טיטניום Alloy- Based Composites

תרכובות מבוססות טיטניום מייצגות התקדמות מרכזית בהנדסה חומרים, מיזוג הכוחות הטבוניים של ⁇ טיטניום עם המאפיינים המותאמים של חיזוק מורכב.חומרים היברידיים אלה מונדסים כדי לספק ביצועים מכניים מעולים, יציבות תרמית ויעילות משקל בהשוואה למונוליטי טיטניום בשלב עמידה בסגסוגת טיטניום או תרכובות מסורתיות בלבד.

מאמר זה מספק מחקר סמכותי של תרכובות מבוססות סגסוגת טיטניום, סוגיהם, תהליכי הייצור והיישומים שלהם.הוא גם בוחן מחקר מתמשך וכיוונים עתידיים בעיצוב שדה קריטי זה.

« הבנת טיטניום אלווי: הקרן

⁇ טיטניום הם חומרים מתכתיים המורכבים בעיקר טיטניום, לעתים קרובות סגסוגת עם אלמנטים כגון אלומיניום (אל), וניל (V), molybdenum (Mo), כרום (Cr), ו zirconium (Zr) תוספות אלה ייצוב שלבים גבישיים ספציפיים - Alpha (α) ו beta (β) - אשר שולט ⁇ s מכנית ותכונות פיזיות ביותר.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

  • כוח ספציפי גבוה (יחסי משקל) - עד 50% חזק יותר מאשר הרבה פלדה עדיין 40% יותר קל.
  • התנגדות קורוזיה יוצאת דופן במי הים, סביבות חומציות, ותנאים חמצון.
  • התנגדות עייפות טובה ופגיעה בסובלנות.
  • היכולת לעמוד בטמפרטורות מ Cryogenic ל-600°C Op °F) בהתאם לקומפוזיציה ⁇ .
  • ההרחבה התרמית הנמוכה יעילה, מועילה ליציבות הממדית במרכיבים מדויקים.

תכונות אלה להפוך ⁇ טיטניום עצמם הכרחיים בחלל אווירי והגנה. עם זאת, הביצועים שלהם יכולים להיות משופרים עוד יותר על ידי שילוב חיזוקים ליצירת תרכובות.

מה הם טיטניום Alloy- Based Composites?

תרכובות מבוססות טיטניום הן חומרים שבהם ממטריקס ⁇ טיטניום משולב עם שלב ממושכות - כגון חלקיקים קרמיקה, סיבים, או מתכות אחרות - כדי להשיג תכונות לא זמין מן הממטריקס לבד.החיזוק יכול להיות רציף (סיבים ארוכים) או הפסקתיים (סיבים קצרים, שמפוזרים, או חלקיקים).

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

  • הגדלת הנוקשות והעוצמה, במיוחד בטמפרטורות גבוהות.
  • צמצום משקל נוסף תוך שמירה על שלמות מבנית.
  • שיפור התנגדות ללבוש וביצועים טריביולוגיים.
  • להשפיל את החיים ואת הקשידות השבורות.
  • התאמת מוליכות תרמית וחשמלית עבור יישומים ספציפיים.

סוגי טיטניום-מבוססים Composites

שלוש הקטגוריות העיקריות הן מברק מתכת (MMCs), תרכובות סיבים-reinforced, ורכיבים חלקיקים.כל אחד יש מאפיינים ייחודיים ואתגרי ייצור.

1 Metal Matrix Composites (MMCs)

טיטניום מטריקס מורכב (TMCs) הם תת-קבוצה של MMCs שבו מתכת הבסיס הוא סגסוגת טיטניום.שלב השיקום הוא בדרך כלל קרמיקה, כגון סיליקון carbide (SiC), titanium בוריד (Titanium carbide) או titanium carbide (Titanium) חיזוקים אלה הם לעתים קרובות בצורת חלקיקים, שרטוטים, סיבים קצרים או סיבים קצרים, כגון מגנטיים, כגון מגנטיים, כגון מגנטיים, כגון מגנטיים, או סיבי מתכת, במיוחד, כגון מגנטיים, או ציפוי מגנטיים, או חומצה גבוהה.

לדוגמה, Ti-6Al-4V התחזק עם 10-20 חלקיקים TiB יכול להשיג עלייה של 50% במודולוס גמיש ושיפורים משמעותיים בהתנגדות המצטפת.חומרים אלה משמשים ברכיבי מנוע עתירי זמן גבוהים, כמו דיסקים דחוסים ו להבים.

