Grados y aplicaciones de aleaciones de titanio y titanio en la industria aeroespacial

4. β aleación y su aplicación

La aleación beta es la mayor fuerza de las aleaciones de titanio, resistencia a la tracción de hasta 1240MPA. Después de un enfriamiento rápido, el 100% de la fase β metaestable se puede retener a temperatura ambiente. Mediante el uso de diferentes temperaturas y tiempo de envejecimiento, el tamaño y la proporción de la precipitación de la fase α en la matriz de fase β de una aleación se pueden controlar, para obtener una mayor resistencia que la aleación α+β, y se pueden obtener diferentes propiedades seleccionando la apropiada apropiada Temperatura y tiempo de envejecimiento.

Con algunas excepciones, las aleaciones beta no se usan para aplicaciones de alta temperatura porque, en general, las aleaciones beta disminuyen en la resistencia más rápidamente que las aleaciones beta casi alfa y α+ con una temperatura creciente, y no tienen la misma resistencia a la fluencia tan cerca. aleaciones alfa.

La aleación beta se usa principalmente para piezas estructurales con requisitos de alta resistencia, como el tren de aterrizaje de aviones, comenzando con el Boeing 777, y se ha aplicado en una serie de nuevos aviones comerciales grandes. Otros componentes utilizados en la aleación beta en el 777 y 787 incluyen rieles de colgajo, resortes, puntales APU, tanques de fuego, abrazaderas y soportes y tuberías de escape.

Las aleaciones beta utilizadas en la aviación incluyen TI-10V-2FE-3Al, TI-5Al-5MO-5V-3CR, TI-15V-3CR-3Al-3SN, TI-6Al-2SN-4ZR- 6MO, TI-5Al-2SN -2ZR-4MO-4CR, TI-3Al-8V-6CR-4MO-4ZR, TI-35V-15CR y TI-15MO-2.7NB-3Al-0.2SI.

(1) TI-10V-2FE-3Al (TI-10-2-3). La aleación TI-10V-2FE-3Al (TI-10-2-3) es una alta fortaleza cerca de la aleación beta desarrollada conjuntamente por la American Timet Company, Boeing Company y Wyman-Gordon en la década de 1970. Se ha aplicado con éxito a piezas estructurales clave, como el haz de cojinete principal, el ala y el eje del tren de aterrizaje de la aeronave. Después de las pruebas en el Boeing 757, la aleación fue aprobada oficialmente para su uso en el tren de aterrizaje del Boeing 777, como se muestra en la Figura 3. Desde entonces, Airbus también ha usado el TI-10-2-3 como el tren de aterrizaje en su A380 aeronave.

(2) TI-5Al-5MO-5V-3CR (TI-5553). La aleación TI-5553 es una nueva aleación de alta resistencia y alta tensión cerca de la aleación de titanio β desarrollado conjuntamente por Russia Sarda (VSMPO) y European Airbus Company, su composición nominal es TI-5Al-5MO-5V-3CR-1ZR, que es ligeramente más alto que la fuerza de aleación de TI-10-2-3 (aproximadamente 1240MPA). Después del tratamiento térmico, la resistencia a la tracción puede exceder los 1500MPa, con ciertas ventajas de rendimiento del procesamiento y una mejor endurecidez. Es especialmente adecuado para la fabricación de grandes componentes de rodamiento, como juntas de ala/percha, tren de aterrizaje/juntas de ala y piezas de tren de aterrizaje. La aleación TI-5553 se usa para la mayoría del tren de aterrizaje del nuevo avión 787 de Boeing, y también se usa para las partes del tren de aterrizaje de Airbus A350-1000.

(3) TI-15V-3CR-3SN-3Al (TI-15-3-3-3). TI-15-3-3-3 es una aleación de titanio de tipo β metaestable desarrollada en los Estados Unidos en la década de 1970. Después del tratamiento a 800 ℃ 30 minutos+540 ℃ 8HAC, la resistencia a la tracción a temperatura ambiente alcanzó 1100MPa, y la alargamiento aún estaba por encima del 9%. La aleación tiene una excelente ductilidad de compresión, formabilidad del frío y propiedades de soldadura, y es un material ideal para componentes de aviación. Se usa principalmente como piezas estructurales de fuselaje y sujetadores de aviación, y también se puede usar para hacer resortes, como se muestra en la Figura 4. El uso de beta titanio en lugar de resortes de acero puede lograr una reducción de peso del 70%.

(4) TI-6Al-2SN-4ZR-6MO (TI-6-2-4-6). El titanio 6246 es una aleación de titanio de alta temperatura de alta temperatura desarrollada por el horario en la década de 1960, con alta resistencia a la temperatura (usando temperatura a 420 ° C), buena resistencia, resistencia a la corrosión, propiedades de soldadura y procesamiento. La resistencia a la fatiga del ciclo baja de la aleación después del envejecimiento de la solución o el doble recocido es obviamente mayor que la de la aleación TI-6Al-4V correspondiente, y tiene una mayor resistencia a la fluencia de temperatura y resistencia instantánea, aleación de titanio aeroespacial, que puede usarse para fabricar para fabricar Discos y cuchillas del compresor de motor de turbina.

