Pourquoi devons-nous utiliser l’alliage de titane comme matériau des avions de transport aérien?
1. Introduction du titane
En 1948, l’american DuPont Company a utilisé la méthode du magnésium pour produire des tonnes d’éponge de titane, ce qui a marqué le début de la production industrielle d’éponge de titane. Les alliages de titane sont largement utilisés dans divers domaines en raison de leur résistance spécifique élevée, d’une bonne résistance à la corrosion et d’une résistance élevée à la chaleur. Le titane est abondant dans la croûte terrestre, se classant neuvième en contenu, beaucoup plus élevé que les métaux communs tels que le cuivre, le zinc et l’étain. Le titane est largement présent dans de nombreuses roches, en particulier le sable et l’argile.
2.Les caractéristiques du titane
Haute résistance : 1,3 fois d’alliage d’aluminium, 1,6 fois d’alliage de magnésium, 3,5 fois d’acier inoxydable, champion parmi les matériaux métalliques.
Haute résistance thermique : La température de fonctionnement est plusieurs centaines de degrés supérieure à celle de l’alliage d’aluminium, et elle peut fonctionner longtemps à une température de 450 à 500 °C.
Bonne résistance à la corrosion : résistance à l’acide, résistance aux alcalins, résistance à la corrosion atmosphérique, résistance particulièrement forte à la corrosion des piqûres et à la corrosion par contrainte.
Bonne performance à basse température : L’alliage de titane TA7 avec des éléments interstitiels extrêmement bas peut maintenir un certain degré de plasticité à -253°C.
Activité chimique élevée : L’activité chimique est élevée à haute température, et elle réagit facilement avec des impuretés de gaz telles que l’hydrogène et l’oxygène dans l’air pour former une couche durcie.
La conductivité thermique est faible et le module d’élasticité est faible : la conductivité thermique est d’environ 1/4 de nickel, 1/5 de fer et 1/14 d’aluminium. La conductivité thermique de divers alliages de titane est environ 50% inférieure à celle du titane. Le module élastique de l’alliage de titane est d’environ 1/2 de celui de l’acier.
3.The classification et utilisation des alliages de titane
Les alliages de titane peuvent être divisés en alliages résistants à la chaleur, alliages haute résistance, alliages résistants à la corrosion (titane-molybdène, alliages titane-palladium, etc.), alliages à basse température et alliages fonctionnels spéciaux (matériaux de stockage d’hydrogène titane-fer et alliages mémoire titane-nickel) Attendez. Bien que l’histoire du titane et de ses alliages ne soit pas longue, mais en raison de sa performance supérieure, il a remporté de nombreux titres honorables. Le premier titre remporté est « Space Metal ». Il est léger, fort et résistant aux températures élevées, et est particulièrement adapté à la fabrication d’avions et de divers engins spatiaux. Actuellement, environ les trois quarts des alliages de titane et de titane produits dans le monde sont utilisés dans l’industrie aérospatiale. Beaucoup de pièces qui utilisaient à l’origine des alliages d’aluminium ont changé en alliages de titane.
