أسباب استخدام التيتانيوم

أسباب استخدام التيتانيوم

تقليل الوزن

توفر القوة العالية والكثافة المنخفضة التيتانيوم (أقل بنسبة 40٪ من الصلب) العديد من الفرص لخفض الوزن. وأفضل الأمثلة على ذلك هو استخدامه على معدات الهبوط لطائرات بوينغ 777 و787 وإيرباص A380. ويبين الشكل 1 معدات الهبوط على الطائرة 777. 1 جميع الأجزاء المعلمة مصنوعة من Ti-10V-2Fe-3Al. الحد الأدنى لقوة الشد من هذه السبائك هو 1,193 MPa; يتم استخدامه ليحل محل عالية القوة منخفضة سبيكة الصلب 4340M المستخدمة في 1930 MPa. وأدى هذا الاستبدال إلى خفض الوزن بأكثر من 580 كجم. 1 بوينغ 787 يستخدم الجيل القادم من سبائك التيتانيوم عالية القوة Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr، وهو أعلى قليلا في القوة ولديه بعض مزايا المعالجة. استخدام التيتانيوم في هيكل معدات الهبوط ينبغي أيضا أن تقلل بشكل كبير من تكلفة الصيانة من معدات الهبوط لمقاومة التآكل. الكثافة المنخفضة والقوة العالية تجعلها جذابة للغاية لقطع الغيار الترددية ، مثل ربط قضبان لتطبيقات السيارات. وبالمثل، فإن سعر السيارات العائلية مرتفع للغاية، ولكن وزارة الطاقة الأميركية تستثمر بكثافة لجعل سعر مكونات التيتانيوم للسيارات والشاحنات معقولا. (التيتانيوم قد استخدمت بنجاح في سيارات السباق الراقية، والتكلفة ليست مشكلة كبيرة.)

قيود المساحة

لا يظهر هذا التطبيق في كثير من الأحيان، ولكن من المهم. أفضل الأمثلة هي الحزم معدات الهبوط المستخدمة على 737، 747، و 757. هذا المكون يمتد بين الأجنحة وجسم الطائرة، ودعم معدات الهبوط. تستخدم طائرات بوينغ الأخرى سبائك الألومنيوم في هذا التطبيق ، ولكن بالنسبة للطائرات المذكورة أعلاه ، فإن الحمل أعلى وهيكل الألومنيوم غير مناسب لمغلف الجناح. سبائك الألومنيوم سيكون الخيار الأول لأن تكلفته أقل من ذلك بكثير. الصلب هو خيار آخر، ولكن الوزن سيكون أعلى.

درجة حرارة التشغيل

هيكل المحرك ومنطقة العادم العمل في درجات حرارة عالية، وبالتالي فإن الخيار الرئيسي هو سبائك التيتانيوم القائم أو القائمة على النيكل. وبالمثل، فإن سبائك النيكل زيادة الوزن بشكل ملحوظ. درجة حرارة خدمة سبائك محرك التيتانيوم مرتفعة مثل حوالي 600 درجة مئوية. يمكن لبعض التطبيقات، مثل المقابس وال وفوهات (الشكل 2)، تحمل درجات الحرارة فوق درجة الحرارة هذه لفترة قصيرة من الزمن في ظل ظروف تشغيل معينة. باستثناء سبائك المحرك الخاصة، والحد من درجة حرارة سبائك التيتانيوم هو ما يقرب من 540 درجة مئوية. فوق درجة الحرارة هذه ، يصبح تلوث الأكسجين مشكلة ، مما يجعل السطح هشا. كما يستخدم التيتانيوم في الهياكل في درجات حرارة منخفضة، مثل المكرهين من محركات الصواريخ.

