항공 분야에서 티타늄 적용의 역사는 1953년 미국 Douglas가 제조한 DC-T의 엔진 포드 및 방화벽에 처음으로 티타늄을 사용하면서 시작되었습니다. 그 이후로 티타늄은 거의 50년 동안 항공기에 사용되었습니다. 항공기 응용 분야에 적합한 수많은 유익한 특성을 가지고 있기 때문에 티타늄은 항공 분야에서 널리 사용됩니다. 항공기 재료에 대한 오늘 논의에서 티타늄의 필요성에 대해 논의할 것입니다.
1.티타늄 소개
티타늄 스펀지 또는 티타늄의 최초의 산업적 제조는 1948년 미국 DuPont Company가 마그네슘 공정을 사용하여 수 톤의 티타늄 스폰지를 제조하면서 시작되었습니다. 높은 비강도, 우수한 내식성 및 높은 내열성으로 인해 티타늄 합금은 다양한 산업 분야에서 광범위하게 활용됩니다. 티타늄은 구리, 아연, 주석과 같은 일반적인 금속보다 훨씬 더 많은 지각에서 10번째로 풍부합니다. 모래와 점토는 티타늄이 특히 풍부한 두 가지 유형의 암석입니다.
2. 티타늄의 특성
고강도: 알루미늄 합금의 1.3배, 마그네슘 합금의 1.6배, 금속 재료의 최강자인 스테인리스 스틸의 3.5배.
높은 열 강도: 사용 온도는 알루미늄 합금보다 수백도 더 높으며 450~500도의 온도에서 장시간 작업할 수 있습니다.
우수한 내식성: 산, 알칼리 및 대기 부식에 대한 내성, 특히 피팅 및 응력 부식에 대한 강한 내성.
우수한 저온 특성: 틈새 요소가 매우 적은 티타늄 합금 TA7은 -253도에서 특정 정도의 가소성을 유지할 수 있습니다.
높은 화학 활성: 고온에서 높은 화학 활성으로 공기 중의 수소 및 산소와 같은 기체 불순물과 화학적으로 쉽게 반응하여 경화층을 생성합니다.
작은 열전도율, 작은 탄성률: 열전도율은 니켈의 약 1/4, 철의 1/5, 알루미늄의 1/14이며 다양한 티타늄 합금의 열전도율은 티타늄보다 약 50% 낮습니다. 티타늄 합금의 탄성 계수는 강철의 약 1/2입니다.
3. 티타늄 합금의 분류 및 용도
내열 합금, 고강도 합금, 내식 합금(티타늄-몰리브덴 합금, 티타늄-팔라듐 합금 등), 저온 합금 및 고유 기능성 합금은 용도에 따라 티타늄 합금의 일부 범주입니다. 티타늄-철 수소 저장 재료 및 티타늄-니켈 메모리 합금). 티타늄과 그 합금은 오랜 기간 동안 사용되지 않았음에도 불구하고 뛰어난 품질로 이미 수많은 주요 상을 수상했습니다. 강도, 가벼움 및 고온에 대한 내구성으로 인해 특히 다양한 우주선 및 항공기 제조에 적합합니다. 항공우주 부문은 현재 전 세계에서 생산되는 티타늄 및 티타늄 합금의 약 75%를 사용합니다. 이전에는 티타늄 합금으로 제작되었지만 원래는 알루미늄 합금으로 제작되었던 몇 가지 구성 요소가 있습니다.
4. 항공 응용 분야의 티타늄 합금
티타늄 합금은 주로 티타늄 팬, 컴프레서 디스크 및 블레이드, 엔진 카울링, 배기 장치 및 기타 부품, 항공기 빔 스페이서 및 기타 구조 프레임워크 부품 단조와 같은 항공기 및 엔진 제조 재료에 사용됩니다. 인공 지구 위성, 달 모듈, 유인 우주선 및 우주 왕복선도 티타늄 합금 판 용접 부품을 사용합니다.