applications 4.Aerospace des alliages de titane
Les alliages de titane sont principalement utilisés dans les matériaux de fabrication d’aéronefs et de moteurs, tels que les ventilateurs en titane forgés, les disques et les pales des compresseurs, les capots moteur, les dispositifs d’échappement et d’autres pièces, ainsi que les pièces de cadre structurales telles que les cadres de poutres d’avion. Le vaisseau spatial utilise principalement la résistance spécifique élevée, la résistance à la corrosion et la résistance à basse température des alliages de titane pour fabriquer divers récipients à pression, réservoirs de carburant, attaches, sangles d’instruments, cadres et obus de fusée. Les satellites terrestres artificiels, les modules lunaires, les engins spatiaux habités et les navettes spatiales utilisent également des pièces soudées en alliage de titane. Pourquoi devons-nous utiliser de l’alliage de titane pour le matériel des avions de transport aérien? En 1950, les États-Unis l’ont utilisé pour la première fois sur des chasseurs-bombardiers F-84 comme composants non porteurs de charge tels que des boucliers thermiques arrière du fuselage, des déflecteurs de vent et des couvercles de queue. Depuis les années 1960, l’utilisation de l’alliage de titane est passée du fuselage arrière au fuselage central, remplaçant partiellement l’acier structurel pour fabriquer d’importants composants porteurs tels que des cloisons, des poutres et des glissières à volets. Depuis les années 1970, les avions civils ont commencé à utiliser des alliages de titane en grande quantité. Par exemple, l’avion de passagers Boeing 747 utilise plus de 3 640 kilogrammes de titane, ce qui représente 28 % de la poids de l’avion. Avec le développement de la technologie de traitement, une grande quantité d’alliage de titane est également utilisée dans les fusées, les satellites artificiels et les engins spatiaux. Plus l’avion est avancé, plus le titane est utilisé. L’alliage de titane utilisé par les avions de chasse américains F-14A représente environ 25 % de la poids de l’avion; les avions de chasse F-15A représentent 25,8 %; les avions de chasse américains de quatrième génération utilisent 41 % du titane, et le moteur F119 utilise 39 % du titane. L’avion avec la plus grande quantité de titane.
5.The raison pour laquelle l’alliage de titane est employé couramment dans l’aviation
La vitesse de pointe des avions modernes a atteint plus de 2,7 fois la vitesse du son. Un vol supersonique aussi rapide fera frotter l’avion contre l’air et générera beaucoup de chaleur. Lorsque la vitesse de vol atteint 2,2 fois la vitesse du son, l’alliage d’aluminium ne peut pas y résister. Alliage de titane résistant à haute température doit être utilisé. Lorsque le rapport poussée/poids de l’aéromoteur passe de 4-6 à 8-10, et que la température de sortie du compresseur passe de 200-300°C à 500-600°C, les disques et lames de compresseur basse pression d’origine en aluminium doivent être changés en alliage de titane. Ces dernières années, les scientifiques n’ont cessé de faire de nouveaux progrès dans la recherche sur les propriétés des alliages de titane. L’alliage de titane d’origine composé de titane, d’aluminium et de vanadium a une température de fonctionnement maximale de 550 °C à 600 °C, tandis que l’alliage en aluminium de titane (TiAl) nouvellement développé a une température de fonctionnement maximale de 1040 °C. L’utilisation d’alliage de titane au lieu d’acier inoxydable pour fabriquer des disques et des lames de compresseur haute pression peut réduire le poids structurel. Chaque réduction de poids de 10 % de l’avion peut faire économiser 4 % de carburant. Pour la fusée, chaque réduction de poids de 1 kg peut augmenter la portée de 15 km.
6.Analyse des caractéristiques d’usinage de l’alliage de titane
Premièrement, la conductivité thermique des alliages de titane est faible, seulement 1/4 d’acier, 1/13 d’aluminium et 1/25 de cuivre. En raison de la lente dissipation de chaleur dans la zone de coupe, il n’est pas propice à l’équilibre thermique. Pendant le processus de coupe, l’effet de dissipation et de refroidissement de la chaleur est très faible, et il est facile de former une température élevée dans la zone de coupe. Après le traitement, la déformation et le rebond des pièces sont importants, ce qui provoque l’augmentation du couple de l’outil de coupe et l’usure de pointe rapide. La durabilité est réduite. Deuxièmement, la faible conductivité thermique de l’alliage de titane rend la chaleur de coupe difficile à dissiper dans une petite zone près de l’outil de coupe. Le frottement de la face du râteau est augmenté, l’enlèvement des copeaux n’est pas facile, et la coupe de la chaleur est difficile à dissiper, ce qui accélère l’usure de l’outil. Enfin, les alliages de titane ont une activité chimique élevée et sont faciles à réagir avec les matériaux de l’outil lorsqu’ils sont traités à haute température, formant la dissolution et la diffusion, causant le collage, la combustion et la rupture du couteau.