티타늄은 널리 분포되어 있으며 그 함량은 지각 질량의 0.4%를 초과하며 전 세계적으로 입증된 매장량은 약 34억 톤으로 모든 원소(산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘) 중에서 10위입니다. , 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 수소, 티타늄).
미국 과학자들은 1910년 "나트륨법"(TiCl4의 나트륨 환원)을 사용하여 금속 티타늄을 처음 얻었지만 티타늄 산업은 티타늄의 발견과 함께 즉시 발전하지 않았습니다.
룩셈부르크 과학자들이 발명한 "마그네슘 방법"(마그네슘 환원 TiCl4)이 미국에서 생산에 사용되어 티타늄 산업이 본격화되기 시작한 것은 제2차 세계 대전 후 1948년이 되어서였습니다.
티타늄은 강철보다 밀도가 40% 낮고 강도가 강철과 비슷하여 구조적 효율성을 높일 수 있습니다. 동시에 티타늄은 내열성, 내식성, 탄성, 탄성 및 성형성이 우수합니다. 티타늄의 위와 같은 특성으로 인해 티타늄 합금이 등장한 이래 항공 산업에서 티타늄 합금이 사용되었습니다. 1953년 미국 더글라스 컴퍼니에서 생산한 DC-T 엔진 방화벽과 나셀에 티타늄을 처음 사용하면서 항공에 사용되는 티타늄 합금의 역사가 시작됐다.
우주 왕복선은 가장 중요하고 가장 널리 사용되는 항공기입니다. 티타늄은 항공기의 주요 구조 재료이자 항공 엔진 팬, 압축기 디스크 및 블레이드와 같은 중요한 구성 요소에 선택되는 재료로 "스페이스 메탈"로 알려져 있습니다. 항공기가 발전할수록 더 많은 티타늄이 사용됩니다. 예를 들어 미국 F22 4세대 항공기의 티타늄 함량은 41%(질량분율)이고, F119 엔진의 티타늄 함량은 39%로 현재 가장 높은 티타늄 함량을 가진 항공기다. 티타늄 합금 연구는 항공에서 시작되었으며 항공 산업의 발전은 티타늄 합금 개발을 촉진했습니다. 항공용 티타늄 합금 연구는 티타늄 합금 분야에서 항상 가장 중요하고 활발한 분야였지만 그 개발도 매우 어렵습니다.
본 논문에서는 티타늄 합금을 합금 기지상 조성의 관점에서 분류하였다. 항공기를 대표하는 항공기로 본 논문은 항공기 엔진, 항공기 동체 및 항공 패스너에 티타늄 합금을 적용하고 연구하는 데 중점을 둡니다. 마지막으로 항공용 티타늄 합금 개발에 존재하는 문제점을 분석한다.
1 티타늄 합금의 분류
미국, 영국, 러시아, 프랑스, 일본 및 기타 국가에서 티타늄 합금의 분류는 대부분 제조업체에 의해 결정되며 많은 이름이 있습니다. 일부 회사는 Ti-6Al{1}}V(우리 나라의 TC4와 동일)와 같이 추가된 합금 원소와 그 함량을 대체하기 위해 원소의 화학 기호와 번호를 직접 사용합니다. 상 구성에 따라 티타늄 합금은 다음과 같이 나눌 수 있습니다. -육각형 조밀 구조(HCP)를 갖는 티타늄 합금(근처{5}}형 합금 포함) - 즉, 국내 등급 TA 및 2상 혼합 플러스형 티타늄 합금, 즉 국내 등급 TC 및 체심 입방체(BCC) 유형 티타늄 합금(근접형 합금 포함), 즉 국내 브랜드는 TB입니다.
