ההיסטוריה של יישומי טיטניום בתעופה החלה בשנת 1953 עם השימוש הראשון בטיטניום בתרמילים ובחומות האש של ה-DC-T שיוצר על ידי דאגלס בארצות הברית. מאז, טיטניום נמצא בשימוש במטוסים כבר כמעט 50 שנה. מכיוון שיש לו איכויות מועילות רבות המתאימות ליישומי מטוסים, טיטניום נמצא בשימוש נרחב בתעופה. נדון בצורך בטיטניום בדיון של היום על חומרי מטוסים.
1. מבוא טיטניום
הייצור התעשייתי הראשון של ספוג טיטניום, או טיטניום, החל רק בשנת 1948 כאשר חברת דופונט האמריקאית ייצרה טונות של ספוג טיטניום באמצעות תהליך המגנזיום. בגלל החוזק הספציפי הגבוה שלה, העמידות המצוינת בפני קורוזיה ועמידות החום הגבוהה שלה, סגסוגת הטיטניום נמצאת בשימוש נרחב במגוון תעשיות. טיטניום מדורג במקום העשירי במונחים של שפע בקרום כדור הארץ, גדול בהרבה ממתכות נפוצות כמו נחושת, אבץ ופח. חול וחימר הם שני סוגים של סלעים שבהם טיטניום נמצא בשפע במיוחד.
2. המאפיינים של טיטניום
חוזק גבוה: פי 1.3 מסגסוגת אלומיניום, פי 1.6 מסגסוגת מגנזיום ופי 3.5 מזה של נירוסטה, האלופה בין חומרי המתכת.
חוזק תרמי גבוה: טמפרטורת השימוש גבוהה בכמה מאות מעלות מזו של סגסוגת אלומיניום, ויכולה לעבוד לאורך זמן בטמפרטורה של 450 עד 500 מעלות.
עמידות בפני קורוזיה טובה: עמיד בפני קורוזיה חומצה, אלקלית ואטמוספרית, עמידות חזקה במיוחד בפני קורוזיה ומתח.
תכונות טובות של טמפרטורה נמוכה: סגסוגת טיטניום TA7 עם יסודות ביניים נמוכים מאוד יכולה לשמור על מידה מסוימת של פלסטיות ב--253 מעלות.
פעילות כימית גבוהה: פעילות כימית גבוהה בטמפרטורות גבוהות, מגיבה כימית בקלות עם זיהומים גזים כמו מימן וחמצן באוויר לייצור שכבה מוקשה.
מוליכות תרמית קטנה, מודול גמישות קטן: המוליכות התרמית היא כ-1/4 מניקל, 1/5 מברזל ו-1/14 מאלומיניום, בעוד שהמוליכות התרמית של סגסוגות טיטניום שונות נמוכה בכ-50 אחוז מזו של טיטניום. מודול האלסטיות של סגסוגות טיטניום הוא בערך 1/2 מזה של פלדה.
3. סיווג ושימושים בסגסוגות טיטניום
סגסוגות עמידות חום, סגסוגות בעלות חוזק גבוה, סגסוגות עמידות בפני קורוזיה (סגסוגות טיטניום-מוליבדן, סגסוגות טיטניום-פלדיום וכו'), סגסוגות בטמפרטורה נמוכה וסגסוגות פונקציונליות ייחודיות הן כמה קטגוריות לסגסוגות טיטניום המבוססות על השימוש המיועד שלהן ( חומרי אחסון מימן טיטניום-ברזל וסגסוגות זיכרון טיטניום-ניקל). למרות העובדה שטיטניום וסגסוגותיו לא היו בשימוש במשך תקופה ארוכה מאוד, הם כבר קיבלו מספר רב של פרסים גדולים על איכויותיהם יוצאות הדופן. בגלל חוזקו, משקלו הנמוך ועמידותו לטמפרטורות גבוהות, הוא מתאים במיוחד לייצור של חלליות ומטוסים שונים. מגזר התעופה והחלל משתמש כיום בכ-75 אחוז מסגסוגות הטיטניום והטיטניום המיוצרות ברחבי העולם. ישנם מספר רכיבים אשר נבנו בעבר מסגסוגות טיטניום אך נבנו במקור מסגסוגות אלומיניום.
4. סגסוגת הטיטניום של יישומי תעופה
סגסוגת טיטניום משמשת בעיקר בחומרי ייצור של מטוסים ומנועים, כגון חישול מאווררי טיטניום, דיסקים ולהבים מדחסים, כיסויי מנוע, התקני פליטה וחלקים אחרים, כמו גם מרווח קורות המטוס וחלקי מסגרת מבניים אחרים. לווייני אדמה מלאכותיים, מודולי ירח, חלליות מאוישות ומעבורות חלל משתמשים גם בחלקים מרותכים מסגסוגת טיטניום.
