Aliaje de titan în hardware de lansare în spațiu: clase, proprietăți și limite de fabricație
Aug 20, 2024
De ce Launch Hardware folosește aliaje de titan
Structurile vehiculului de lansare sunt dimensionate în funcție de schimbul dintre masă și sarcină, astfel încât rezistența specifică domină selecția materialului. Aliajele de titan dețin, de asemenea, rezistență utilă la temperatura criogenică, ceea ce contează deoarece rezervorul de propulsor și liniile de alimentare funcționează în condiții de azot lichid și hidrogen lichid, până la aproximativ -253 °C pentru serviciul cu hidrogen. Aceleași grade păstrează rezistența utilizabilă la câteva sute de grade Celsius, astfel încât o singură familie de materiale poate servi atât părțile reci, cât și cele fierbinți ale vehiculului.
Clasele Alpha-Beta și proprietăți verificate
Ti-6Al-4V, desemnat Grad 5, rămâne aliajul structural de bază, cu un transus beta de aproximativ 995 degC, care stabilește fereastra de forjare și tratament termic. Varianta sa cu interstițial scăzut, gradul 23, schimbă o cantitate mică de rezistență pentru o ductilitate îmbunătățită și duritate la rupere și este specificată pentru hardware critic. Barele și țaglele sunt comandate conform ASTM B348, foile, benzile și plăcile conform ASTM B265 și tubulatura conform ASTM B338.
| Grad (aliaj) | Rezistenta la tractiune, min | Limita de curgere, min | Alungire, min |
|---|---|---|---|
| Gradul 2 (Ti nealiat) | 344 MPa | 275 MPa | 20% |
| Gradul 5 (Ti-6Al-4V) | 895 MPa | 828 MPa | 10% |
| Gradul 23 (Ti-6Al-4V ELI) | 860 MPa | 795 MPa | 10% |
Aceste minime sunt valorile apelate de ASTM B348 și ASTM B338 pentru formele de produs respective și sunt cotate la temperatura camerei. Gradul 2 este utilizat pentru liniile de joasă presiune-, tuburile schimbătoare de căldură și instalațiile sanitare ne-structurale, unde formabilitatea și sudarea contează mai mult decât rezistența.
Aliaje în două-faze pentru componente-de înaltă rezistență
Aliajele cu două-faze tratabile termic-tratabile termic sunt alese acolo unde este necesară rezistența peste nivelul de gradul 5. Membrii cu rezistență mai mare-ai acestei familii ating rezistențe la tracțiune în banda de 1100 până la 1150 MPa în stare de întărire, ceea ce le permite să fie utilizați pentru elemente de grinzi tubulare cu diametre exterioare în intervalul de 80 mm până la 120 mm și pentru elementele de fixare care trebuie să rămână intacte la -196 °C. Alegerea dintre cele două benzi de rezistență este determinată în mod normal de grosimea secțiunii care trebuie să fie întărită până la capăt, mai degrabă decât de tabelul de proprietăți nominale.
Controlul procesului este ceea ce oferă aceste proprietăți. Retopirea cu arc în vid, urmată de forjare în regiune beta- și finisare alfa-beta produce structura uniformă, cu granulație fină-, necesară pentru comportamentul izotrop în piesele forjate cu picături mari-, plăci de acumulator, semifabricate de suport și fitinguri pentru tuburi. Căile de metalurgie a particulelor au fost folosite pentru a perfecționa în continuare structura granulelor și pentru a extinde domeniul de lucru util al acestor aliaje în secțiuni subțiri.
Cerințe de fabricație și inspecție
Titanul este sensibil la preluarea interstițială, astfel încât topirea, forjarea și sudarea sunt efectuate în atmosfere controlate, iar limitele de oxigen și azot sunt înscrise în specificația materialului. Testarea la tracțiune la temperatura camerei urmează ASTM E8/E8M. În cazul în care temperatura de serviciu scade sub cea ambientală, testarea criogenică este efectuată pe aceeași geometrie a probei, dar la temperatura de testare specificată, iar rezultatele sunt raportate ca valori individuale și nu doar ca o medie.
Intermetalice de titan-aluminiu
Aliajele intermetalice Ti-Al reprezintă următoarea generație de materiale de lansare în curs de dezvoltare. Acestea combină o rezistență specifică ridicată cu un modul elastic ridicat și o densitate scăzută, ceea ce este atractiv pentru piesele structurale cu temperatură înaltă-la care aliajele pe bază de nichel-ar adăuga masă. Adoptarea lor depinde de topirea disponibilă, atomizarea gazului inert și capacitatea de deformare izotermă, deoarece aceste aliaje au ferestre de procesare înguste și ductilitate limitată la temperatura camerei-. Denumirile de calitate chineză pentru titan și aliaje de titan, inclusiv seriile TC și TA, sunt enumerate în GB/T 3620.1.
Întrebări frecvente
Q:Care este rezistența minimă la tracțiune a barei de titan de gradul 5?
A: 895 MPa, cu o limită de curgere minimă de 828 MPa și o alungire minimă de 10%, așa cum este specificat în ASTM B348.
Q:La ce temperatură se modifică structura alfa-beta a Ti-6Al-4V?
R: Transusul beta este de aproximativ 995 °C. Lucrul peste sau sub această temperatură determină dacă structura finită este lamelară sau echiaxială.
Q:De ce se folosește gradul 23 în loc de gradul 5?
R: Gradul 23 are limite interstițiale inferioare, care îmbunătățesc ductilitatea și duritatea la rupere la un cost mic în rezistența minimă la tracțiune, 860 MPa față de 895 MPa.
Q:Care este avantajul aliajelor intermetalice Ti-Al?
R: Oferă o rezistență specifică ridicată, cu un modul elastic ridicat și o densitate scăzută, ceea ce reduce masa în piesele structurale cu temperatură înaltă-.
Q:Ce forme de produse sunt acoperite de specificațiile de titan?
R: ASTM B348 acoperă bara și țagla, ASTM B265 acoperă foi, benzi și plăci, iar ASTM B338 acoperă tubulatura.