1.1 -티타늄 합금 유형
α-티타늄을 소둔 상태의 기지로 한 단상 고용체 합금은 α-형 티타늄 합금으로 주로 Al, Sn 등의 원소를 함유하고 있다. Al은 합금의 인장 및 크리프 강도를 높이고 티타늄 합금의 밀도를 낮추며 비강도를 향상시킬 수 있으며 티타늄 합금의 중요한 합금 원소입니다. 알루미늄의 고용 강화 효과를 최대화하고 과도한 Al에 의한 합금 취화를 피하기 위해 고온 티타늄 합금의 합금 작업은 ROSENBERG에서 제안한 등가 실험식을 따라야 합니다. 좋은 열 안정성. 알파 티타늄 합금의 이러한 원소는 변태 온도에서 변태 온도를 억제하거나 증가시켜 안정화시키는 역할을 합니다. -형 티타늄 합금과 비교하여 -형 합금은 내크리프성, 강도, 용접성 및 인성이 좋으며 고온에서 사용하기에 선호되는 합금입니다. 동시에 - 형 합금은 냉간 취성이 없으며 저온 환경에서도 사용하기에 적합하여 적용 범위가 확장됩니다. -계 합금은 단조성이 나쁘고 단조 결함이 발생하기 쉽습니다. 단조 불량은 패스당 처리율을 낮추고 빈번한 열처리를 통해 제어할 수 있습니다. 매트릭스는 안정한 상이며, 주어진 조성 합금의 경우, 항복 강도와 크리프 강도 모두가 결정립 크기 및 변형 동안 저장된 에너지와 관련이 있기 때문에 그 특성의 변화는 주로 결정립 크기의 변화입니다. α형 티타늄 합금의 강도는 열처리에 의해 향상될 수 없으며, 기본적으로 소둔 후 강도의 변화가 거의 없거나 거의 없다. 일부 합금은 더 많은 Al, Sn, Zr 및 소량의 안정화 요소(일반적으로 2% 미만)를 포함합니다. 이러한 합금에는 -상이 포함되어 있지만 기지가 주로 -상으로 구성되어 있어 열처리 감도 및 가공성 측면에서 -형 합금에 매우 가깝고, 이를 니어형 티타늄 합금이라고 합니다. 근형 합금은 고용체 합금 원소로 매트릭스를 강화함으로써 높은 크리프 강도를 얻을 수 있다는 인식을 바탕으로 개발되었습니다. 대부분의 근접형 합금은 이제 우수한 열 안정성으로 인해 고온 티타늄 합금이 되었습니다. 중요한 합금 유형. 그것의 강화 메커니즘은 위상의 원자가 빠르게 확산되고 크리프(creep)하기 쉽다는 것입니다.
일반적인 유형의 티타늄 합금(근{1}}유형 합금 포함)에는 Ti811(Ti-8Al-1Mo{5}}V), Ti-6Al{7 }}Zr-1Mo-1V, Ti{10}}(Ti{11}}.25Al{13}}Sn{14}}Zr{15}}Mo{ {16}}.25Si), BT18(Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si) 및 Ti6242S(Ti{ {28}}Al-2Sn-4Zr-2Mo{32}}.1Si) 등. 조성 및 특성은 표 2에 나열되어 있습니다.
1.2 플러스형 티타늄 합금
티타늄 합금의 강도와 인성을 향상시키기 위해 사람들은 플러스 티타늄 합금을 개발했습니다. 다른 티타늄 합금과 비교하여 플러스 합금에는 -안정화 원소와 -안정화 원소가 첨가되어 및 위상을 강화합니다. 플러스 합금은 우수한 종합 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 실온 강도는 합금보다 높습니다. 열처리 성능이 우수하고 열처리에 의해 강화될 수 있어 항공우주 구조 부품에 적합합니다. 플러스 형 티타늄 합금의 소둔 조직은 플러스 상이며상의 함량은 일반적으로 5 % ~ 40 %입니다. 그러나 구조가 충분히 안정적이지 않고 최대 작동 온도가 500도에 도달할 수 있으며 용접 성능과 내열성이 -형 티타늄 합금보다 낮습니다.
플러스 유형 티타늄 합금은 주로 TC4(Ti-6 Al - 4 V ), TC 6(Ti - 6 Al - 1.5 C r -2.5Mo{ {9}}.5Fe{11}}.3Si), TC11(Ti{14}}.5Al{16}}.5Mo{18}}.5Zr{20}}.3Si), TC17( Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo{27}}Cr), TC19(Ti-6Al{30}}Sn{{ 31}}Zr-6Mo) 및 TC21(Ti-6.2Al-2.8Mo) -2Nb-2Sn-2.1Zr{ {42}}.3Cr) 등이 있습니다. 그 중 TC11 합금은 베타에 가까운 합금으로도 알려져 있습니다.
