmico y puede fortalecerse mediante tratamiento térmico, por lo que es adecuado para piezas estructurales aeroespaciales. La estructura recocida de la aleación de titanio de tipo plus es de fase positiva, y el contenido de fase es generalmente del 5 al 40 por ciento. Sin embargo, su estructura no es lo suficientemente estable, y la temperatura máxima de funcionamiento solo puede alcanzar los 500 grados, y su rendimiento de soldadura y resistencia al calor son más bajos que los de la aleación de titanio.
Las aleaciones de titanio de tipo plus incluyen principalmente TC4 (Ti-6 Al - 4 V ), TC 6 (Ti - 6 Al - 1.5 C r -2.5Mo{ {9}}.5Fe-0.3Si), TC11 (Ti- 6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si), TC17 ( Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr), TC19 (Ti-6Al-2Sn{{ 31}}Zr-6Mo) y TC21 (Ti-6.2Al-2.8Mo) -2Nb-2Sn-2.1Zr{ {42}}.3Cr) y así sucesivamente. Entre ellos, la aleación TC11 también se conoce como aleación casi beta.
ZHOU propuso una tecnología de procesamiento de aleación TC11. Primero, la aleación se trata térmicamente a 15 grados por debajo de la temperatura de transición, seguido de un enfriamiento rápido con agua, y luego se somete a un tratamiento térmico de endurecimiento y fortalecimiento a alta y baja temperatura para obtener una nueva microestructura. Esta nueva matriz de microestructura consiste en 15 por ciento de granos equiaxiales, 50 a 60 por ciento de granos en capas y granos transformados. Los resultados de la investigación muestran que la aleación exhibe alta resistencia a la fatiga, larga vida de fatiga por fluencia, alta tenacidad y excelente rendimiento de servicio a alta temperatura sin reducir la plasticidad y la estabilidad térmica.
Y se discute el principio experimental del nuevo proceso y mecanismo de endurecimiento. El problema clave en la aplicación práctica de esta tecnología de procesamiento es el control preciso de la temperatura.
Este proceso de maquinado de aleación de titanio TC11 se ha utilizado para producir discos, rotores y otros componentes confiables para compresores de motores aeronáuticos.
1.3 -tipo aleación de titanio
El contenido de elementos estabilizadores es lo suficientemente alto, y la aleación obtenida al enfriar rápidamente la fase después del tratamiento de la solución y retenerla a temperatura ambiente se denomina aleación de titanio de tipo . De acuerdo con la clasificación de la microestructura en estado estable, las aleaciones de titanio se pueden dividir en aleaciones de titanio estables y aleaciones de titanio metaestables, como se muestra en la Figura 1. En la Figura 1, MS es la línea de temperatura de transformación martensítica, C es el contenido mínimo de elementos estables en aleaciones metaestables, y S es el contenido mínimo de elementos estables en aleaciones estables.
Las aleaciones beta tienen una buena formabilidad en frío en estado de solución y también son excelentes en cuanto a templabilidad y capacidad de respuesta al tratamiento térmico.
El método de tratamiento térmico comúnmente utilizado es el primer tratamiento de solución, y luego el envejecimiento a 450 ~ 650 grados, la fase fina se precipitará sobre la matriz original de la aleación, formando una segunda fase con distribución dispersa, que es el mecanismo de fortalecimiento de la aleación. En comparación con otros tipos de aleaciones de titanio, la aleación de titanio precipita más fase durante el envejecimiento y contiene más interfaz de fase para dificultar el movimiento de las dislocaciones, por lo que la resistencia a temperatura ambiente de la aleación de titanio es la más alta.
La capacidad de un material metálico para absorber energía durante la deformación y la fractura se denomina tenacidad. Cuanta más energía absorbe un material, mejor es la tenacidad. La tenacidad a la fractura es un indicador de la tenacidad de un material, reflejando la resistencia del material a la propagación de grietas y otros defectos afilados. En términos generales, la tenacidad a la fractura y la resistencia de las aleaciones de titanio muestran una tendencia inversa, es decir, la tenacidad a la fractura disminuye a medida que aumenta la resistencia. Para estudiar la aplicación de aleaciones de -titanio en la industria aeroespacial, es necesario diseñar microestructuras con buena resistencia y tenacidad a la fractura, así como tecnología de procesamiento y regímenes de tratamiento térmico. La composición y la microestructura de la aleación son los dos factores principales que determinan la tenacidad a la fractura de las aleaciones de titanio beta. La composición de la aleación determina la cantidad de fase beta en la aleación, así como el tipo y la tenacidad a la fractura de la aleación. La morfología, cantidad y volumen de la microestructura también afectan la tenacidad a la fractura de la aleación. Fu Yanyan y otros creían que el elemento estabilizador y el elemento de tamaño mediano Zr de la aleación de titanio pueden mejorar la resistencia de la aleación y reducir la tenacidad a la fractura. Los granos finos no pueden mejorar de manera efectiva la resistencia de las aleaciones de titanio envejecidas y reducirán la resistencia a la fractura de las aleaciones de Ti-15-3, pero no tienen un efecto significativo en la resistencia a la fractura de las aleaciones de -C y Ti-1023.
