Истомин К.А

Применение титановых сплавов в авиационной промышленности.
Введение.
Начало работы с титаном как с конструкционным материалом началось в 19511952 годах, когда было выпущено постановление правительства о создании
лаборатории титана в «Всероссийском научно-исследовательском институте
авиационных материалов» (ВИАМ), что было вполне логично, ведь титан в
первую очередь применялся в авиакосмической технике.
Эти внушительные бараки –
панорама завода на станции
Сетунь Московской области,
1933 год. ВСМПО было
основано в Московской области
в 1933 году. Тридцатые годы
стали временем бурного
развития советской авиации,
которой требовались детали из
алюминия и его сплавов.
Московский завод №45 стал
площадкой внедрения
инноваций, как сказали бы
сейчас. С 1936 по 1940 годы объем производства вырос в 4 раза. В 1930-х титан
на ВСМПО еще никто не выплавлял.
Началась Великая Отечественная война, и рисковать стратегически важным
предприятием было нельзя. В 1941 году завод эвакуировали на Урал, в город
Верхняя Салда. В экстремальных условиях, на морозе, практически голыми
руками рабочие смонтировали перевезенное из Москвы оборудование на
площадях завода «Стальконструкция». Там же разместился завод № 519
наркомата цветной металлургии. Из их слияния и родилось ВСМПО –
Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение. Уже в
декабре 1941 года оно запустилось. Во время Великой Отечественной войны
продукция ВСМПО использовалась в авиа-, судо- и танкостроении,
производстве оружия. В 1943-ем был построен Березниковский Магниевый
Завод (БМЗ), позднее в шестидесятых ставший Березниковским Титано
Магниевым Комбинатом (БТМК). В 1943 году завод уже полностью
обеспечивал потребности военной авиации. В 1956 году в Верхней Салде
выплавили первый, исторический слиток титана. Он весил всего 4 кг. С этого
времени именно титан стал главным материалом ВСМПО.
О скорости развития титанового производства можно судить по такому факту: в
1976 году на заводе уже выплавили слиток массой 15 тонн – в 3750 тяжелее, чем
20 лет назад.
Исторический пятнадцатитонный титановый слиток, 1976 год.
В конце восьмидесятых продукция предприятия уже поставлялась не только
российским заказчикам, но и зарубежным. ВСМПО стало мировым лидером в
производстве титана: предприятие выплавляло в 1,5 раза больше слитков, чем
все остальные поставщики сплава на мировом рынке.
В Верхней Салде делают слитки. Титана, конечно, но ценятся они практически
на вес золота. В 2007 году было образовано совместное с Boeing предприятие
Ural Boeing Manufacturing, которое занимается механической обработкой
титановых штамповок для гражданских лайнеров, в том числе для знаменитого
Boeing 787 Dreamliner.
Без уральского титана не летает ни Boeing, ни Airbus.
2012 году выплавлено титана – уже 31,3 тыс. тонн.
Титан — 22-ой элемент периодической системы химических элементов Д. И.
Менделеева.
Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус.
Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый
образец получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году.
Титан — легкий серебристо-белый металл. Имеет высокую вязкость, пластичен,
легко сваривается, при обычной температуре покрывается защитной пленкой,
способствующей к корозийностойкости. Титановая пыль и стружка
пожароопасны, выль имеет свойство взрываться при температуре вспышки в
400°С.
Титановые сплавы имеют преимущество перед другими конструкционными
металлами в высокой удельной прочности и жаростойкости, а также устойчивы
к коррозии и деформации.
Титановые сплавы делят на четыре класса: конструкционные, жаропрочные,
высокопрочные и интерметаллидные.
Титан и его сплавы применяются в основном в различных отраслях
машиностроения: авиастроении, ракетостроении, судостроении и транспортном
машиностроении.
Глава 1
Титан как химический элемент и основа для уникальных сплавов.
С точки зрения химии, титан (Ti) - это химический элемент IV группы
периодической системы Менделеева; атомный номер 22, атомная масса 47,90;
имеет серебристо-белый цвет, относится к легким металлам.
Чистый Титан - химически активный переходный элемент.