(5) TI-5Al-2SN-2ZR-4MO-4CR (TI-17). TI-17 es la compañía de electricidad General de los Estados Unidos a principios de la década de 1970 comenzó a investigar y el desarrollo de aleación de tipo β, alta fuerza, buena resistencia, a temperatura ambiente de resistencia de 1137 ~ 1166MPA, resistencia a la tracción de 1196 ~ 1235MPA, elongación de Más del 8%. Al mismo tiempo, tiene un buen crecimiento de grietas/resistencia a la fatiga y resistencia a la fractura. Se utiliza principalmente para un disco de ventilador de motor de aviones grandes y recién desarrollados y disco de motor de presión de aire con requisitos de alta resistencia. La Compañía General Eléctrica de los Estados Unidos y Wyman Gordon Company usaron la aleación TI-17 para fabricar el disco del motor y el eje de la abrazadera del rotor de helicópteros. El acero Kobe de Japón también comenzó a desarrollar la aleación y se usó en la fabricación de discos del motor.

(6) TI-3Al-8V-6CR-4MO-4ZR (β-C). β-C es una aleación de β-titanio metaestable desarrollada por RMI en 1969. La aleación contiene una solución más sólida, la resistencia a la tracción puede alcanzar 1240 MPa, debido a la alta resistencia, sus propiedades de tolerancia al plástico y la pérdida (resistencia a la fractura y tasa de crecimiento de la grieta de fatiga) La aleación más baja que la α+β, por lo que no se usa comúnmente en componentes críticos de carga de carga, generalmente se usa como resortes de aeronaves, sujetadores, conectores y componentes de misiles.

La investigación muestra que agregar una pequeña cantidad de C (0.1%) a β-C y realizar una cierta deformación en frío antes de envejecer puede acelerar la precipitación de la fase α durante el envejecimiento, reducir la formación del límite de grano α (GB-α) y Promover el refinamiento de grano y mantener una buena ductilidad al tiempo que obtiene una resistencia de hasta 1500MPa.

(7) TI-35V-15CR (aleación C). Solo hay una aleación beta verdadera (estable) con aplicación comercial limitada, aleación C, nominalmente TI-35V-15CR-0.05C, fabricada por Pratt y Whitney, Inc. una de las dos compañías de fabricación de motores de aviones más grandes en los Estados Unidos) desarrollado. Debido al alto contenido de la aleación estabilizada β, la aleación C no descompone la fase β en la fase α+β a la temperatura de servicio, como lo hacen las aleaciones β normales. La aleación tiene una propiedad de tracción de 1071MPA a temperatura ambiente, una resistencia de rendimiento de 1023 MPa, un alargamiento de 14.7 y una temperatura de fluencia de 540 ℃, y es utilizado por Pratt & Whitney como un sistema de escape para motores militares debido a su incendio Propiedades de protección (no combustión). Otras aleaciones de titanio se quemarán a altas tasas de flujo de masa (como el flujo de aire del motor a reacción), y el "combustible" para la combustión es titanio y aluminio, que son esenciales en casi todas las aleaciones de titanio.

(8) T I-1 5 M O-2.7 N B-3 AL-0.2 S I (β-21 1 s). β-21s (TI-15MO-2.7NB-3Al-0.2SI) es una nueva aleación de β de ultra alta resistencia desarrollada por el horario. La aleación tiene alta resistencia y buena plasticidad, y a través del tratamiento térmico, envejeciendo a un nivel de resistencia muy alto (resistencia a la tracción> 1450MPa), la plasticidad todavía se mantiene a nivel de TI-1023. Los β-21 tienen propiedades antioxidantes significativas durante el procesamiento y el uso, lo que lo hace más adecuado para procesarse en láminas delgadas. Los β-21 pueden soportar temperaturas más altas que otras aleaciones β, y la temperatura de trabajo a largo plazo puede alcanzar 540 ℃.

Debido a su mejor resistencia a las altas temperaturas, esta aleación se puede usar como vértebras de cola aerodinámica, como se muestra en la Figura 5, donde la boquilla está expuesta al escape del motor. Reemplazar la aleación a base de níquel con β-21 puede reducir en gran medida el peso de la boquilla y las vértebras de la cola.