ZHOU는 TC11 합금의 가공 기술을 제안했습니다. 먼저 합금을 -전이 온도보다 15도 낮은 온도에서 열처리한 후 급속 수냉한 후 고온 및 저온 인성 강화 열처리를 거쳐 새로운 미세 조직을 얻습니다. 이 새로운 미세구조 매트릭스는 15%의 등축 결정립, 50~60%의 층상 결정립 및 변형된 결정립으로 구성됩니다. 연구 결과에 따르면 합금은 가소성 및 열 안정성을 감소시키지 않으면서 높은 피로 저항, 긴 크리프 피로 수명, 높은 인성 및 우수한 고온 서비스 성능을 나타냅니다.
그리고 새로운 공정과 강화 메커니즘의 실험 원리에 대해 논의합니다. 이 처리 기술의 실제 적용에서 핵심 문제는 온도의 정확한 제어입니다.
이 TC11 티타늄 합금 가공 공정은 신뢰할 수 있는 항공기 엔진 압축기 디스크, 로터 및 기타 부품을 생산하는 데 사용되었습니다.
1.3 -티타늄 합금 유형
-안정화 원소의 함량이 충분히 높으며, 용체화 처리 후 -상을 급냉하여 실온으로 유지한 합금을 -형 티타늄 합금이라고 한다. 안정 상태 미세 조직의 분류에 따라 티타늄 합금은 그림 1과 같이 안정 티타늄 합금과 준안정 티타늄 합금으로 나눌 수 있습니다. 그림 1에서 MS는 마르텐사이트 변태 온도선, C는 -안정 원소의 최소 함량 준안정 합금에서 S는 안정 합금에서 -안정 원소의 최소 함량입니다.
베타 합금은 용액 상태에서 냉간 성형성이 우수하고, 경화성 및 열처리 응답성이 우수합니다.
일반적으로 사용되는 열처리 방법은 1차 용체화 처리, 그 다음 450~650도에서 시효 처리하는 것입니다. 미세 상이 합금의 원래 매트릭스에 석출되어 분산 분포가 있는 두 번째 상을 형성하는 합금의 강화 메커니즘입니다. 다른 유형의 티타늄 합금과 비교할 때 -티타늄 합금은 노화 동안 더 많은 상을 석출하고 전위의 이동을 방해하는 더 많은 상 계면을 포함하므로 -티타늄 합금의 실온 강도가 가장 높습니다.
금속 재료가 변형 및 파괴 중에 에너지를 흡수하는 능력을 인성이라고 합니다. 재료가 흡수하는 에너지가 많을수록 인성이 좋아집니다. 파괴 인성은 균열 및 기타 날카로운 결함의 전파에 대한 재료의 저항을 반영하는 재료의 인성을 나타내는 지표입니다. 일반적으로 티타늄 합금의 파괴인성과 강도는 반대의 경향을 보이며, 강도가 증가할수록 파괴인성은 감소한다. 항공 우주 산업에서 티타늄 합금의 적용을 연구하려면 우수한 강도와 파괴 인성을 가진 미세 구조와 가공 기술 및 열처리 방식을 설계하는 것이 필요합니다. 합금 조성과 미세 구조는 베타 티타늄 합금의 파괴 인성을 결정하는 두 가지 주요 요소입니다. 합금 조성은 합금의 베타 상의 양과 합금의 유형 및 파괴 인성을 결정합니다. 미세 구조의 형태, 양 및 부피도 합금의 파괴 인성에 영향을 미칩니다. Fu Yanyan 등은 -titanium 합금의 -안정화 원소와 중형 원소 Zr이 합금의 강도를 향상시키고 파괴 인성을 감소시킬 수 있다고 믿었습니다. 미세 입자는 노화된 티타늄 합금의 강도를 효과적으로 향상시킬 수 없으며 Ti{4}} 합금의 파괴 인성을 감소시키지만 -C 및 Ti{6}} 합금의 파괴 인성에는 큰 영향을 미치지 않습니다.
에이징-티타늄 합금의 강도는 주로 에이징에 의해 침전된 2차 상의 함량과 크기에 따라 달라집니다. 동일한 1차상을 포함하는 경우 미세한 2차상은 합금의 강도를 현저히 향상시킬 수 있다.
1차상의 조대화 및 1차상의 구형에서 박편으로의 변형은 α-티타늄 합금의 연성을 감소시키고 파괴 인성을 증가시킵니다. 티타늄 합금의 이중 모드 구조는 강도, 연성 및 인성이 잘 일치합니다.
