Hợp kim titan hàng không vũ trụ chủ yếu được phân loại thành ba loại dựa trên cấu trúc vi mô và đặc tính hiệu suất của chúng: hợp kim titan loại α (bao gồm cả hợp kim gần α), hợp kim titan loại α+β và hợp kim titan loại β. Hoa Kỳ sở hữu hệ thống vật liệu hợp kim titan hàng không vũ trụ đặc biệt tiên tiến với một loạt các cấp độ toàn diện. Các vật liệu này bao gồm hợp kim có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao lên đến 600°C, chẳng hạn như Ti-1100, và hợp kim loại β có độ bền cao, độ dẻo dai cao như Ti-10-2-3 (Ti-10V-2Fe-3Al).
Hợp kim titan loại Alpha thể hiện khả năng chống rão và khả năng hàn tuyệt vời, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho các thành phần hợp kim chịu nhiệt độ cao . Ví dụ, Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận quay như cánh và rôto trong động cơ tua bin khí. Hợp kim titan α+β tiêu biểu, Ti-6Al-4V, là hợp kim titan hàng không vũ trụ được sử dụng rộng rãi nhất, chiếm khoảng 60% tổng số sản phẩm hợp kim titan. Nó có độ bền kéo tối thiểu là 896 MPa và thể hiện các đặc tính chống mỏi và gãy tuyệt vời. Hợp kim titan loại β như Ti-15-3 (Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al) thể hiện độ bền tăng đáng kể sau khi xử lý nhiệt, với độ bền tấm đạt σb ≥ 1310 MPa. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các thành phần kết cấu máy bay và hệ thống đường ống.
Sự phát triển của các hợp kim titan hàng không vũ trụ này đang hướng đến khả năng chịu nhiệt độ cao hơn, tỷ lệ độ bền/độ dẻo dai được cải thiện và các đặc tính chuyên biệt như chống cháy. Đáng chú ý, một số hợp kim hàng không vũ trụ kết hợp kim loại quý để tối ưu hóa độ ổn định nhiệt độ cao và hiệu suất cơ học.
Ngành tái chế titan cũng đang phát triển công nghệ phục hồi và cơ cấu giá để ứng phó với những đổi mới trong hợp kim hàng không vũ trụ này.
Hợp kim titan hàng không vũ trụ được ứng dụng rộng rãi nhất trong động cơ máy bay, chiếm hơn 30% trọng lượng của động cơ. Các thành phần chính như đĩa quạt, cánh tua-bin , đĩa và cánh máy nén, cũng như vỏ động cơ đều sử dụng rộng rãi hợp kim titan hàng không vũ trụ.
Trong các bộ phận máy nén, hợp kim titan đã thay thế các vật liệu thép trước đây, giúp giảm đáng kể trọng lượng trong khi vẫn chịu được nhiệt độ vận hành từ 300-550°C. Các hợp kim titan chịu nhiệt độ cao được phát triển tại Châu Âu và Hoa Kỳ, chẳng hạn như Ti-1100 và IMI834, có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến 600°C và được thiết kế đặc biệt để sản xuất các bộ phận chịu nhiệt độ cao của động cơ. Hợp kim IMI834 do Anh phát triển, sau khi xử lý dung dịch và lão hóa trong vùng pha β-2, thể hiện độ bền ở nhiệt độ phòng σb ≥930 MPa, có độ bền rão cao và khả năng chống mỏi tuyệt vời. Hợp kim này được sử dụng trong các đĩa tuabin máy nén áp suất trung gian và máy nén áp suất cao của động cơ RR Trent 800.
Trong động cơ máy bay của Nga , hợp kim titan chiếm tới 36% thành phần. Hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, các bộ phận động cơ này đòi hỏi khả năng chịu nhiệt và độ bền vượt trội - những đặc tính khiến hợp kim titan hàng không vũ trụ trở thành vật liệu lõi được ưa chuộng cho động cơ.
Hợp kim titan hàng không vũ trụ cũng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống đường ống, phụ kiện và bình chịu áp suất trong hệ thống thủy lực và nhiên liệu máy bay. Trong các hệ thống này, hợp kim Ti-3Al-2.5V thường được sử dụng trong hệ thống đường ống thủy lực áp suất cao hoạt động ở áp suất lên đến 28 MPa, thay thế thép không gỉ 21-6-9 và giảm trọng lượng 40%.
Hệ thống ống dẫn của hệ thống điều khiển ứng dụng Boeing 777 sử dụng hợp kim Ti-15-3 thay vì titan CP cường độ thấp ban đầu, giúp giảm trọng lượng 63,5 kg mỗi máy bay. Ứng dụng hợp kim titan hàng không vũ trụ trong hệ thống nhiên liệu cũng bao gồm các kết cấu hàn cho bình tích áp thủy lực và bình nhiên liệu. Hợp kim VT43 do Nga phát triển được thiết kế đặc biệt để sản xuất các kết cấu hàn trong bình khí, bình tích áp thủy lực và bình nhiên liệu cho thiết bị hàng không vũ trụ.
Các thành phần hệ thống này tận dụng các đặc tính cường độ riêng, khả năng chống ăn mòn và độ bền mỏi cao của hợp kim titan hàng không vũ trụ để đảm bảo máy bay hoạt động đáng tin cậy trong điều kiện phức tạp. Một số hợp kim titan hàng không vũ trụ chuyên dụng kết hợp kim loại quý để tăng cường độ ổn định lâu dài trong môi trường ăn mòn.
Tầm quan trọng của hợp kim titan hàng không vũ trụ bắt nguồn từ sự kết hợp các đặc tính vượt trội của chúng. Chúng sở hữu cường độ riêng cao, nhẹ hơn thép khoảng 40% nhưng vẫn có độ bền tương đương - một lợi thế quan trọng cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ trong việc theo đuổi thiết kế nhẹ. Hợp kim titan thể hiện dải nhiệt độ hoạt động rộng, duy trì hiệu suất ổn định từ điều kiện nhiệt độ cực thấp đến nhiệt độ cao 600°C.
Máy bay càng tiên tiến, hàm lượng titan càng cao. Ví dụ, máy bay chiến đấu thế hệ thứ tư F-22 của Mỹ chứa 41% titan, khiến nó trở thành máy bay có hàm lượng titan cao nhất. Trên máy bay Boeing 777, hợp kim titan được sử dụng để chế tạo các tấm cánh được tạo thành từ các tấm ép nhiệt vì hệ số giãn nở nhiệt của chúng phù hợp với sợi carbon, tránh được các vấn đề ăn mòn điện hóa phát sinh khi nhôm tiếp xúc với than chì.
Xét về mặt kinh tế, mặc dù hợp kim titan hàng không vũ trụ có chi phí ban đầu cao hơn, nhưng thiết kế và quy trình tối ưu - chẳng hạn như hợp kim VT43 của Nga - có thể giảm 20% chi phí, giảm 50% mức tiêu thụ năng lượng xử lý nhiệt, giảm 20% khối lượng công việc gia công áp suất và 30% khối lượng công việc gia công. Những đặc tính này khiến hợp kim titan hàng không vũ trụ trở thành vật liệu chủ chốt không thể thiếu trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ hiện đại. Một số hợp kim titan hàng không vũ trụ hiệu suất cao chứa kim loại quý, đảm bảo độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt và được các công ty tái chế kim loại quý săn đón.
Ngôn ngữ