המונחים:fi-Reinforced Composites

אלה מרוכבים להשתמש סיבים מתמשכים - לעתים קרובות SiC, פחמן, או בורון - שקועים במריצה טיטניום. הסיבים נושאים את רוב העומס, בעוד הממטריקס מעביר מתח ומגן עליהם. סיבים רצופים-reinforceed TMCs מציעים את הנוקשות והחוזק הספציפיים ביותר.עם זאת, הם מורכבים יותר לייצור עקב הצורך של סיבים מדויקים ומניעה של תגובות כימיות בטמפרטורות גבוהות.

יישומים כוללים רכיבים מבניים אווירו-מרחביים כגון ספארי כנף, מסגרות מתפתלות, ומצעים נחיתה.התוכניות המתקדמות ביותר, כמו לוח הקרב המשותף (F-35), העריכו רצף סיבי SiC רציף TMCs עבור חלקים קלים, גבוהים.

3.חלקים

תרכובות חלקיות מורכבות ממטריקס סגסוגת טיטניום עם פיזור של חלקיקים קרמיקה, בדרך כלל TiB, TiC, או titanium diboride (TiB2), אלה הם פשוטים וזולים יותר לייצר מאשר גרסאות סיבים-reinforced.החלקיקים מגבירים את הקשידות, ללבוש התנגדות, וכוח עתיר גבוה.

חלקטוט TMCs מוצא שימוש במערכות שריון, כלי חיתוך ורכיבים חשופים לסביבות אברה.

תהליכי ייצור עבור Titanium Alloy Composites

הפחתת תרכובות ⁇ טיטניום דורש תהליכים מיוחדים אשר נמנעים זיהום ולשמור על שלמות חיזוק.הפעילות הגבוהה של טיטניום בטמפרטורות גבוהות הופכת את העיבוד מאתגר.

אבקת Metallurgy (PM)

אבקת מתכתלורגיה היא מסלול גמיש עבור אבקת ⁇ טיטניום הוא מעורב עם חלקיקים חיזוק, ולאחר מכן מאוחדים באמצעות לחץ חם, HIP, או SPS ראש הממשלה מאפשר שליטה מדויקת על הרכב ומיקרו-מבנה. זה מתאים במיוחד לרכיבים חלקיים ומשמש כדי להפוך רכיבים ליד-net-shape.

המונחים

הליטוש של TMCs כרוך בהמיסת ⁇ טיטניום ולאחר מכן הוספת חיזוקים, לעתים קרובות באמצעות סגסוגת מעוררה או חדירה לקדמה. עם זאת, נקודת התכה הגבוהה של טיטניום (בסביבות 1668 מעלות צלזיוס) ואת תגובתה עם חומרי עובש חיזוקים להגביל גישה זו.

ייצור תוספתי (AM)

ייצור אדקטיבית - כולל אבקת לייזר היתוך (LPBF) והגדרת אנרגיה מכוונת (DED) - התפתחה כאמצעי מבטיח לייצור TMCs. AM מאפשר גיאומטריה מורכבת, פסולת חומרית מופחתת, ומיקום חיזוק מותאם אישית.לדוגמה, AM מבוסס לייזר יכול ליצור Ti-6Al-4V מתחזק עם חלקיקים TiB על ידי הצגת בורון לתוך האבקה או באמצעות החלפת תגובות, עדיין פעיל, בקרה, לחץ פעיל.

שיטת Foil-Fiber-Foil (Continentfi)

עבור סיבים רצופים-reinforced TMCs, טכניקת ה-Fiber-foil נפוצה: שינוי שכבות של סיטוניום סירוט ו-unidirectional סיבים מערערמים ולאחר מכן מגובש תחת חום ולחץ (בדרך אגב באמצעות HIP) שיטה זו שומרת על יישור סיבים ומפחיתה את הנזק.המרכיבים וכתוצאה מכך משמשים במבנים עתירי אוויר גבוה.

יישומים בחלל

תעשיית החלל היא הצרכן הגדול ביותר של סגסוגת טיטניום, המונע על ידי הצורך להפחית במשקל, להגדיל את המטען ולשפר את יעילות הדלק. Titanium מרוכבים בהדרגה להחליף ⁇ אלומיניום ואפילו כמה Superalloys מבוסס ניקל במרכיבים מרכזיים.

מבנה Airframe

מטוסים מודרניים כמו בואינג 787 ו- Airbus A350 XWB משלבים טיטניום במספר תחומים מבניים. Composites מציעים חיסכון במשקל נוסף.לדוגמה, חלקיות TMCs משמשים בתאים של כנף, ראשים, ונוקשות ממזגת. סיבי רציף TMCs נמצאים תחת הערכה עבור חברים ראשוניים עומס, כגון ספארים ומבנים תמיכה בהילוך.