При обычной
температуре и до 500-550 °С коррозийно устойчив, благодаря тонкой и прочной
оксидной пленке.
Оксидная пленка не защищает Титан в жидком состоянии от взаимодействия с
кислородом, поэтому плавка и сварка титана должны походить в вакууме, в
атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Титан может поглощать
атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, которые непригодны для
практическго использования. В виде тонкого порошка или проволоки Титан
может гореть в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в Титане
намного ниже, чем водорода. Получаемый в результатате взаимодействия
титана и газов слой обладает повышеной прочностью и хрупкостью и подлежит
удалению, путем механической обработки. Титан имеет коррозийную
устойчивость в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во
влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов. Титан в
виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и
ракетостроении.
Металл применяется в: химической, военной промышленности,
промышленных процессах, автомобильной промышленности,
сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности,
медицинской промышленности, стоматологических и эндодонтических
инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных изделиях,
мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.
Нитинол (никель-титан) — сплав, обладающий памятью формы, применяемый
в медицине и технике.
Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными,
что, в свою очередь, определило их использование в авиации и
автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
Титан является одним из наиболее распространённых геттерных материалов,
используемых в высоковакуумных насосах.
Глава 2
Классификация титановых сплавов
Существует 4 класса титановых сплавов: конструкционные, высокопрочные,
жаропрочные и интерметаллидные.
На данный момент существует большое количество различных
конструкционных титановых сплавов, но все ониобладают высокой
жаропрочностью, коррозийностойкостью, стойкостью к деформации и
высокопрочностью.
Наиболее широко применяемым конструкционным листовым свариваемым
титановым сплавом является ВТ20 от "Всероссийского научноисследовательского института авиационных материалов", используемый в
конструкциях планеров и для изготовления деталей газотурбинного двигателя.
ВТ20 используется в основном для изготовления деталей и узлов фюзеляжа,
крыла и киля самолета Су-35. В этом самолете из сплава ВТ20 изготавливают
силовые монолитные и сварные узлы и детали: балки, стыковочные пояса,
стенки, фитинги и кронштейнеры.
Высокопрочные титановые славы предназначены в основном для изготовления
крупногабаритных деталей авиационной техники, таких как балки, лонжероны,
шпангоуты, нервюры, рельсы предкрылков и закрылков. А также
крупногабаритных деталей шасси и силовых узлов, таких как траверс, балки
тележек основных шасси, шлиц-шарниры, тормозные рычаги. Перспективой
высокопрочных титановых сплавов является высокая прочность по отношению
к конкурирующим сплавам, а также высокая жаропрочность и ударостойкость,
что позволяет высокопрочным титановым сплавам "ВИАМ" занимать первое по
значению и употребляемости место.
Жаропрочные титановые сплавы обладают высокой, по отношению к другим
сплавам, жаростойкостью, что позволяет применять их в конструкционных
деталях газотурбинных двигателей , что ведет к снижению их шумовых
характеристик и улучшению их работоспособности. Такие сплавы
используются в первую очередь для изготовления ответственных деталей:
лопаток и дисков высокого давления. В настоящее время в изготовлении
деталей для ГТД, где температуры достигают 560°С–600°С лидируют
российские титановые жаропрочные сплавы, способные выдерживать
темпеературу более 650°С, что значительно больше температуры,
выдерживаемой жаропрочными титановыми сплавами, изготовляемыми за
рубежом.
Интерметаллидные титановые сплавы отличаются способностью к
деформации и пожаробезопасности при температуре 700°С при рабочей
температуре до 650°С. Предназначены такие сплавы для изготовления прутков
и штамповок толщиной до 25 мм. Также сплав рекомендован для изготовления
деталей авиадвигателей (сопловых лопаток, корпусов). Из жаропрочных
титановых сплавов освоено производство слитков, штамопванных и кованых
заготовок, листов, лент и фольг. Рекомендуется для изготовления корпусных и
статорных деталей авиадвигателей, облегченных панелей и элементов
аэрокосмических конструкций. Использование интерметаллидных сплавов в
деталях двигателя позволит снизить их массу на 30%, а температуру
эксплуатации – на 150–200°С, а использование таких сплавов в монолитных
конструкциях помогает снизить вес до 40%.
