O titânio é amplamente distribuído, seu conteúdo excede 0,4 por cento da massa da crosta terrestre e as reservas globais comprovadas são de cerca de 3,4 bilhões de toneladas, ocupando o 10º lugar entre todos os elementos (oxigênio, silício, alumínio, ferro, cálcio , sódio, potássio, magnésio, hidrogênio, titânio).
Os cientistas americanos obtiveram o titânio metálico pela primeira vez em 1910 usando o "método do sódio" (redução de sódio do TiCl4), mas a indústria do titânio não se desenvolveu imediatamente com a descoberta do titânio.
Não foi até 1948, após a Segunda Guerra Mundial, que o "método do magnésio" (redução de magnésio TiCl4) inventado por cientistas de Luxemburgo foi usado para produção nos Estados Unidos e a indústria de titânio começou a decolar.
O titânio é 40% menos denso que o aço e sua resistência é comparável à do aço, o que pode melhorar a eficiência estrutural. Ao mesmo tempo, o titânio tem boa resistência ao calor, resistência à corrosão, elasticidade, elasticidade e conformabilidade. Devido às características acima do titânio, as ligas de titânio têm sido usadas na indústria da aviação desde o aparecimento das ligas de titânio. Em 1953, o titânio foi usado pela primeira vez na parede corta-fogo do motor DC-T e na nacele produzida pela Douglas Company dos Estados Unidos, e começou a história das ligas de titânio usadas na aviação.
O ônibus espacial é a aeronave mais importante e mais utilizada. O titânio é o principal material estrutural de aeronaves, e também é o material de escolha para componentes importantes, como ventiladores de motores aeronáuticos, discos e lâminas de compressores, e é conhecido como "metal espacial". Quanto mais avançada a aeronave, mais titânio é usado. Por exemplo, o teor de titânio da aeronave de quarta geração do F22 dos EUA é de 41% (fração de massa) e o teor de titânio do motor F119 é de 39%, que atualmente é a aeronave com o maior teor de titânio. A pesquisa de ligas de titânio teve origem na aviação, e o desenvolvimento da indústria da aviação também promoveu o desenvolvimento de ligas de titânio. A pesquisa de ligas de titânio para aviação sempre foi o ramo mais importante e ativo no campo das ligas de titânio, mas seu desenvolvimento também é extremamente difícil.
Neste artigo, as ligas de titânio são classificadas do ponto de vista da composição das fases da matriz da liga. Tomando a aeronave como representante da aeronave, este artigo se concentra na aplicação e pesquisa de ligas de titânio em motores aeronáuticos, fuselagem de aeronaves e fixadores de aviação. Por fim, são analisados os problemas existentes no desenvolvimento de ligas de titânio para aviação.
1 Classificação de ligas de titânio
A classificação das ligas de titânio nos Estados Unidos, Grã-Bretanha, Rússia, França, Japão e outros países é determinada principalmente pelos fabricantes, e há muitos nomes. Algumas empresas usam diretamente os símbolos químicos e os números dos elementos para substituir os elementos de liga adicionados e seu conteúdo, como Ti-6Al-4V (equivalente a TC4 no meu país). De acordo com a composição das fases, as ligas de titânio podem ser divididas em: ligas de titânio do tipo com estrutura hexagonal compacta (HCP) (incluindo ligas do tipo quase - -) - isto é, graus domésticos TA e misturas bifásicas ligas de titânio do tipo plus, ou seja, ligas de titânio do tipo TC domésticas e cúbicas de corpo centrado (BCC) (incluindo ligas do tipo quase{10}}), ou seja, a marca doméstica é TB.