מנועים Components

מנועי טורבינות גז פועלים בתנאים קיצוניים - טמפרטורות גבוהות, מתחים צנטריפוג גבוה, וסביבות קורוזיות. Titaniumסגסוגת מסגסוגת מועסקות בלהבים מעריצים, דיסקים דחוסים, ו casingsings. מנוע CFM הבינלאומי LEAP משתמש להבים מורכבים (polymer matrix, לא titanium MMCs הם מועמדים לקטעים חמים שבו פולימרים לא יכולים לשרוד דחוסים 4B.

נחיתה Gear

רכיבי ציוד נחיתה חייבים לעמוד בעומסי השפעה גבוהים וסביבות קורוזיות. ⁇ טיטניום כבר בשימוש נרחב (למשל, בבואינג 777 נחיתה ציוד) Composites יכול עוד להפחית במשקל תוך שמירה על קשיחות.מחקר על ידי חיל האוויר האמריקאי הוכיח כי TiB / 6AlV מקרפלקסים יכול להפחית את משקל הנחיתה עד 30%.

חלליות וחלקי לווין

ביישומים בחלל, משקל הוא פרמיה.טיניום מורכב משמשים מסגרות לוויין, ננובות טילים ותומכים מבניים.ההתרחבות התרמית הנמוכה שלהם ונוקשות ספציפית גבוהה לעזור לשמור על היישור מדויק במסלול.

יישומים בהגנה

מערכות הגנה דורשות חומרים שיכולים לשרוד השפעות בליסטיות, עומסי פיצוץ, ותנאים סביבתיים קיצוניים.טיניום ⁇ מסגסוגת מורכבים משמשים יותר ויותר בכלי רכב קרקעיים, כלי שיט ימיים ושריון אישי.

הגנה על נשק וכדורים

חלקית TMCs, במיוחד אלה התחזקו עם TiB או TiC, מציעים קשיחות גבוהה וקשידות שבורה, מה שהופך אותם יעילים נגד תחזיות משוריינות-מחץ.צבא ארה"ב פיתחה טיB-reinforced שריון עבור כלי רכב קלים כמו Stryker. Titanium מורכב יכול להיות 30-50% יותר מאשר שריון של רמת הגנה שווה ערך.

תותחים

corrosion מים הים היא בעיה חמורה עבור ספינות ימיות.טיניום מורכב בשימוש בדחפים, סונר domes, hull Fits, וציוד סיפון. צוללות ברמה של וירג'יניה של הצי האמריקאי משלבות מרכיבים טיטניום במערכות המים שלהם. Lightweight titanium מורכב גם לשפר את מהירות ויעילות הדלק.

טילים וטילים

טילים וטילים דורשים חומרים גבוהים, במשקל נמוך שיכול לסבול חימום אווירודינמי.טיניום מורכב משמשים במסגרות אוויר, פינים, וקווי האף.לדוגמה, AGM-158C טווח ארוך טווח אנטי-שייפ (LRASM) משתמש במבנים ⁇ טיטניום עבור מסגרת האוויר שלה.

צבא אישי

בעוד כבד יותר מקרמיקה, מרוכבים טיטניום מפותחים לשילובים בכחון גוף.היכולת שלהם לספוג מספר להיטים ולעמוד בסדקים היא יתרון.מחקר של מעבדת המחקר של צבא ארה"ב התמקדה בשטיטניום כפויה של ננו-reinforceed עבור ⁇ קרב הדור הבא.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה שלהם, ⁇ טיטניום מורכב להתמודד עם כמה מכשולים המגדירים אימוץ נרחב.

  • (FLT:0) עלות ייצור גבוהה: 1FLT:1 אבקת סגסוגת Raw titanium וסיבים ביצועים גבוהים יקרים.
  • (ב) תגובות בין-גזעיות: 1) בטמפרטורות הדרושות לגיבוש, טיטניום יכול להגיב עם חיזוקים (למשל, יצירת מטענים או סיליקים) שגורמים לנכסים מדרגות.
  • (בלטינית:0) ,Digitaldulty in machining:cioFLT:1) , Titanium מורכב קשה לחתוך, למקד, או להתרוצץ בשל קשיותם וטבעה המוח של חיזוקים.
  • (FLT:0) , 000 סודיות מסד נתונים וניסיון: FLT:1 בהשוואה למתכות מסורתיות, לאפשרות עיצוב ועייפות נתונים עבור TMCs הם דלים, מה שהופך את הסמכה עבור חלקים קריטיים בטיחות איטי.
  • (ב) אתגרים:0) מימון: 1FLT:1 חלוקת ממטריקס וחיזוק לשימוש חוזר אינו פשוט, הגדלת חששות עלות מחזור החיים.

