Grades et applications des alliages de titane et de titane dans l'industrie aérospatiale

4. β alliage et son application

L'alliage bêta est la plus haute force d'alliages de titane, résistance à la traction jusqu'à 1240 MPA. Après refroidissement rapide, 100% de la phase β métastable peut être conservée à température ambiante. En utilisant une température et un temps de vieillissement différents, la taille et la proportion de précipitations de phase α dans la matrice de phase β d'un alliage peuvent être contrôlées, afin d'obtenir une résistance plus élevée que l'alliage α + β, et différentes propriétés peuvent être obtenues en sélectionnant le approprié Température et temps de vieillissement.

À quelques exceptions près, les alliages bêta ne sont pas utilisés pour des applications à haute température car, en général, les alliages bêta diminuent plus rapidement que les alliages proches alpha et α + avec une température croissante et n'ont pas la même résistance au fluage que près alliages alpha.

L'alliage bêta est principalement utilisé pour les pièces structurelles avec des exigences à haute résistance, telles que le train d'atterrissage des avions, à commencer par le Boeing 777, et a été appliquée dans un certain nombre de nouveaux grands avions commerciaux. Les autres composants utilisés en alliage bêta sur les 777 et 787 comprennent les rails à rabat, les ressorts, les entretoises APU, les réservoirs de feu, les pinces et les supports et les tuyaux d'échappement.

Les alliages bêta utilisés dans l'aviation comprennent Ti-10v-2Fe-3al, Ti-5Al-5MO-5V-3CR, TI-5V-3CR-3AL-3SN, TI-6AL-2SN-4ZR-6MO, TI-5AL-2SN -2ZR-4MO-4CR, TI-3AL-8V-6CR-4MO-4ZR, TI-35V-15CR et TI-15MO-2.7NB-3AL-0.2SI.

(1) TI-10V-2FE-3AL (TI-10-2-3). L'alliage TI-10V-2FE-3AL (TI-10-2-3) est une résistance élevée près de l'alliage bêta développé conjointement par l'American Timet Company, Boeing Company et Wyman-Gordon dans les années 1970. Il a été appliqué avec succès sur des pièces structurelles clés telles que le faisceau de roulement principal, l'aile et l'arbre du train d'atterrissage d'avion. Après des essais sur le Boeing 757, l'alliage a été officiellement approuvé pour une utilisation dans le train d'atterrissage du Boeing 777, comme le montre la figure 3. Depuis lors, Airbus a également utilisé le TI-10-2-3 comme équipement d'atterrissage sur son A380 avion.

(2) TI-5AL-5MO-5V-3CR (TI-5553). L'alliage TI-5553 est un nouvel toîné à haute résistance et à haute résistance près de l'alliage de titane β développé conjointement par la Sarda supérieure de la Russie (VSMPO) et la société européenne Airbus, sa composition nominale est TI-5AL-5MO-5V-3CR-1zr, qui est Légèrement supérieur à la résistance à l'alliage TI-10-2-3 (environ 1240MPA). Après traitement thermique, la résistance à la traction peut dépasser 1500 MPa, avec certains avantages de performance de traitement et une meilleure durabilité. Il convient particulièrement à la fabrication de grands composants de roulements tels que les joints d'aile / cintre, le train d'atterrissage / joints d'aile et les pièces d'atterrissage. L'alliage TI-5553 est utilisé pour la plupart des parties du train d'atterrissage du nouvel avion 787 de Boeing, et il est également utilisé pour les parties du train d'atterrissage d'Airbus A350-1000.

(3) TI-15V-3CR-3SN-3AL (TI-15-3-3-3). TI-15-3-3-3 est un alliage de titane de type β métastable développé aux États-Unis dans les années 1970. Après traitement à 800 ℃ 30minac + 540 ℃ 8HAC, la résistance à la traction à température ambiante a atteint 1100 MPa et l'allongement était toujours supérieur à 9%. L'alliage a une excellente ductilité de compression, de la formabilité du froid et des propriétés de soudage, et est un matériau idéal pour les composants de l'aviation. Il est principalement utilisé comme parties structurelles du fuselage et attaches d'aviation, et peut également être utilisée pour fabriquer des ressorts, comme le montre la figure 4. L'utilisation de bêta titane au lieu de ressorts en acier peut obtenir une réduction de poids à 70%.

