Powody stosowania tytanu
zmniejszyć wagę
Wysoka wytrzymałość i niska gęstość tytanu (około 40% niższa niż stal) zapewniają wiele możliwości redukcji masy. Najlepszymi przykładami są jego zastosowanie na podwoziach samolotów Boeing 777 i 787 oraz Airbus A380. Rysunek 1 przedstawia podwozie w samolocie 777. 1 Wszystkie oznaczone części wykonane są z Ti-10V-2Fe-3Al. Minimalna wytrzymałość na rozciąganie tego stopu wynosi 1,193 MPa; służy do zastąpienia stali niskostopowej o wysokiej wytrzymałości 4340M używanej przy 1 930 MPa. Ta wymiana spowodowała zmniejszenie masy o ponad 580 kg. 1 Boeing 787 wykorzystuje następną generację stopu tytanu o wysokiej wytrzymałości Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, który ma nieco wyższą wytrzymałość i ma pewne zalety przetwarzania. Zastosowanie tytanu w konstrukcji podwozia powinno również znacznie obniżyć koszty utrzymania podwozia do jego odporności na korozję. Niska gęstość i wysoka wytrzymałość sprawiają, że jest bardzo atrakcyjny dla części posuwisto-zwrotnych, takich jak korbowody do zastosowań motoryzacyjnych. Podobnie cena samochodów rodzinnych jest zbyt wysoka, ale Departament Energii USA intensywnie inwestuje, aby cena komponentów tytanowych do samochodów osobowych i ciężarowych była rozsądna. (Tytan został z powodzeniem zastosowany w wysokiej klasy samochodach wyścigowych, a koszt nie jest tak dużym problemem.)
Ograniczenia przestrzenne
Ta aplikacja nie pojawia się często, ale jest ważna. Najlepszymi przykładami są belki podwozia stosowane w modelach 737, 747 i 757. Ten element biegnie między skrzydłami a kadłubem, podtrzymując podwozie. Inne samoloty Boeing używają stopu aluminium w tym zastosowaniu, ale w przypadku powyższych samolotów obciążenie jest wyższe, a aluminiowa konstrukcja nie nadaje się do obwiedni skrzydła. Stop aluminium będzie pierwszym wyborem, ponieważ jego koszt jest znacznie niższy. Stal to kolejna opcja, ale waga będzie wyższa.
Temperatura
Struktura silnika i obszar wydechu pracują w wysokich temperaturach, więc głównym wyborem są stopy na bazie tytanu lub niklu; podobnie stopy niklu znacznie zwiększą wagę. Temperatura pracy stopu tytanu w silniku wynosi nawet około 600°C. Niektóre zastosowania, takie jak wtyczki i dysze (rysunek 2), mogą wytrzymać temperatury powyżej tej temperatury przez krótki okres czasu w określonych warunkach pracy. Z wyjątkiem specjalnych stopów silnikowych, limit temperatury stopów tytanu wynosi około 540 ° C. Powyżej tej temperatury zanieczyszczenie tlenem staje się problemem, powodując kruchość powierzchni. Tytan jest również stosowany w konstrukcjach w niskich temperaturach, takich jak wirniki silników rakietowych.
Odporność na korozję
Tytan ma bardzo twardy rodzący się tlenek, który tworzy się natychmiast po wystawieniu na działanie powietrza. Tlenek ten odpowiada za doskonałą odporność na korozję. W środowisku lotniczym korozja nie jest czynnikiem w tytanie. Tytan nie jest wżerowany. Zdaniem autora jest to esencja wysokiej jakości obsługi. W użyciu stopy aluminium i stali ostatecznie tworzą wgłębienia korozyjne, które działają jak naprężenia, a następnie powodują korozję naprężeniową lub pęknięcia zmęczeniowe. Nie dzieje się tak w przypadku tytanu. Ta odporność na korozję występuje w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, celulozowo-papierniczym i budowlanym. Tytan i jego stopy mają doskonałą odporność w większości warunków utleniania, neutralnej i hamowanej redukcji. Ma również odporność na korozję w ludzkim ciele. Biokompatybilność jest również bardzo dobra; jest stosowany w urządzeniu protetycznym, a kość wyrośnie w rozsądnie zaprojektowaną strukturę tytanu. Komercyjny czysty tytan jest również stosowany w zewnętrznych zastosowaniach budowlanych, a praktyka ta rozpoczęła się w Japonii. Jest stosowany na zewnętrznej powierzchni, ponieważ nigdy nie wymaga konserwacji. Najbardziej znanym z nich jest jego zastosowanie na zewnątrz Muzeum Guggenheima w Bilbao w Hiszpanii.
Kompatybilność materiałów kompozytowych
Tytan jest kompatybilny z włóknami grafitowymi w kompozytach polimerowych. Istnieje wysoki potencjał elektryczny między aluminium a grafitem. Jeśli aluminium wejdzie w kontakt z grafitem na mokro, aluminium zostanie skorodowane. Można go wyizolować z materiałów kompozytowych metodami takimi jak warstwy włókna szklanego, ale w obszarach trudnych do sprawdzenia i wymiany tytan jest stosowany jako metoda zachowawcza. Ponadto, chociaż współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) tytanu jest wyższy niż grafitu, jest znacznie niższy niż w przypadku aluminium. Nawet w zakresie temperatur pracy konstrukcji kadłuba, od około –60°C podczas rejsu do +55°C w czasie upałów, różnica CTE konstrukcji aluminiowej przymocowanej do materiału kompozytowego spowoduje bardzo duże obciążenie. Nie stanowi to problemu ze strukturą tytanu. Oczywiście, im dłuższy komponent, tym większy problem z użyciem aluminium.
Niski moduł
Głównym obszarem ważności jest wymiana sprężyn stalowych. Ponieważ moduł jest o połowę mniejszy niż w przypadku stali, potrzebna jest tylko połowa liczby cewek. Łącząc wysoką wytrzymałość i gęstość (około 60% stali), sprężyny stalowe mogą idealnie zmniejszyć ciężar o około 70%. Ponadto tytan zapewnia doskonałą odporność na korozję, zmniejszając w ten sposób koszty konserwacji.
Zbroja
Tytan ma doskonałą odporność balistyczną. W porównaniu ze stalowym lub aluminiowym pancerzem ma taką samą ochronę balistyczną przy gęstości powierzchni i może zmniejszyć masę o 15-35%, tym samym znacznie zmniejszając masę wojskowych naziemnych pojazdów bojowych. Lżejsze pojazdy mają lepszą przenośność i zwrotność. Doskonała odporność na korozję, niski ferromagnetyzm i kompatybilność z materiałami kompozytowymi również zapewniają znaczące korzyści. Dwa projekty, które wykorzystują tytan w ulepszonych pojazdach, to bojowy wóz piechoty Bradley (rysunek 3) i czołg podstawowy Abrams. 2 Stosunkowo wysoki koszt tytanu został z powodzeniem zmniejszony dzięki zastosowaniu płyt wykonanych z wiązek elektronów, zimnych palenisk i pojedynczo topliwych wlewków. 3