מחקרים מתקדמים נועדו להתגבר על נושאים אלה באמצעות בקרת תהליכים מתקדמת, ציפויי חיזוק חדשים, וגישות ייצור היברידיות.

פרספקטיבה עתידית ודרכים מחקר

העתיד של סגסוגת טיטניום מורכב בהשגת הבנה עמוקה יותר של מערכות יחסים של עיבוד מבנים ורמת ייצור יעיל עלות.

ייצור של TMCs

ייצור אדקטי צפוי לחולל מהפכה בייצור TMC. in-situ התגובות במהלך התכת לייזר יכול ליצור טיB שמפוזרים ישירות במריצה טיטניום, חיסול אבקת נפרדות.טכניקה זו, הנקראת "reactive AM", מבטיח פיזור אחיד וכוח משופר. חוקרים מאוניברסיטת טקסס באל פאסו הוכיחו את TiB / 6AlV-4s עם עשרות כוחות מ"ר 1,400.

ננודור ו- Hierarchical Composites

שילוב של חיזוקים ננומטריים - ננו-בוטיקים פחמן (CNTs) או גרפן - יכול לספק חיזוק יוצא דופן ללא עלייה משמעותית במשקל.האתגר הוא להשיג פיזור אחיד ללא הדבקה.התקדמות בפונקציונליות פני השטח ועיבוד קולי הופכת את ננו-reinforceed TMCs ליותר היתכנות.

המונחים: self-Healing Composites

בהשראת מערכות ביולוגיות, החוקרים חוקרים חוקרים מתרכובות טיטניום עם סוכני ריפוי משובצים (למשל, סגסוגת בצורת-זיכרון או קפסולות נוזליות) שיכולה לתקן מיקרו-קracks באופן אוטונומי.חומרים כאלה יכולים להרחיב את חיי הרכיב במבנים אוויריים בלתי נגישים.

שיקולים סביבתיים וקיימות

מגזרי החלל וההגנה נמצאים תחת לחץ גובר על מנת להפחית את ההשפעה הסביבתית.טיטאניום מורכב, להיות קל משקל, לתרום לצריכת דלק נמוכה יותר.עם זאת, הייצור שלהם הוא אנרגיה-intensive.העבודה העתידית כוללת שיטות מיחזור אשר מחזירות מחדש טיטניום וחומרי חיזוק גבוהים.תוכנית השמיים הנקיים של האיחוד האירופי היא מימון פרויקטים לעיבוד מורכב טיטניום בר קיימא.

שילוב עם מערכות חכמות

מרכיבים מורכבים טיטניום המצוידים בחיישנים משובצים (אופטיקה סיבית, מדצי זנים) יכולים לספק ניטור בריאות מבני בזמן אמת.מושג "מבנה חכם" זה תואם את דחיפה של הצבא לשימור מבוסס תנאים ומוכנות מוגברת למשימה.

מסקנה

מרכבים מבוססי טיטניום אינם עוד סקרנות מעבדה - הם פועלים בחלק מהיישומים התובעניים ביותר הידועים להנדסה.ממדנים של מנועי סילון מסחריים לשוריינים של כלי רכב לחימה, חומרים אלה מספקים את קצה הביצועים שלקוחות אוויריים והגנתיים דורשים.בעוד אתגרים בעלות וייצור נמשכים, צעדים מחקריים בייצור, ננוטכנולוגיה, ואופטימיזציה הם מפחתת מחסומים גלובליים כמו מרחב הגנה והיכולת להמשיך להפעיל לחץ על יעילות גבוהה יותר של תעשיות קיימות, ללא ספק, לחץ על מנת להגדיל את יעילות גבוהה יותר.

עוד ועוד קריאה

  • (FLT:0ScienceDirect: Titanium Matrix Composites - סקירה מקיפה של סוגים ונכסים
  • (ב) ,0) Airbus A350 XWB - שימוש בחומרים מתקדמים ב- AirframeFillo 1
  • מחקר צבאי: 0 (U.S. Army Research: Light Weight Titanium Armor Developments)
  • (ב) 770:0 נביחות טיטניום קומפרסיו בווירג'יניה-Class SubmarinesFillo 1
  • מגזין ייצור: Titanium Matrix Composites by Laser AMFIRLT 1