1.1 -tipo liga de titânio
A liga de solução sólida monofásica com -titânio como matriz no estado recozido é uma liga do tipo titânio, que contém principalmente elementos como Al e Sn. O Al pode aumentar a resistência à tração e à fluência da liga, reduzir a densidade da liga de titânio e melhorar a resistência específica e é um importante elemento de liga na liga de titânio. A fim de maximizar o efeito de reforço da solução sólida do alumínio e evitar a fragilização da liga causada pelo excesso de Al, o trabalho de liga de ligas de titânio de alta temperatura deve seguir a fórmula empírica equivalente proposta por ROSENBERG. Boa estabilidade térmica. Esses elementos em ligas de titânio alfa servem para estabilizar inibindo ou aumentando a temperatura de transformação na temperatura de transformação. Em comparação com as ligas do tipo titânio, as ligas do tipo têm boa resistência à fluência, resistência, soldabilidade e tenacidade, e são as ligas preferidas para uso em altas temperaturas. Ao mesmo tempo, a liga do tipo -tipo não apresenta fragilidade a frio, e também é adequada para uso em ambiente de baixa temperatura, o que amplia sua faixa de aplicação. As ligas do tipo têm baixa forjabilidade e são propensas a defeitos de forjamento. Os defeitos de forjamento podem ser controlados reduzindo a taxa de processamento por passagem e o tratamento térmico frequente. A matriz é uma fase estável, e para uma determinada composição de liga, a mudança em suas propriedades é principalmente a mudança no tamanho de grão, pois tanto o limite de escoamento quanto a resistência à fluência estão relacionados ao tamanho do grão e à energia armazenada durante a deformação. A resistência da liga de titânio tipo não pode ser melhorada por tratamento térmico, e a resistência tem basicamente pouca ou nenhuma mudança após o recozimento. Algumas ligas contêm mais Al, Sn, Zr e uma pequena quantidade de elementos estabilizadores (geralmente menos de 2%). Embora essas ligas contenham -phase, a matriz é composta principalmente de -phase, que é muito próxima das ligas do tipo - em termos de sensibilidade e processabilidade ao tratamento térmico, e é chamada de ligas de titânio do tipo quase - -. As ligas do tipo quase{15}}foram desenvolvidas com base no reconhecimento de que alta resistência à fluência pode ser obtida fortalecendo a matriz com elementos de liga de solução sólida. A maioria das ligas do tipo - -tipo agora se tornaram ligas de titânio de alta temperatura devido à sua boa estabilidade térmica. tipos de ligas importantes. Seu mecanismo de fortalecimento é que os átomos na fase se difundem rapidamente e são propensos a fluência.
As ligas de titânio do tipo comum (incluindo ligas do tipo quase- -) incluem 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)) e Ti6242S (Ti{ {28}}Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si), etc. As composições e propriedades estão listadas na Tabela 2.
1.2 mais tipo liga de titânio
A fim de melhorar a resistência e tenacidade das ligas de titânio, as pessoas desenvolveram mais ligas de titânio. Em comparação com outras ligas de titânio, as ligas plus são adicionadas com elementos -estabilizadores e elementos -estabilizadores para fortalecer as fases e. plus tem excelentes propriedades abrangentes. Por exemplo, sua resistência à temperatura ambiente é maior que a da liga. Tem bom desempenho de processamento térmico e pode ser reforçado por tratamento térmico, por isso é adequado para peças estruturais aeroespaciais. A estrutura recozida da liga de titânio do tipo plus é fase plus, e o conteúdo da fase é geralmente de 5 por cento ~ 40 por cento. No entanto, sua estrutura não é estável o suficiente, e a temperatura máxima de operação pode atingir apenas 500 graus, e seu desempenho de soldagem e resistência ao calor são inferiores aos da liga de titânio do tipo.
as ligas de titânio do tipo plus incluem 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) e TC21 (Ti-6.2Al-2.8Mo) -2Nb-2Sn-2.1Zr{ {42}}.3Cr) e assim por diante. Entre eles, a liga TC11 também é conhecida como liga quase beta.