(4) TI-6AL-2SN-4ZR-6MO (Ti-6-2-4-6). Le titane 6246 est un alliage de titane à haute température à haute teneur en MO développé par chronomètre dans les années 1960, avec une résistance à haute température (en utilisant la température à 420 ° C), une bonne résistance, une résistance à la corrosion, un soudage et un traitement. La résistance à la fatigue à faible cycle de l'alliage après le vieillissement de la solution ou le double recuit est évidemment plus élevée que celle de l'alliage TI-6AL-4V correspondant, et a une résistance à la flux à haute température plus élevée et une résistance instantanée, un alliage de titane aérospatial, qui peut être utilisé pour fabriquer Disques et lames de compresseur de moteur de turbine.

(5) TI-5AL-2SN-2ZR-4MO-4CR (TI-17). Ti-17 is the United States General Electric Company in the early 1970s began to research and development of β-type alloy, high strength, good toughness, at room temperature yield strength of 1137~1166MPa, tensile strength of 1196~1235MPa, elongation of plus de 8%. Dans le même temps, il a une bonne croissance des fissures / résistance à la fatigue et de la ténacité des fractures. Il est principalement utilisé pour certains nouveaux grands ventilateurs de moteur d'aéronefs et disque de moteur à pression d'air avec des exigences à haute résistance. La United States General Electric Company et Wyman Gordon Company ont utilisé l'alliage TI-17 pour fabriquer un disque de moteur et un arbre de serrage de rotor d'hélicoptère. Le Kobe Steel japonais a également commencé à développer l'alliage et utilisé dans la fabrication de disques de moteur.

(6) TI-3AL-8V-6CR-4MO-4ZR (β-C). Le β-C est un alliage β-titane métastable développé par RMI en 1969. L'alliage contient une solution plus solide, la résistance à la traction peut atteindre 1240 MPa, en raison de la haute résistance, de ses propriétés de tolérance en plastique et de perte (taux de croissance des fissures de fracture et de la fatigue) inférieur à l'alliage α + β, il n'est donc pas couramment utilisé dans les composants de charge critique, généralement utilisés comme ressorts d'avion, attaches, connecteurs et composants de missile.

La recherche montre que l'ajout d'une petite quantité de C (0,1%) au β-C et de conduite d'une certaine déformation à froid avant le vieillissement peut accélérer la précipitation de la phase α pendant le vieillissement, réduire la formation de la limite des grains α (GB-α), et Promouvoir le raffinement des grains et maintenir une bonne ductilité tout en obtenant une résistance allant jusqu'à 1500 MPA.

(7) TI-35V-15CR (alliage C). Il n'y a qu'un véritable alliage bêta (stable) avec une application commerciale limitée, l'alliage C, nominalement TI-35V-15CR-0.05C, fabriqué par Pratt et Whitney, Inc. L'une des deux plus grandes sociétés de fabrication de moteurs d'avion aux États-Unis) développé. En raison de la teneur élevée de l'alliage stabilisé β, l'alliage C ne décompose pas la phase β dans la phase α + β à la température du service, comme le font les alliages β normaux. L'alliage a une propriété de traction de 1071 MPa à température ambiante, une limite d'élasticité de 1023 MPa, un allongement de 14,7 et une température de fluage de 540 ℃, et est utilisée par Pratt & Whitney comme système d'échappement pour les moteurs militaires en raison de son incendie Propriétés de protection (non-combustion). D'autres alliages de titane brûlent à des débits massiques élevés (tels que le flux d'air du moteur à réaction), et le "carburant" pour la combustion est le titane et l'aluminium, qui sont essentiels dans presque tous les alliages de titane.

(8) T I-1 5 M O-2.7 N B-3 AL-0,2 S I (β-21 1 S). Les β-21S (Ti-15MO-2,7NB-3AL-0.2SI) est un nouveau β-alliant ultra-élevé développé par TIMET. L'alliage a une forte résistance et une bonne plasticité, et grâce à un traitement thermique, vieillissant à un niveau de résistance très élevé (résistance à la traction> 1450MPA), la plasticité est toujours maintenue au niveau de Ti-1023. Les β-21 ont des propriétés antioxydantes importantes pendant le traitement et l'utilisation, ce qui le rend plus adapté au traitement en feuilles minces. Les β-21 peuvent résister à des températures plus élevées que les autres alliages β, et la température de travail à long terme peut atteindre 540 ℃.

En raison de sa meilleure résistance aux températures élevées, cet alliage peut être utilisé comme vertèbre de queue aérodynamique, comme le montre la figure 5, où la buse est exposée à l'échappement du moteur. Le remplacement de l'alliage à base de nickel par des β-21 peut réduire considérablement le poids de la buse et des vertèbres de queue.