La resistencia de la aleación de titanio al envejecimiento depende principalmente del contenido y el tamaño de la fase secundaria precipitada por el envejecimiento. En el caso de contener la misma fase primaria, la fase secundaria fina puede mejorar significativamente la resistencia de la aleación.
El engrosamiento de la fase primaria y la transformación de la fase primaria de esférica a escamosa conducirá a una disminución de la ductilidad y un aumento de la tenacidad a la fractura de las aleaciones de titanio. La estructura de modo dual de la aleación de titanio tiene una buena combinación de resistencia, ductilidad y tenacidad.
La razón por la cual la aleación de titanio se usa ampliamente también es porque tiene las ventajas de una alta resistencia y una gran plasticidad que otros tipos de aleaciones de titanio no pueden igualar después del envejecimiento. Al mismo tiempo, el fortalecimiento tratable térmicamente y la capacidad de endurecimiento profundo de la aleación de titanio hacen que reemplace gradualmente a la aleación de titanio de dos fases como el material estructural preferido para el fuselaje y las alas de los aviones, y juega un papel cada vez más importante en el industria aeroespacial. papel cada vez más importante.
2 Desarrollo y aplicación de aleaciones de titanio para aviación
En la década de 1950, los aviones militares entraron en la era de la velocidad supersónica y las estructuras originales de aluminio y acero ya no podían satisfacer las nuevas demandas. Fue en este momento cuando las aleaciones de titanio entraron en la etapa de desarrollo industrial. Las aleaciones de titanio tienen excelentes propiedades, como baja densidad, alta resistencia específica, resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas, no magnético, soldable, amplio rango de temperatura de funcionamiento (269 ~ 600 grados), y se pueden utilizar para formar, soldar y mecanizar varias piezas. . La aeronáutica pronto se hizo ampliamente utilizada. A principios de la década de 1950, los aviones militares comenzaron a utilizar titanio puro industrial para fabricar piezas estructurales con menos estrés, como escudos térmicos, cubiertas traseras y frenos de velocidad del fuselaje trasero. En la década de 1960, las aleaciones de titanio se aplicaron aún más a las principales piezas estructurales que soportan tensiones, como el deslizamiento de las aletas de los aviones, los mamparos de carga, las vigas de la caja del ala media y las vigas del tren de aterrizaje. En la década de 1970, la aplicación de aleaciones de titanio en estructuras de aeronaves se había expandido desde aviones de combate hasta grandes bombarderos militares y aviones de transporte, y también se había utilizado una gran cantidad de estructuras de aleación de titanio en aeronaves civiles.
Después de entrar en la década de 1980, el titanio utilizado en aviones civiles ha aumentado gradualmente y ha superado al titanio utilizado en aviones militares. Cuanto más avanzado es el avión, más titanio se utiliza. Las tablas 3 y 5 enumeran la fracción de masa de materiales de titanio utilizados en aviones de combate y bombarderos avanzados y aviones de transporte de tercera y cuarta generación en los Estados Unidos, los tipos de aleaciones de titanio utilizados en aviones en general y la cantidad de aleaciones de titanio y materiales compuestos. utilizado en aviones Airbus. Se puede ver en la Tabla 5 que el uso de titanio en los aviones Airbus A380 ha alcanzado el 10 por ciento, y el titanio se ha convertido en un material estructural indispensable para los aviones modernos. Según los diferentes usos, las aleaciones de titanio para aviación se pueden dividir en aleaciones de titanio para motores de aeronaves, aleaciones de titanio para fuselajes de aeronaves y aleaciones de titanio para sujetadores de aviación. En los últimos años, las personas han llevado a cabo una investigación profunda sobre la aplicación de aleaciones de titanio para aviación en los tres aspectos anteriores.
En resumen, la aleación de titanio tiene una gran relación empuje-peso, alta tenacidad, buena resistencia y soldabilidad, y es un material de aviación con excelentes propiedades integrales. En las últimas décadas, la teoría de la aleación, la tecnología integral de fortalecimiento y endurecimiento y el proceso de tratamiento térmico de las aleaciones de titanio para la aviación se han desarrollado en gran medida. En la actualidad, la investigación sobre las aleaciones de titanio se centra principalmente en la estabilidad térmica a altas temperaturas, la resistencia a la fluencia y el diseño y el proceso de fabricación de aleaciones de titanio de bajo costo. Con la profundización de la investigación, el progreso tecnológico del procesamiento de aleaciones de titanio de bajo costo será impulsado por aplicaciones de aviación de alta gama, rompiendo así fundamentalmente el cuello de botella de costos que restringe la mejora de la dosificación y el nivel de aplicación de las aleaciones de titanio para la aviación. Un avión totalmente de titanio puede convertirse en realidad en un futuro no muy lejano.
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