Zastosowanie stopów tytanu w przemyśle lotniczym
Zastosowanie tytanu w przemyśle lotniczym i kosmicznym również osiągnęło cel zmniejszenia masy startowej, zwiększenia zasięgu i oszczędności kosztów, i jest popularnym materiałem w przemyśle lotniczym i kosmicznym. W przemyśle rakietowym, pociskowym i lotniczym może być stosowany jako zbiorniki ciśnieniowe, zbiorniki paliwa, powłoki silników rakietowych, tuleje dysz rakietowych, powłoki sztucznych satelitów, kabiny załogowych statków kosmicznych (powłoka i szkielet konstrukcyjny), podwozie, moduł księżycowy, układ napędowy itp.
Stop Ti-6Al-4V jest szeroko stosowany jako materiał powłoki silnika rakietowego pierwszego stopnia w Stanach Zjednoczonych. Inne stopy, w których stosuje się ten stop, to: gigantyczne cylindryczne pojemniki na ciekły gaz rakietowy; międzykontynentalne pociski balistyczne, pociski „Minuteman” i inne sferyczne i eliptyczne powłoki silników itp. Z drugiej strony, ponieważ elementy śródmiąższowe stopów Ti-6Al-4VELI i Ti-5Al-2.5SnELI mają niską zawartość tlenu i mogą być stosowane w bardzo niskich temperaturach, stopy te są stosowane jako pojemniki na ciekły wodór rakietowy i pociskowy, uszczelnione kabiny statków kosmicznych „Mercury” i „Gemini” oraz główne części konstrukcyjne statku kosmicznego „Apollo”, który pomyślnie wylądował na księżycu.
Oprócz czystego tytanu przemysłowego, Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4VELI i Ti-5Al-2.5SnELI, tytan i stopy tytanu stosowane w przemyśle lotniczym obejmują również Ti-7Al-4Mo, Ti-3Al-2.5V, Ti-13V-1Cr-Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al i materiały kompozytowe Ti/B-Al. Prom kosmiczny jest pierwszym na świecie załogowym statkiem kosmicznym, który może być ponownie wykorzystany. Rozpoczęto jego rozwój w 1972 roku, a pierwszy lot zakończył się sukcesem w 1981 roku. Statek kosmiczny składa się z samolotu o małym skrzydle, 47-metrowego zewnętrznego zbiornika paliwa i dwóch rakietowych silników wspomagających na paliwo stałe o łącznej masie 500 ton. Orbitalny statek kosmiczny ma 37 metrów długości i waży około 68 ton. Rozmiar ten jest mniej więcej taki sam jak odrzutowego samolotu transportowego DC-9. Jest to największy załogowy statek kosmiczny do tej pory. Jego ładownia ma 18 metrów długości i 5 metrów średnicy i może przetransportować 29,5 tony ładunku na orbitę okołoziemską.
Prom kosmiczny może zostać wystrzelony jak rakieta i latać na orbicie o maksymalnej wysokości 1000 km jak statek kosmiczny. W przypadku braku ciągu może szybować i lądować jak samolot. Ten prom kosmiczny jest zasadniczo statkiem transportowym, więc jednym z parametrów oceny jego przydatności jest efektywne obciążenie transportowe między Ziemią a orbitą Ziemi. Aby zmaksymalizować to efektywne obciążenie, stop tytanu stał się ważnym materiałem na komponenty silników lotniczych.
Projektowany okres życia orbitalnego statku kosmicznego wynosi 100 lotów, a każdy lot pozostaje we wszechświecie przez 7 do 30 dni. Statek kosmiczny jest załogowy, więc jest zaprojektowany tak, aby dostosować się do środowiska kosmicznego (próżnia, ekstremalne różnice temperatur na orbicie, generowanie ciepła podczas powrotu do atmosfery itp.) i być wielokrotnie używany.
1. Naczynia wysokociśnieniowe
Stopy tytanu są stosowane w wielu miejscach, ponieważ mogą zmniejszyć całkowitą masę statków kosmicznych krążących wokół pojazdów. Głównym zastosowaniem tytanu są zbiorniki wysokociśnieniowe na niezbędne paliwo i gaz. Lekkie pojemniki ze stopu tytanu zostały pomyślnie opracowane w programach statków kosmicznych NASA Gemini i Apollo, przy użyciu stopu Ti-6Al-4V. Żelazne zbiorniki ciśnieniowe na statku kosmicznym Apollo zostały faktycznie zaprojektowane w niespotykanej dotąd konstrukcji ze współczynnikiem bezpieczeństwa 1,5, który wcześniej został zaprojektowany ze współczynnikiem bezpieczeństwa około 4. Aby jeszcze bardziej odciążyć zbiornik magazynowy wysokiego ciśnienia orbitalnego wahadłowca kosmicznego, przyjęto metodę dodawania białego włókna kwercetyny (aromatyczne włókno organiczne produkowane przez DuPont w Stanach Zjednoczonych) do powierzchni cienkościennego pojemnika tytanowego. Naczynia ciśnieniowe do przechowywania sprężonego gazu. Satelita „Ranger” i rakieta nośna dzieliły 14 pojemników tytanowych, zmniejszając całkowitą masę o 272 kg. Naczynia ciśnieniowe do przechowywania ciekłych paliw napędowych. W statku kosmicznym „Apollo” zastosowano około 50 zbiorników ciśnieniowych, z których 85% wykonano z tytanu. Silnik Hercules III stopnia przejściowego został zmniejszony o 35% po przejściu na zbiornik paliwa ze stopu tytanu.
2. Obudowa silnika
Obudowa silnika rakietowego na paliwo stałe. Silnik rakietowy drugiego stopnia międzykontynentalnego pocisku rakietowego „Minuteman” wykorzystuje stop Ti64, aby zmniejszyć wagę o 30%~40%. Obudowa silnika rakietowego na paliwo ciekłe. Powłoka ciśnieniowa komory spalania silnika zstępującego modułu księżycowego „Apollo” jest wykonana ze stopu Ti64.
3. Różne części konstrukcyjne
Stopy tytanu są również szeroko stosowane w różnych elementach konstrukcyjnych. Kabina ciśnieniowa statku kosmicznego „Mercury” jest wykonana głównie z tytanu, stanowiącego 80% masy kabiny. W statku kosmicznym „Gemini” zastosowano 7 gatunków stopów tytanu, wykorzystując 570 kg części tytanowych, stanowiących 84% masy konstrukcyjnej. Wsporniki, mocowania i elementy mocujące statku kosmicznego „Apollo” są wykonane z tytanu, wykorzystując łącznie 68 ton tytanu.
4. Rurociągi hydrauliczne
Rurociągi hydrauliczne wahadłowca kosmicznego wykorzystują rury bezszwowe wykonane ze stopu Ti-3Al-2.5V. Dzięki zastosowaniu tego stopu ciężar można zmniejszyć o ponad 40%. Aby zmniejszyć wrażliwość na pęknięcia zmęczeniowe i zwiększyć rzeczywistą żywotność systemu, montaż różnych rur odbywa się przy użyciu automatycznego formowania.