Глава 3.
Использование титановых сплавов в самолетостроении.
Титановые сплавы применяются в различных отраслях машиностроения, но
основным потребителем их является самолетостроение. Основными
требованиями, предъявляемыми к материалам для самолетостроения, являются
их высокие удельная прочность и жаропрочность, сопротивление усталостным
нагрузкам и высокая коррозионная стойкость.
Титановые сплавы используются для таких деталей и конструкций как
обшивка, силовой набор, детали крепления, шасси, механизация крыла, пилоны,
гидроцилиндры, различные агрегаты и другие детали конструкции самолета.
Также титановые сплавы используются в вертолетах для деталей системы
несущего винта и привода, а также системы управления. Из титановых сплавов
изготовляют втулки несущего винта, втулки хвостового винта, цапфы, скобы,
корпуса осевых шарниров, наконечники лопастей.
Титановые сплавы используются не только для деталей конструкции, но и в
авиационном двигателестроении, а именно и изготовлении газотурбинных и
турбовентиляторных двигателях. Они применяются в двигателях в основном
для изготовления узлов вентилятора и компрессора, дисков, лопаток,
направляющих аппаратов, промежуточных колецса двигателя, различных
корпусных деталей, воздухозаборника и некоторых других деталей.
Среди многих других металлов и сплавов, используемых в самолетостроении
лидирует именно титан и титановые сплавы, благодаря своим подходящим
свойствам для изготовления конструкционных деталей и деталей двигателя, а
именно высокой жаропрочности, высокой устойчивости к деформации,
устойчивости к перегрузкам и низкого, по отношению к другим сплавам веса,
благодаря чему машины авиации имеют высокие летные характеристики и
обладают высокой надежностью и маневренностью по отношению к машинам
авиации, построенным из других конструкционных сплавов.
Глава 4.
Применение титановых сплавов в ракетостроении.
Титановые сплавы использовались в пилотируемых ракетных комплексах
«Восток» и «Союз», беспилотных «Луна», «Марс», «Венера», а также в более
поздних космических системах – «Энергия» и орбитальном корабле «Буран» и
используются в ракетостроении и в наши дни.
В основном титановые сплавы применяются в твердотопливных и
жидкостных ракетных двигателях, обшивке, корпусах пороховых двигателей,
трубчатых конструкциях стыковых отсеков, агрегатах различного назначения, в
частности газовых баллонах высокого давления, деталях крепления и многом
другом.
Основнымиыми требованиями, предъявляемыми к титановым сплавам в этих
конструкциях, являются высокая удельная прочность, а в некоторых случаях –
низкая хладноломкость, высокая упругость паров в глубоком вакууме. В
ракетостроении используется практически все конструкционные титановые
сплавы.
Титановые сплавы в ракетостроении исполизуются для снижения веса
ракетных комплексов, повышения жаростойкости, ударостойкости и стойкости
к перегрузкам температуры и давления, что необходимо для нормального
функционирования ракетных комплексов и безопасности их эксплуатации. В
настоящее время в ракетостроении используют именно титан и титановые
сплавы, так как они лучше других металлов и сплавов являются способными
выдержать все эти критерии.
Выводы. Я считаю, что титан является важнейшим конструкционным
материалом среди множества других. Титан обладает теми свойствами, которые
важны в авиа- и ракетостроении, что позволяет ему быть первым
конструкционных материалов. Титан и его сплавы можно использовать для
создания беспилотных кораблей для исследования Венеры, где условия
окружающей среды, такие как постоянная высочайшая температура, высокое
содержание опасных для металлов веществ в атмосфере, не позволяют
исследовать ее с помощью устройств, изготовленных из обычных металлов, так
как его свойства (жаропрочность, коррозийностойкость, стойкость к
деформации и механическим повреждениям) позволяют беспилотному кораблю,
созданному из титановых сплавов, исследовать поверхность Венеры
практически без повреждений. Применение титана в авиации и ракетостроении
значительно улучшило качество и характеристики летательных аппаратов, а
сейчас титан является основным материалом для различных отраслей
машиностроения и мне кажется, что титан действительно является наилучшим
материалом для использования в различных видах техники.