مقاومة التآكل

التيتانيوم لديه أكسيد الوليدة صعبة جدا التي سوف تتشكل على الفور عندما تتعرض للهواء. هذا أكسيد هو المسؤول عن مقاومة التآكل ممتازة. في بيئة الفضاء الجوي ، والتآكل ليس عاملا في التيتانيوم. التيتانيوم ليس حرض. ويرى المؤلف أن هذا هو جوهر تجربة الخدمة عالية الجودة. في الاستخدام، والألومنيوم وسبائك الصلب في نهاية المطاف تشكيل حفر التآكل، والتي تعمل بمثابة الناهضين الإجهاد ومن ثم تسبب تآكل الإجهاد أو الشقوق التعب. هذا لا يحدث مع التيتانيوم. هذه المقاومة للتآكل يمر من خلال الصناعات الكيميائية والبتروكيماويات واللب والورق والبناء. التيتانيوم وسبائكه لديها مقاومة ممتازة في ظل معظم الظروف المؤكدة والمحايدة والحد من المثبطة. كما أن لديها مقاومة للتآكل في جسم الإنسان. التوافق البيولوجي هو أيضا جيدة جدا; يتم استخدامه في جهاز اصطناعي، وسوف تنمو العظام إلى هيكل التيتانيوم مصممة بشكل معقول. ويستخدم أيضا التيتانيوم النقي التجاري في تطبيقات البناء الخارجي، وبدأت هذه الممارسة في اليابان. يتم استخدامه على السطح الخارجي لأنه لا يحتاج إلى أي صيانة. الأكثر شهرة من هذه هو استخدامه على السطح الخارجي لمتحف غوغنهايم في بلباو، إسبانيا.

توافق المواد المركبة

التيتانيوم متوافق مع ألياف الجرافيت في مركبات البوليمر. هناك إمكانات كهربائية عالية بين الألومنيوم والجرافيت. إذا كان الألومنيوم يأتي في اتصال مع الجرافيت عندما الرطب، سيتم تآكل الألومنيوم بعيدا. يمكن عزله عن المواد المركبة بطرق مثل طبقات الألياف الزجاجية ، ولكن في المناطق التي يصعب فحصها واستبدالها ، يتم استخدام التيتانيوم كطريقة محافظة. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أن معامل التوسع الحراري (CTE) من التيتانيوم أعلى من معامل الجرافيت ، إلا أنه أقل بكثير من معامل الألومنيوم. حتى ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل لهيكل جسم الطائرة ، من حوالي -60 درجة مئوية أثناء الإبحار إلى +55 درجة مئوية في الطقس الحار ، فإن الفرق في CTE لهيكل الألومنيوم المرفق بالمواد المركبة سيسبب حمولة عالية جدا. هذه ليست مشكلة مع هيكل التيتانيوم. من الواضح أنه كلما طال العنصر ، زادت مشكلة استخدام الألومنيوم.

معامل منخفض

المجال الرئيسي للأهمية هو استبدال الينابيع الصلب. منذ المغير حوالي نصف ذلك من الصلب، وهناك حاجة فقط نصف عدد لفائف. الجمع بين قوة عالية وكثافة (حوالي 60٪ من الصلب)، يمكن الينابيع الصلب من الناحية المثالية خفض الوزن بنسبة 70٪ تقريبا. بالإضافة إلى ذلك ، التيتانيوم يوفر مقاومة ممتازة للتآكل ، وبالتالي تقليل تكاليف الصيانة.

درع

التيتانيوم لديه مقاومة باليستية ممتازة. بالمقارنة مع الصلب أو الألومنيوم درع، لديها نفس الحماية البالستية في الكثافة الجانبية للاهتمام، ويمكن أن تقلل من الوزن بنسبة 15-35٪، وبالتالي خفض كبير في وزن المركبات القتالية البرية العسكرية. تتمتع المركبات الخفيفة بقدرة نقل و قدرة على المناورة بشكل أفضل. مقاومة ممتازة للتآكل، وانخفاض ferromagnetism، والتوافق مع المواد المركبة توفر أيضا مزايا كبيرة. مشروعان يستخدمان التيتانيوم في مركبات مطورة هما مركبة قتال المشاة برادلي (الشكل 3) ودبابة القتال الرئيسية أبرامز. 2 تم تخفيض التكلفة العالية نسبيا التيتانيوم بنجاح باستخدام لوحات مصنوعة من الحزم الإلكترونية، والمواقات الباردة، وسبائك ذوبان واحد. 3