-티타늄 합금이 널리 사용되는 이유는 또한 노화 후 다른 유형의 티타늄 합금이 따라할 수 없는 고강도 및 고가소성의 장점이 있기 때문입니다. 동시에 티타늄 합금의 열처리 가능한 강화 및 깊은 경화 능력으로 인해 항공기 동체 및 날개에 선호되는 구조 재료로 점차적으로 플러스 2 상 티타늄 합금을 대체하고 점점 더 중요한 역할을합니다. 항공우주산업. 점점 더 중요한 역할.
2 항공용 티타늄 합금 개발 및 응용
1950년대에 군용 항공기는 초음속 시대에 접어들었고 원래의 알루미늄과 강철 구조는 더 이상 새로운 요구를 충족시킬 수 없었습니다. 이때 티타늄 합금이 산업 발전 단계에 들어섰습니다. 티타늄 합금은 저밀도, 고비강도, 내식성, 고온저항성, 비자성, 용접성, 넓은 사용온도 범위(269~600도) 등의 특성이 우수하여 다양한 부품 성형, 용접 및 기계가공에 사용할 수 있습니다. . 항공학은 곧 널리 사용되었습니다. 1950년대 초, 군용 항공기는 방열판, 테일 카울 및 후방 동체의 스피드 브레이크와 같은 응력이 적은 구조 부품을 제조하기 위해 산업용 순수 티타늄을 사용하기 시작했습니다. 1960년대에는 항공기 플랩 슬라이딩, 내 하중 격벽, 미드윙 박스 빔 및 랜딩 기어 빔과 같은 주요 응력 베어링 구조 부품에 티타늄 합금이 추가로 적용되었습니다. 1970년대까지 항공기 구조에 티타늄 합금의 적용은 전투기에서 대형 군용 폭격기 및 수송기로 확대되었으며 많은 수의 티타늄 합금 구조가 민간 항공기에도 사용되었습니다.
1980년대에 들어서면서 민간 항공기에 사용되는 티타늄이 점차 증가하여 군용 항공기에 사용되는 티타늄을 능가하게 되었습니다. 항공기가 발전할수록 더 많은 티타늄이 사용됩니다. 표 3과 5는 미국의 3, 4세대 전투기와 첨단 폭격기와 수송기에 사용되는 티타늄 재료의 질량 분율, 일반 항공기에 사용되는 티타늄 합금의 종류, 티타늄 합금과 복합재료의 양을 나열한 것이다. 에어버스 항공기에 사용. Airbus A380 항공기의 티타늄 사용률이 10%에 도달했으며, 현대 항공기에 없어서는 안될 구조재가 된 것을 Table 5에서 알 수 있다. 다른 용도에 따라 항공용 티타늄 합금은 항공기 엔진용 티타늄 합금, 항공기 동체용 티타늄 합금 및 항공 패스너용 티타늄 합금으로 나눌 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 사람들은 위의 세 가지 측면에서 항공 티타늄 합금의 응용에 대해 심층 연구를 수행했습니다.
요약하면, 티타늄 합금은 추력 대 중량비가 크고 인성이 높으며 강도 및 용접성이 우수하며 종합 물성이 우수한 항공 소재입니다. 지난 수십 년 동안 항공 용 티타늄 합금의 합금 이론, 종합 강화 및 강화 기술 및 열처리 공정이 크게 발전했습니다. 현재 티타늄 합금에 대한 연구는 주로 고온에서의 열안정성, 내크리프성 및 저가형 티타늄 합금 설계 및 제조 공정에 중점을 두고 있습니다. 연구가 심화됨에 따라 티타늄 합금의 저비용 가공 기술 진보는 고급 항공 응용 분야에 의해 주도되어 항공 용 티타늄 합금의 복용량 및 응용 수준 향상을 제한하는 비용 병목을 근본적으로 돌파합니다. 머지 않은 미래에 전체 티타늄 항공기가 현실이 될 수 있습니다.
자세한 내용은 당사에 문의하십시오. 고맙습니다
니콜
회사: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
국가: 중국
추가: Baoti 도로, Jintai, Baoji 시, 산시, 중국
셀: 플러스 86 13369210920
웹사이트:www.jm-titanium.com
