โลหะผสมไททาเนียมสำหรับการบินและอวกาศคืออะไร?

โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศแบ่งออกเป็นสามประเภทหลักตามโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติเชิงประสิทธิภาพ ได้แก่ โลหะผสมไทเทเนียมชนิด α (รวมถึงโลหะผสมใกล้ α), โลหะผสมไทเทเนียมชนิด α+β และโลหะผสมไทเทเนียมชนิด β สหรัฐอเมริกามีระบบวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศที่ทันสมัยเป็นพิเศษ โดยมีเกรดที่หลากหลาย วัสดุเหล่านี้ประกอบด้วยโลหะผสมที่สามารถใช้งานได้ในอุณหภูมิสูงถึง 600°C เช่น Ti-1100 และโลหะผสมชนิด β ที่มีความแข็งแรงและความเหนียวสูง เช่น Ti-10-2-3 (Ti-10V-2Fe-3Al)

โลหะผสมไทเทเนียมชนิดอัลฟามีความต้านทานการคืบคลานและความสามารถในการเชื่อมที่ดีเยี่ยม จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ ส่วนประกอบ โลหะผสมที่อุณหภูมิสูงยกตัวอย่างเช่น Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) ถูกใช้อย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนหมุน เช่น ใบพัดและโรเตอร์ในเครื่องยนต์กังหันก๊าซ โลหะผสมไทเทเนียม α+β ที่ใช้กันทั่วไปคือ Ti-6Al-4V เป็นโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ คิดเป็นประมาณ 60% ของผลิตภัณฑ์โลหะผสมไทเทเนียมทั้งหมด มีความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำ 896 MPa และมีคุณสมบัติต้านทานความล้าและการแตกหักที่ดีเยี่ยม โลหะผสมไทเทเนียมชนิดเบต้า เช่น Ti-15-3 (Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al) มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นอย่างมากหลังการอบชุบด้วยความร้อน โดยมีความแข็งแรงของแผ่นโลหะสูงถึง σb ≥ 1310 MPa โลหะผสมเหล่านี้ถูกใช้อย่างแพร่หลายในส่วนประกอบโครงสร้างอากาศยานและระบบท่อ

การพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศกำลังก้าวหน้าไปสู่ความทนทานต่ออุณหภูมิสูงขึ้น อัตราส่วนความแข็งแรงต่อความเหนียวที่เพิ่มขึ้น และคุณสมบัติพิเศษ เช่น การหน่วงการติดไฟ ที่น่าสังเกตคือ โลหะผสมสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศบางชนิดผสมโลหะมีค่าเพื่อเพิ่มเสถียรภาพที่อุณหภูมิสูงและประสิทธิภาพเชิงกลให้สูงสุด

อุตสาหกรรมรีไซเคิลไททาเนียมยังพัฒนาเทคโนโลยีการกู้คืนและโครงสร้างราคาเพื่อตอบสนองต่อนวัตกรรมโลหะผสมสำหรับการบินและอวกาศเหล่านี้

ส่วนประกอบโลหะผสมไททาเนียมในเครื่องยนต์การบินและอวกาศมีอะไรบ้าง?

โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอากาศยานถูกนำไปใช้งานอย่างแพร่หลายมากที่สุดในเครื่องยนต์อากาศยาน โดยมีน้ำหนักมากกว่า 30% ของน้ำหนักเครื่องยนต์ ส่วนประกอบสำคัญๆ เช่น จานพัดลมและ  ใบพัดเทอร์ไบน์ จานและใบพัดของคอมเพรสเซอร์ รวมถึงตัวเรือนเครื่องยนต์ ล้วนใช้โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอากาศยานอย่างกว้างขวาง

ในส่วนของคอมเพรสเซอร์ โลหะผสมไทเทเนียมได้เข้ามาแทนที่วัสดุเหล็กรุ่นก่อน ทำให้น้ำหนักเบาลงอย่างมากในขณะที่ยังคงทนต่ออุณหภูมิการทำงานที่ 300-550°C โลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงที่พัฒนาในยุโรปและสหรัฐอเมริกา เช่น Ti-1100 และ IMI834 สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 600°C และได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเครื่องยนต์ที่อุณหภูมิสูง โลหะผสม IMI834 ที่พัฒนาขึ้นในอังกฤษ หลังจากผ่านกระบวนการปรับสภาพด้วยสารละลายและบ่มในช่วงเฟส β-2 พบว่ามีความแข็งแรงที่อุณหภูมิห้อง σb ≥930 MPa ซึ่งมีความแข็งแรงคืบคลานสูงและทนต่อความล้าได้ดีเยี่ยม โลหะผสมนี้ถูกนำไปใช้ในคอมเพรสเซอร์แรงดันปานกลางและดิสก์เทอร์ไบน์คอมเพรสเซอร์แรงดันสูงของเครื่องยนต์ RR Trent 800