ZHOU propôs uma tecnologia de processamento da liga TC11. Primeiro, a liga é tratada termicamente a 15 graus abaixo da temperatura de transição, seguida de resfriamento rápido com água e, em seguida, passa por alta temperatura e baixa temperatura de endurecimento e tratamento térmico de fortalecimento para obter uma nova microestrutura. Essa nova matriz de microestrutura consiste em 15% de grãos equiaxiais, 50% a 60% de grãos em camadas e grãos transformados. Os resultados da pesquisa mostram que a liga apresenta alta resistência à fadiga, longa vida útil à fadiga por fluência, alta tenacidade e excelente desempenho em serviço em altas temperaturas sem reduzir a plasticidade e a estabilidade térmica.
E o princípio experimental do novo processo e mecanismo de endurecimento é discutido. O principal problema na aplicação prática desta tecnologia de processamento é o controle preciso da temperatura.
Este processo de usinagem de liga de titânio TC11 tem sido usado para produzir discos, rotores e outros componentes confiáveis de compressores de motores aeronáuticos.
1.3 -tipo liga de titânio
O teor de elementos estabilizantes é alto o suficiente, e a liga obtida pelo resfriamento rápido da fase - após o tratamento da solução e retendo-a à temperatura ambiente é chamada de liga de titânio do tipo -. De acordo com a classificação da microestrutura de estado estável, as ligas de titânio podem ser divididas em ligas de titânio estáveis e ligas de titânio metaestáveis, conforme mostrado na Figura 1. Na Figura 1, MS é a linha de temperatura de transformação martensítica, C é o teor mínimo de elementos -estáveis em ligas metaestáveis, e S é o teor mínimo de elementos -estáveis em ligas estáveis.
As ligas beta têm boa conformabilidade a frio no estado de solução e também são excelentes em temperabilidade e capacidade de resposta ao tratamento térmico.
O método de tratamento térmico comumente usado é o primeiro tratamento de solução e, em seguida, o envelhecimento a 450 ~ 650 graus, a fase fina será precipitada na matriz original da liga, formando uma segunda fase com distribuição dispersa, que é o mecanismo de fortalecimento da liga. Em comparação com outros tipos de ligas de titânio, a liga de titânio precipita mais fase durante o envelhecimento e contém mais interface de fase para impedir o movimento de deslocamentos, de modo que a resistência à temperatura ambiente da liga de titânio é a mais alta.
A capacidade de um material metálico de absorver energia durante a deformação e fratura é chamada de tenacidade. Quanto mais energia um material absorve, melhor a tenacidade. A tenacidade à fratura é um indicador da tenacidade de um material, refletindo a resistência do material à propagação de trincas e outros defeitos agudos. De um modo geral, a tenacidade e resistência à fratura das ligas de titânio apresentam uma tendência inversa, ou seja, a tenacidade à fratura diminui à medida que a resistência aumenta. Para estudar a aplicação de ligas de titânio na indústria aeroespacial, é necessário projetar microestruturas com boa resistência e tenacidade à fratura, bem como tecnologia de processamento e regimes de tratamento térmico. A composição e a microestrutura da liga são os dois principais fatores que determinam a tenacidade à fratura das ligas de titânio beta. A composição da liga determina a quantidade de fase beta na liga, bem como o tipo e a tenacidade à fratura da liga. A morfologia, quantidade e volume da microestrutura também afetam a tenacidade à fratura da liga. Fu Yanyan e outros acreditavam que o elemento estabilizador e o elemento de tamanho médio Zr da liga de titânio podem melhorar a resistência da liga e reduzir a tenacidade à fratura. Os grãos finos não podem melhorar efetivamente a resistência das ligas de titânio envelhecidas e reduzirão a tenacidade à fratura das ligas de Ti-15-3, mas não têm efeito significativo na tenacidade à fratura das ligas -C e Ti-1023.
A resistência do envelhecimento da liga de titânio depende principalmente do conteúdo e tamanho da fase secundária precipitada pelo envelhecimento. No caso de conter a mesma fase primária, a fase secundária fina pode melhorar significativamente a resistência da liga.
O engrossamento da fase primária e a transformação da fase primária de esférica para escamosa levará a uma diminuição na ductilidade e a um aumento na tenacidade à fratura das ligas de titânio. A estrutura de modo duplo da liga de titânio tem uma boa combinação de resistência, ductilidade e tenacidade.