Perorata

El análisis de la aleación de titanio y titanio aeroespacial estadounidense y europeo muestra que en los últimos años, la aleación de titanio de alta temperatura, la aleación de titanio a baja temperatura, la alta resistencia y la aleación de titanio β de alta resistencia, la aleación de titanio retardante de la llama y la aleación de tolerancia de daños se han desarrollado en el extranjero en el extranjero. Se ha utilizado ampliamente en el campo aeroespacial, que representa la dirección de desarrollo de los materiales de aleación de titanio de alto rendimiento aeroespacial.

(1) aleación de titanio de alta temperatura. Las aleaciones de titanio de alta temperatura desarrolladas en la década de 1950 están representadas por la aleación TI-6Al-4V desarrolladas en los Estados Unidos, que se adapta a una temperatura de 300-350 ° C. Las aleaciones de titanio de alta temperatura desarrolladas más tarde son principalmente cerca de El tipo α, representado por TI-6-2-4-2S y TI-1100 desarrollado en los Estados Unidos, IMI834 desarrollado en el Reino Unido y BT-36 desarrollado en Rusia, y la temperatura es tan alta como 600 ℃. Las aleaciones de titanio de alta temperatura se han utilizado ampliamente en motores aerodinámicos debido a su excelente resistencia térmica y alta resistencia específica. Otra tendencia de desarrollo de las aleaciones de titanio a alta temperatura es la aleación de aluminio de titanio, es decir, compuestos intermetálicos de Ti3al (α2) y Tial (ϒ) basados ​​en titanio y aluminio, de los cuales la aleación ϒ tiene una alta resistencia a la temperatura de 725 ℃. La aleación de aluminio de titanio se ha convertido en el material más competitivo para futuros motores de aviones y piezas estructurales de aeronaves.

(2) aleación de titanio a baja temperatura. Algunas aleaciones de titanio y titanio pueden mantener sus propiedades mecánicas originales a temperaturas bajas y ultra bajas. Los estudios sobre las aleaciones de titanio a baja temperatura en los Estados Unidos se centran principalmente en el tipo α TI-5Al-2.5SN ELI y el tipo α+β TI-6Al-4V ELI. Al reducir el contenido de elementos intermitentes, las dos aleaciones de titanio mantienen una buena resistencia y dureza a una temperatura extremadamente baja de 20k. Utilizado en vasos criogénicos, tuberías criogénicas e impulsores de motor de cohetes líquidos.

(3) aleación de titanio de alta resistencia. Las aleaciones de titanio de alta resistencia generalmente se refieren a las aleaciones de titanio con resistencia a la tracción superior a 1,000MPa, y las aleaciones de titanio de alta resistencia extranjeras se desarrollan principalmente en los Estados Unidos y Rusia. La aleación beta es la aleación de titanio de mayor fuerza, que actualmente representa el nivel avanzado internacional y en el campo de la aviación para obtener aplicaciones prácticas de aleación de titanio de alta resistencia principalmente aleación de titanio de tipo β, como los Estados Unidos TI-10-2-3, TI-15-3-3-3 y β-21, Rusia TI-5-5-5-3-1, etc. Se usa principalmente para piezas estructurales con requisitos de alta resistencia, como el tren de aterrizaje de aviones y las piezas de fuselaje.

(4) aleación de titanio retardante de llama. Para resolver el problema de la "combustión de titanio" de los materiales de aleación de titanio para motores de aeronaves para satisfacer las necesidades de los altos motores de relación de empuje a peso, Estados Unidos y Rusia han llevado a cabo el desarrollo de aleaciones de titanio retardante de llama desde la década de 1970. La aleación de titanio retardante de llama incluye principalmente dos sistemas de aleación: la aleación del sistema TI-V-CR de los Estados Unidos C (T-35V-15CR); La serie rusa Ti-C-Al es BTT-1 y BTT-3. [3] La aleación C es una aleación estable de titanio de retardante de tipo β de tipo β con alta habitación y alta resistencia a la temperatura, buena resistencia a la fluencia, una excelente resistencia a la fatiga y una formabilidad del frío, que se ha aplicado con éxito a la carcasa de compresor de alta presión, la cuchilla y el vector guía Boquilla de cola del motor F119.

Aleación de tolerancia de tolerancia de daño. Para cumplir con los requisitos de nuevas aeronaves sobre fuerza específica del material, resistencia a la fatiga, crecimiento de grietas, dureza de la fractura, costo del ciclo de vida y otras propiedades integrales, se han desarrollado aleaciones de titanio de tolerancia al daño con alta resistencia a la fractura y baja tasa de crecimiento de grietas en el extranjero. Está representado por las aleaciones α+β TI-6Al-4V ELI y TI-6-2-2-2-2-2-2S desarrolladas en los Estados Unidos. TI-6Al-4V Eli es una aleación de titanio de tolerancia a daños de resistencia media, y TI-6-2-2-2-2-2S es una aleación de titanio de tolerancia de daño de alta resistencia, que se ha utilizado ampliamente en f-22 luchadores de combate en los Estados Unidos.