ในเครื่องยนต์อากาศยาน ของรัสเซีย โลหะผสมไทเทเนียมคิดเป็นสัดส่วนถึง 36% ของส่วนประกอบทั้งหมด การทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรง ชิ้นส่วนเครื่องยนต์เหล่านี้ต้องการความทนทานต่อความร้อนและความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ทำให้โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอากาศยานเป็นวัสดุหลักที่เลือกใช้ในการผลิตเครื่องยนต์

ส่วนประกอบโลหะผสมไททาเนียมในระบบไฮดรอลิกและเชื้อเพลิง

โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอากาศยานยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบท่อ ข้อต่อ และภาชนะรับแรงดันในระบบไฮดรอลิกและเชื้อเพลิงของอากาศยาน ในระบบเหล่านี้ โลหะผสม Ti-3Al-2.5V มักถูกนำมาใช้ในระบบท่อไฮดรอลิกแรงดันสูงที่ทำงานที่แรงดันสูงถึง 28 MPa ซึ่งแทนที่สเตนเลสสตีล 21-6-9 และลดน้ำหนักลงได้ 40%

ท่อระบบควบคุมการใช้งานของเครื่องบินโบอิ้ง 777 ใช้โลหะผสมไททาเนียม-15-3 แทนไทเทเนียม CP ความแข็งแรงต่ำแบบเดิม ซึ่งลดน้ำหนักได้ 63.5 กิโลกรัมต่อลำ การนำโลหะผสมไททาเนียมไปใช้ในระบบเชื้อเพลิงยังรวมถึงโครงสร้างแบบเชื่อมสำหรับถังสะสมไฮดรอลิกและถังเชื้อเพลิง โลหะผสม VT43 ที่รัสเซียพัฒนาขึ้นได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการผลิตโครงสร้างแบบเชื่อมในถังแก๊ส ถังสะสมไฮดรอลิก และถังเชื้อเพลิงสำหรับอุปกรณ์การบินและอวกาศ

ส่วนประกอบของระบบเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากความแข็งแรงจำเพาะสูง ความต้านทานการกัดกร่อน และคุณสมบัติความล้าของโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอากาศยาน เพื่อให้มั่นใจถึงการปฏิบัติงานของอากาศยานที่เชื่อถือได้ภายใต้สภาวะที่ซับซ้อน โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอากาศยานเฉพาะทางบางชนิดมีส่วนผสมของโลหะมีค่าเพื่อเพิ่มเสถียรภาพในระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อน

เหตุใดโลหะผสมไททาเนียมสำหรับการบินและอวกาศจึงมีความสำคัญมาก

ความสำคัญของโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศนั้นมาจากคุณสมบัติอันโดดเด่นที่หาที่เปรียบไม่ได้โลหะผสมไทเทเนียม มีความแข็งแรงจำเพาะสูง เบากว่าเหล็กประมาณ 40% แต่ให้ความแข็งแรงเทียบเท่ากัน ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบสำคัญสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศที่ต้องการออกแบบให้มีน้ำหนักเบา โลหะผสมไทเทเนียม มีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง ช่วยรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่เสถียรตั้งแต่สภาวะเย็นจัดจนถึงอุณหภูมิสูงถึง 600°C

ยิ่งเครื่องบินมีความก้าวหน้ามากเท่าไหร่ ปริมาณไทเทเนียมก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น เครื่องบินขับไล่ F-22 รุ่นที่สี่ของสหรัฐอเมริกา มีปริมาณไทเทเนียมสูงถึง 41% ทำให้เป็นเครื่องบินที่มีปริมาณไทเทเนียมสูงที่สุด สำหรับเครื่องบินโบอิ้ง 777 โลหะผสมไทเทเนียมถูกนำมาใช้ในการผลิตแผ่นครีบที่ขึ้นรูปจากแผ่นเทอร์โมฟอร์ม เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสอดคล้องกับคาร์บอนไฟเบอร์ จึงหลีกเลี่ยงปัญหาการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่ออะลูมิเนียมสัมผัสกับกราไฟต์

จากมุมมองทางเศรษฐกิจ แม้ว่าโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศจะมีต้นทุนเริ่มต้นสูงกว่า แต่การออกแบบและกระบวนการที่ปรับปรุงแล้ว เช่น โลหะผสม VT43 ของรัสเซีย สามารถลดต้นทุนลงได้ 20% ลดการใช้พลังงานในการอบชุบลง 50% และลดภาระงานในกระบวนการขึ้นรูปด้วยแรงดันลง 20% และภาระงานกลึงลง 30% คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเป็นวัสดุสำคัญที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศสมัยใหม่ โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศประสิทธิภาพสูงบางชนิดมีส่วนผสมของโลหะมีค่า ซึ่งรับประกันความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง และทำให้เป็นที่ต้องการอย่างมากจากบริษัทรีไซเคิลโลหะมีค่า