בשנת 1950 ארצות הברית בפעם הראשונה במפציץ הקרב F-84 כמגן החום של גוף המטוס האחורי, מגן הרוח, הכיסוי הזנב ורכיבים אחרים שאינם נושאי עומס. שנות ה-60 החלו להשתמש בחלקי סגסוגת טיטניום מהגוף האחורי ועד לגוף המטוס, בחלקו במקום מרווח ייצור פלדה מבנית, קורה, מגלשת דש ורכיבים נושאי עומס חשובים אחרים. משנות ה-70 ואילך, מטוסים אזרחיים החלו להשתמש בסגסוגת טיטניום בכמויות גדולות, כמו מטוס הנוסעים של בואינג 747 עם טיטניום הסתכם ב-3640 יותר מ-28 אחוז ממשקל המטוס. עם התפתחות טכנולוגיית העיבוד, ברקטות, לוויינים מלאכותיים וחלליות, השתמשו גם במספר רב של סגסוגת טיטניום.
ככל שהמטוס מתקדם יותר, כך נעשה שימוש רב יותר בטיטניום. US F-14מטוס קרב משתמש בסגסוגת טיטניום, המהווה כ-25 אחוז ממשקל המטוס; F-15מטוס קרב ב-25.8 אחוזים; הדור הרביעי של מטוסי קרב אמריקאים עם 41 אחוז מכמות הטיטניום, מנוע ה-F119 שלו עם 39 אחוז מכמות הטיטניום, הוא כיום הכמות הגבוהה ביותר של מטוסי טיטניום.
5. סיבות מדוע סגסוגות טיטניום משמשות במספרים גדולים בתעופה
המהירות המרבית של הפלגת מטוסים מודרניים הגיעה ליותר מפי 2.7 ממהירות הקול. טיסה על-קולית מהירה כזו תגרום למטוס להתחכך באוויר וליצור חום רב. כאשר מהירות הטיסה מגיעה לפי 2.2 ממהירות הקול, סגסוגות האלומיניום כבר אינן יכולות לעמוד בכך. יש להשתמש בסגסוגות טיטניום עמידות בטמפרטורה גבוהה.
כאשר יחס הדחף למשקל של מנוע התעופה גדל מ-4-6 ל-8-10, הטמפרטורה של יציאת המדחס גדלה בהתאם מ-200-300 מעלות ל-500-600 דרגה , יש לשנות את הדיסק והלהב המקוריים של מדחס בלחץ נמוך העשויים מאלומיניום לסגסוגת טיטניום.
בשנים האחרונות מדענים במחקר ביצועי סגסוגת טיטניום ממשיכים להתקדם. סגסוגת הטיטניום המקורית המורכבת מטיטניום, אלומיניום, ונדיום, טמפרטורת העבודה הגבוהה ביותר של 550 מעלות ~ 600 מעלות, וסגסוגת האלומיניום טיטניום (TiAl) שפותחה לאחרונה, טמפרטורת העבודה הגבוהה ביותר הוגדלה ל-1040 מעלות.
השימוש בסגסוגות טיטניום במקום נירוסטה לייצור דיסקים ולהבים מדחסים בלחץ גבוה יכול להפחית את משקל המבנה. על כל הפחתת משקל של 10 אחוז במטוס, ניתן להשיג חיסכון בדלק של 4 אחוזים. עבור רקטות, כל הפחתת משקל של 1 ק"ג יכולה להגדיל את הטווח ב-15 ק"מ.
6. סגסוגת טיטניום ניתוח מאפייני עיבוד
קודם כל, מוליכות תרמית של סגסוגת טיטניום נמוכה, רק 1/4 מפלדה, אלומיניום 1/13, נחושת 1/25. בגלל פיזור החום האיטי באזור החיתוך, אינו תורם לאיזון תרמי, בתהליך החיתוך, אפקט פיזור החום והקירור גרועים מאוד, קל ליצור טמפרטורה גבוהה באזור החיתוך, לאחר עיבוד חלקים מתאוששים דפורמציה, וכתוצאה מכך בכלי חיתוך מומנט מוגבר, בלאי קצוות מהיר, עמידות מופחתת.
שנית, המוליכות התרמית של סגסוגת טיטניום נמוכה, כך שחום החיתוך מצטבר באזור הקטן ליד כלי החיתוך אינו קל לפיזור, החיכוך של פני הכלי הקדמי גדל, לא קל לשבב, חום החיתוך לא קל לפיזור, מואץ בלאי כלי עבודה. לבסוף, הפעילות הכימית של סגסוגת טיטניום היא גבוהה, עיבוד בטמפרטורות גבוהות קל להגיב עם חומר הכלי, היווצרות מסיס, דיפוזיה, וכתוצאה מכך סכין דביקה, סכין בוערת, סכין שבורה ותופעות אחרות.