Péroraison

L'analyse des alliages en titane et en titane aérospatial américain et européen montre que ces dernières années, l'alliage de titane à haute température, l'alliage de titane à basse température, la forte résistance et l'alliage de titane β à haute ténacité, l'alliage de titane de la flamme et la tolérance aux dommages développés à l'étranger ont été largement utilisé dans le champ aérospatial, représentant la direction de développement des matériaux en alliage de titane haute performance aérospatial.

(1) alliage de titane à haute température. Les alliages de titane à haute température développés dans les années 1950 sont représentés par l'alliage TI-6AL-4V développé aux États-Unis, qui est adapté à une température de 300-350 ° C. Les alliages de titane à haute température développés plus tard sont principalement proches de Le type α, représenté par TI-6-2-4-2S et TI-1100 développé aux États-Unis, IMI834 développé au Royaume-Uni et BT-36 développé en Russie, et la température est aussi élevée que 600 ℃. Les alliages de titane à haute température ont été largement utilisés dans les moteurs aérodynamiques en raison de leur excellente résistance thermique et de leur résistance spécifique élevée. Une autre tendance de développement des alliages de titane à haute température est l'alliage d'aluminium de titane, c'est-à-dire des composés intermétalliques TI3AL (α2) et tial (ϒ) basé sur le titane et l'aluminium, dont ϒ ϒ a une résistance à haute température de 725 ℃. L'alliage d'aluminium en titane est devenu le matériau le plus compétitif pour les futurs moteurs d'avion et les pièces structurelles des avions.

(2) Alliage de titane à basse température. Certains alliages de titane et de titane peuvent maintenir leurs propriétés mécaniques d'origine à des températures basse et ultra-bas. Les études sur les alliages de titane à basse température aux États-Unis se concentrent principalement sur le type α de type TI-5AL-2.5SN ELI et α + β type TI-6AL-4V ELI. En réduisant la teneur en éléments intermittents, les deux alliages de titane maintiennent une bonne résistance et de la ténacité à une température extrêmement basse de 20k. Utilisé dans les vaisseaux cryogéniques, les tuyaux cryogéniques et les traits de moteur à fusée liquide.

(3) Alliage de titane à haute résistance. Les alliages de titane à haute résistance se réfèrent généralement aux alliages de titane avec une résistance à la traction supérieure à 1 000 MPA, et les alliages de titane à haute résistance étrangers sont principalement développés aux États-Unis et en Russie. L'alliage bêta est l'alliage de titane la plus haute force, représentant actuellement le niveau avancé international et dans le domaine de l'aviation pour obtenir des applications pratiques de l'alliage de titane à haute résistance principalement de type β, comme les États-Unis TI-10-2-3, TI-15-3-3-3 et β-21S, Russie Ti-5-5-5-3-1, etc. Il est principalement utilisé pour les pièces structurelles avec des exigences de résistance élevée, telles que le train d'atterrissage des avions et les pièces de fuselage.

(4) Alliage de titane ignifuge. Afin de résoudre le problème de la "combustion en titane" des matériaux en alliage de titane pour les moteurs d'avion pour répondre aux besoins des moteurs à rapport forte / poids élevé, les États-Unis et la Russie ont effectué le développement d'alliages de titane issus de la flamme depuis les années 1970. L'alliage de titane ignifuge ignifuge comprend principalement deux systèmes en alliage: l'alliage du système Ti-V-Cr des États-Unis (T-35V-15CR); La série russe Ti-Cu-Al est BTT-1 et BTT-3. [3] L'alliage C est un alliage de titane stable de type β de type β avec une forte résistance à une pièce et à haute température, une bonne résistance au fluage, une excellente résistance à la fatigue et une formabilité du froid, qui a été appliquée avec succès au boîtier de compresseur à haute pression, à la lame de guidage et au vecteur Buse de queue du moteur F119.

Tolérance aux dommages alliage de titane. Afin de répondre aux exigences des nouveaux avions sur la résistance spécifique au matériau, la résistance à la fatigue, la croissance des fissures, la ténacité à la fracture, le coût du cycle de vie et d'autres propriétés complètes, les alliages de titane de tolérance aux dommages avec une forte dureté de fracture et un faible taux de croissance des fissures ont été développés à l'étranger. Il est représenté par les alliages α + β TI-6AL-4V ELI et TI-6-2-2-2-2 développés aux États-Unis. TI-6AL-4V ELI est un alliage de titane de tolérance aux dégâts de résistance moyenne, et Ti-6-2-2-2-2 est un alliage de titane de tolérance aux dommages à haute résistance, qui a été largement utilisé dans les jets de chasse F-22 les États Unis.