où le titane est-il utilisé dans les avions
L'application deForgeage du titane AMS 6931dans l'industrie aéronautique est divisé en alliage de titane pour la structure de l'avion et en alliage de titane pour la structure du moteur. Dans l’aérospatiale, les alliages de titane sont principalement utilisés comme structures et conteneurs pour fusées, missiles et engins spatiaux. Les alliages de titane pour les structures d'avions doivent généralement être utilisés à des températures inférieures à 350 degrés et doivent avoir une résistance spécifique élevée, une bonne ténacité, une excellente résistance à la fatigue et de bonnes performances du processus de soudage. Les alliages de titane destinés aux moteurs doivent avoir une résistance spécifique élevée, une bonne stabilité thermique, une résistance à l'oxydation, une résistance au fluage et d'autres propriétés. En plus des exigences de performance des alliages de titane aérospatiaux, les véhicules aérospatiaux nécessitent également une résistance aux températures élevées et aux radiations.
Les principales pièces d'application des pièces structurelles en alliage de titane pour avions sont les pièces de train d'atterrissage, les cadres, les poutres, les revêtements de fuselage, les boucliers thermiques, etc. L'avion russe Il{{0}} utilise un alliage de titane BT22 à haute résistance pour fabriquer des composants clés. tels que le train d'atterrissage et les poutres de roulement. Le matériau de la poutre de transmission du train d'atterrissage principal du Boeing 747 est du Ti-6Al-4V. La pièce forgée mesure 6,20 mètres de long, 0,95 mètre de large et pèse 1 545 kilogrammes. L'alliage de titane Ti-62222S à haute résistance et haute ténacité est utilisé dans les parties clés de l'arbre du stabilisateur horizontal de l'avion C-17. La zone arrière du fuselage où se trouve le moteur de l'avion F-22 et le bouclier thermique de queue sont conçus comme des structures en alliage de titane à paroi mince avec une bonne résistance à la température.
En ce qui concerne les moteurs d'avion, les domaines d'application des matériaux en alliage de titane comprennent les disques de compresseur, les aubes, les tambours, les rotors de compresseur haute pression, les carters de compresseur, etc. Environ 30 % du poids structurel des moteurs à turbine modernes est constitué d'alliages de titane. L'application d'alliages de titane réduit la qualité des aubes de compresseur et de ventilateur, tout en prolongeant la durée de vie des composants et les intervalles d'inspection. Le bord d'attaque et la pointe des pales du ventilateur du moteur Boeing 747-8GENX sont équipés de manchons de protection en alliage de titane, qui n'ont été remplacés que trois fois au cours de la période de service de 10-années.
Les pièces forgées en alliage de titane pour l'aviation doivent passer par le moulage de lingots, la fabrication de billettes, le matriçage, l'usinage et d'autres processus pour obtenir la structure et les propriétés du matériau requises, et sont souvent utilisées pour fabriquer des composants de roulements principaux de squelette d'avion et des rotors de moteur. Selon HB5024-1989, le diamètre extérieur des grandes pièces forgées n'est pas inférieur à 500 mm. Avec le développement des avions et des moteurs, les pièces forgées pour l'aviation ont des exigences de qualité de plus en plus élevées, des tailles plus grandes et des formes plus complexes. La forme des pièces structurelles des avions est complexe et le taux d'utilisation des matériaux ne dépasse généralement pas 10 %. Le matériau des quatre cadres de renforcement des paliers principaux à grande échelle de l'avion F-22 est Ti-6Al-4V ELI, et la surface projetée des pièces forgées est de 4.{{ 8}},67 mètres carrés. Ces dernières années, l'équipement de forgeage spécialisé pour les alliages de titane aéronautiques en Chine a été considérablement amélioré et il est désormais possible de produire des pièces forgées intégrales en alliage de titane de 5 mètres carrés.