A razão pela qual a liga de titânio é amplamente utilizada é também porque tem as vantagens de alta resistência e alta plasticidade que outros tipos de ligas de titânio não podem igualar após o envelhecimento. Ao mesmo tempo, o fortalecimento tratável termicamente e a capacidade de endurecimento profundo da liga de titânio fazem com que ela substitua gradualmente a liga de titânio mais bifásica como o material estrutural preferido para fuselagem e asas de aeronaves, e desempenha um papel cada vez mais importante na indústria aeroespacial. papel cada vez mais importante.
2 Desenvolvimento e aplicação de ligas de titânio para aviação
Na década de 1950, as aeronaves militares entraram na era da velocidade supersônica e as estruturas originais de alumínio e aço não podiam mais atender às novas demandas. Foi nessa época que as ligas de titânio entraram no estágio de desenvolvimento industrial. As ligas de titânio têm excelentes propriedades, como baixa densidade, alta resistência específica, resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas, não magnéticas, soldáveis, ampla faixa de temperatura operacional (269 ~ 600 graus), e podem ser usadas para várias peças de formação, soldagem e usinagem . A aeronáutica logo se tornou amplamente utilizada. No início da década de 1950, as aeronaves militares começaram a usar titânio puro industrial para fabricar peças estruturais com menos estresse, como escudos térmicos, carenagens de cauda e freios de velocidade da fuselagem traseira. Na década de 1960, as ligas de titânio foram aplicadas nas principais peças estruturais de suporte de tensão, como deslizamento de flaps de aeronaves, anteparas de suporte de carga, vigas de caixa de asa média e vigas de trem de pouso. Na década de 1970, a aplicação de ligas de titânio em estruturas de aeronaves havia se expandido de caças para grandes bombardeiros militares e aeronaves de transporte, e um grande número de estruturas de liga de titânio também havia sido usado em aeronaves civis.
Depois de entrar na década de 1980, o titânio usado em aeronaves civis aumentou gradualmente e ultrapassou o titânio usado em aeronaves militares. Quanto mais avançada a aeronave, mais titânio é usado. As Tabelas 3 e 5 listam a fração de massa de materiais de titânio usados em caças de terceira e quarta geração e bombardeiros avançados e aeronaves de transporte nos Estados Unidos, os tipos de ligas de titânio usadas em aeronaves em geral e a quantidade de ligas de titânio e materiais compostos usado em aeronaves Airbus. Pode-se observar na Tabela 5 que o uso de titânio em aeronaves Airbus A380 atingiu 10%, e o titânio tornou-se um material estrutural indispensável para aeronaves modernas. De acordo com diferentes usos, as ligas de titânio para aviação podem ser divididas em ligas de titânio para motores de aeronaves, ligas de titânio para fuselagem de aeronaves e ligas de titânio para fixadores de aviação. Nos últimos anos, as pessoas realizaram pesquisas aprofundadas sobre a aplicação de ligas de titânio de aviação nos três aspectos acima.
Para resumir, a liga de titânio tem grande relação impulso-peso, alta tenacidade, boa resistência e soldabilidade, e é um material de aviação com excelentes propriedades abrangentes. Nas últimas décadas, a teoria da liga, a tecnologia abrangente de fortalecimento e endurecimento e o processo de tratamento térmico de ligas de titânio para aviação foram muito desenvolvidos. Atualmente, a pesquisa em ligas de titânio concentra-se principalmente na estabilidade térmica em alta temperatura, resistência à fluência e design e processo de fabricação de ligas de titânio de baixo custo. Com o aprofundamento da pesquisa, o progresso tecnológico do processamento de baixo custo de ligas de titânio será impulsionado por aplicações aeronáuticas de ponta, rompendo fundamentalmente o gargalo de custos que restringe a melhoria da dosagem e nível de aplicação de ligas de titânio para a aviação. Uma aeronave totalmente em titânio pode se tornar realidade em um futuro não muito distante.
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