1950년 미국은 처음으로 F{1}} 전폭기 후방 동체 방열판, 바람막이, 테일 카울 및 기타 무부하 부품으로 사용했습니다. 60년대에는 구조용 강철 제조 스페이서, 빔, 플랩 슬라이드 및 기타 중요한 내하중 부품 대신 부분적으로 후방 동체에서 동체까지 티타늄 합금 부품을 사용하기 시작했습니다. 70년대 이후 민간 항공기는 티타늄 합금을 대량으로 사용하기 시작했습니다. 예를 들어 보잉 747 여객기의 티타늄 합금은 항공기 중량의 28% 이상입니다. 가공 기술의 발전과 함께 로켓, 인공위성 및 우주선에도 많은 수의 티타늄 합금이 사용되었습니다.
항공기가 발전할수록 더 많은 티타늄이 사용됩니다. US F-14전투기는 항공기 중량의 약 25%를 차지하는 티타늄 합금을 사용합니다. F-15전투기 25.8% ; 티타늄 함량이 41%인 4세대 미국 전투기, 티타늄 함량이 39%인 F119 엔진은 현재 가장 많은 티타늄 함량을 자랑하는 항공기다.
5. 티타늄 합금이 항공에 많이 사용되는 이유
현대 항공기 항해의 최대 속도는 음속의 2.7배 이상에 도달했습니다. 이러한 빠른 초음속 비행은 항공기가 공기와 마찰을 일으키고 많은 열을 발생시킵니다. 비행 속도가 음속의 2.2배에 도달하면 알루미늄 합금은 더 이상 견딜 수 없습니다. 고온에 강한 티타늄 합금을 사용해야 합니다.
항공기 엔진의 추력 대 추력비가 4-6에서 8-10로 증가하면 그에 따라 압축기 출구의 온도가 200-300도에서 500-600로 증가합니다. 정도, 알루미늄으로 만든 원래의 저압 압축기 디스크 및 블레이드는 티타늄 합금으로 변경해야 합니다.
최근 몇 년 동안 티타늄 합금 성능 연구 작업에 대한 과학자들은 계속해서 새로운 진전을 이루었습니다. 티타늄, 알루미늄, 바나듐으로 구성된 원래의 티타늄 합금은 최고 작동 온도가 550도 ~ 600도이며 새로 개발된 티타늄 알루미늄(TiAl) 합금은 최고 작동 온도가 1040도까지 높아졌습니다.
고압 압축기 디스크와 블레이드를 제조하기 위해 스테인리스 스틸 대신 티타늄 합금을 사용하면 구조물의 무게를 줄일 수 있습니다. 항공기 중량을 10% 줄일 때마다 연료를 4% 절약할 수 있습니다. 로켓의 경우 무게 1kg을 줄일 때마다 사거리가 15km씩 늘어납니다.
6.티타늄 합금 가공 특성 분석
우선 티타늄 합금의 열전도율이 낮아 강철의 1/4, 알루미늄이 1/13, 구리가 1/25에 불과하다. 절단 영역의 열 발산이 느리기 때문에 절단 공정에서 열 균형에 도움이되지 않으며 열 발산 및 냉각 효과가 매우 좋지 않으며 절단 영역에서 고온을 형성하기 쉽고 부품 변형 리바운드를 처리 한 후 결과적으로 토크가 증가된 절삭 공구에서는 모서리 마모가 빠르고 내구성이 감소합니다.
둘째, 티타늄 합금의 열전도율이 낮기 때문에 절삭 공구 근처의 작은 영역에 절삭 열이 축적되기 쉽지 않고 전면 공구 표면 마찰이 증가하고 칩이 잘 생기지 않으며 절삭 열이 분산되기 쉽지 않고 가속됩니다. 도구 마모. 마지막으로 티타늄 합금의 화학 활성이 높고 고온에서 가공하면 도구 재료와 쉽게 반응하여 용해성, 확산이 형성되어 끈적 끈적한 칼, 타는 칼, 부러진 칼 및 기타 현상이 발생합니다.