Les engins spatiaux fonctionnent dans des conditions extrêmes telles que des températures ultra-élevées, ultra-basses, un vide poussé, des contraintes élevées et une forte corrosion. En plus d’exiger une superbe technologie de conception structurelle, cela dépend également des excellentes caractéristiques et fonctions des matériaux. Les alliages de titane sont généralement utilisés dans la fabrication de réservoirs de stockage de carburant, de carters de moteurs de fusée, de guides de tuyères de fusée et de boîtiers de satellites.
En raison des excellentes propriétés des matériaux en alliage de titane, certaines pièces clés des avions sont également constituées de matériaux en alliage de titane. Par exemple, la lèvre de l'orifice d'admission est une pièce fabriquée en alliage de titane par impression 3D, qui réalise la conception et la fabrication intégrées de pièces structurelles et de pièces fonctionnelles.
Les fixations en alliage de titane couramment utilisées dans l'industrie aérospatiale comprennent principalement des rivets, des boulons et des fixations spéciales.
Les fixations en alliage de titane utilisées sur l'avion F-22 aux États-Unis comprennent : des boulons en alliage de titane à haute résistance, des clous à rainure annulaire, des boulons à verrouillage élevé coniques à tige polie, des boulons auto-serrants, des rivets en niobium en titane et des écrous de liaison. . L'avion commercial national C919, qui a volé pour la première fois dans mon pays en 2014, a utilisé plus de 200 000 pièces de fixations en alliage de titane pour un seul avion. Le développement et l'application de fixations en alliage de titane offrent la possibilité de réduire davantage le poids des structures d'avion. Le poids structurel du Boeing 747 a été réduit de 1 814 kg après le remplacement de l'acier par du titane. Un avion russe Il-96 a utilisé 142 000 attaches et a remplacé l'acier par du titane pour réduire son poids de 600 kilogrammes.
L'alliage de titane présente une excellente résistance à la corrosion et son potentiel positif correspond à celui des matériaux composites en fibre de carbone, ce qui peut prévenir efficacement la corrosion potentielle des fixations. L'alliage Ti45Nb est un matériau de rivet largement utilisé dans l'industrie aérospatiale aux États-Unis. Le matériau a de bonnes propriétés de traction et de résistance au cisaillement à l'état recuit et peut remplacer les rivets en titane pur. Le matériau Ti45Nb présente également une plasticité élevée et convient à la connexion de rivets pour la fabrication de matériaux composites.
Ces dernières années, le boulon haute résistance en alliage de titane Timeta1555 développé par Alcoa a une résistance à la traction de plus de 1 300 MPa après vieillissement en solution, une double résistance au cisaillement de plus de 745 MPa et un allongement de plus de 10 %. Afin de suivre la tendance de développement des fixations internationales en alliage de titane haut de gamme, Xigong University Chaojing Co., Ltd. et Xinyang Aerospace Standard Parts Factory ont développé conjointement des tiges et des fils en alliage de titane TB8 pour les fixations, ainsi que la résistance à la traction des boulons fabriqués. d'entre eux atteint 1280MPa. La recherche et le développement de fixations en alliage de titane sont un travail très complexe et de longue haleine.
Direction du développement de l'industrie des alliages de titane
La demande en alliages de titane pour les futurs avions devrait être une résistance plus élevée, une ténacité plus élevée, des performances de dommages plus élevées et une résistance plus élevée aux températures élevées. L'application et l'orientation du développement des matériaux en alliage de titane seront les suivantes : nouveaux alliages de titane structurels à haute résistance, alliages de titane hautes performances tolérants aux dommages, alliages de titane résistants à la fatigue à faible coût, nouveaux alliages de titane structurels à haute température, avancés à base de TiAl matériaux composites à base de titane, etc.
La demande de réduction du poids structurel des avions modernes est de plus en plus urgente. Outre les alliages de titane, les matériaux composites ont également été largement utilisés dans les structures de vol. L'utilisation de matériaux composites pour les avions Boeing 787 a atteint 50 %, et l'utilisation de matériaux composites pour l'Airbus A380 a également atteint 25 %. À l’heure actuelle, les matériaux composites ne peuvent pas remplacer complètement les métaux et les matériaux métalliques restent indispensables. Le module élastique de l'alliage de titane et du matériau composite renforcé de fibres de carbone est adapté et le coefficient de dilatation thermique est similaire ; et il a une bonne compatibilité chimique et n'est pas sujet à une corrosion potentielle. L'articulation du corps de l'aile du F-18 "Bumblebee" utilisait une conception de liaison étagée de pièces de joint en alliage de titane et de peau composite. Après plusieurs années de tests en service, la fiabilité de la conception a été vérifiée. Avec l'augmentation de la quantité de matériaux composites, la quantité de matériaux en alliage de titane augmentera encore.
Il ressort des informations open source de ces dernières années que les exigences des États-Unis en matière de matériaux structurels pour avions de nouvelle génération sont plus légères, plus efficaces et dont les coûts sont contrôlables. Selon la valeur monétaire de 2006, le coût d'un seul F-22 est d'environ 361 millions de dollars américains. Le F-35 avait initialement un objectif de coût de 35 millions de dollars, qui a ensuite été augmenté à 138 millions de dollars. Parmi les coûts énormes, le coût élevé de fabrication des alliages de titane est un facteur qui ne peut être ignoré. Les alliages de titane à faible coût utilisent Fe, O et d'autres éléments pour remplacer les éléments V, Mo et autres plus chers. La société américaine Timetal a développé un alliage de titane de type Timetal-LCB à haute résistance et à faible coût en ajoutant un élément Fe sous la forme d'un alliage principal Fe-Mo bon marché au lieu d'un élément V coûteux. L'objectif est de remplacer l'alliage Ti- 10V-2Fe-3Al, plus cher.
Le soudage des alliages de titane, le formage quasi net, le formage à froid, etc. sont également des moyens efficaces d'améliorer l'utilisation des matériaux et de réduire les coûts de processus. Des technologies de soudage avancées telles que le soudage par faisceau électronique et le soudage au laser ont été appliquées avec succès dans certains modèles nationaux. Un groupe d'équipes de formage laser telles que l'Université Beihang et l'Université de technologie Western ont obtenu de bons résultats dans l'application de nouvelles technologies d'alliage de titane.
Dans la recherche de nouveaux alliages de titane à haute température, sur la base de l'alliage de titane à haute température de 550 degrés IMI829 au Royaume-Uni et de l'alliage de titane à haute température Ti-1100 de 600 degrés aux États-Unis, moins de 1 % d'éléments de terres rares Gd et Y ont été ajoutés respectivement. Forme des oxydes de terres rares, purifie les joints de grains, affine les grains et améliore la résistance, le fluage et la durabilité des alliages. Le TA12 (Ti55) est un alliage de titane haute température de type proche développé conjointement par l'Institut de recherche sur les métaux, l'Académie chinoise des sciences, le groupe Baoti et l'Institut des matériaux aéronautiques de Pékin. La température de conception est de 550 degrés. À l'heure actuelle, le matériau Ti55 est relativement mature et la plage de températures de fonctionnement stable est de 550 degrés à 600 degrés. La température de conception du matériau Ti65 est de 600 degrés -650 degrés et les travaux de recherche correspondants sont effectués de manière ordonnée.
Ces dernières années, l'utilisation de la technologie de solidification rapide/métallurgie des poudres, de matériaux composites renforcés de fibres ou de particules pour développer des alliages de titane a été utilisée comme direction de développement des alliages de titane à haute température, de sorte que la température de service des alliages de titane puisse être augmentée à au-dessus de 650 degrés. Le matériau composite à matrice de titane à noyau de tungstène développé par l'Institut de recherche sur les métaux de l'Académie chinoise des sciences a été appliqué dans une certaine gamme.
