Welke systemen van titaniumlegeringen worden in de lucht- en ruimtevaart gebruikt?

De ontwikkeling van titaniumlegeringen begon in de luchtvaart en evolueerde naarmate de vraag vanuit de sector naar lichtere, sterkere en hittebestendigere constructies toenam. Titaniumsystemen voor de lucht- en ruimtevaart kunnen in vier groepen worden onderverdeeld: legeringen met een hoge sterkte en taaiheid, hogetemperatuurlegeringen, hittebestendige legeringen en composietmaterialen met een titaniummatrix.

Titaniumlegeringen met hoge sterkte en hoge taaiheid

Legeringen met een treksterkte van meer dan 1000 MPa en een breuktaaiheid van meer dan 55 MPa·m^1/2 worden hier over het algemeen beschouwd als titaniumlegeringen met een hoge sterkte en hoge taaiheid. Ti-Al-Mo-V-Cr is een belangrijk legeringssysteem. Ti-1023 is gebruikt in het landingsgestel van de Boeing 777 en in de hoofdlandingspootsteunen van de A380; Timetal 555 is gebruikt voor het landingsgestel en de bogiebalken van de Boeing 777. Het Russische BT22 is toegepast in grote, dragende onderdelen van het casco en het landingsgestel van vliegtuigen zoals de Su-27 en de Il-76.

In Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al worden Mo, V en Cr gebruikt om de bèta-fase te stabiliseren. Door deze toevoegingen te verhogen kan de ductiliteit worden verbeterd; na warmtebehandeling kan de treksterkte 1100-1200 MPa bereiken. Het materiaal heeft een goede koudvervormbaarheid na oplossingsbehandeling en een gunstige balans tussen sterkte en ductiliteit na oplossingsbehandeling en veroudering. Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al bevat minder Cr en heeft een gehalte aan bèta-stabilisatoren dat dicht bij de kritische concentratie ligt, waardoor het de eigenschappen van alfa-bèta- en metastabiele-bèta-legeringen combineert. Na warmtebehandeling kan het een treksterkte van 1110 MPa en een knoopmoment van 70,5 MPa·m bereiken.^1/2 breuktaaiheid voor constructies in de lucht- en ruimtevaart.

Titaniumlegeringen voor hoge temperaturen

Titaniumlegeringen voor hoge temperaturen zijn essentiële materialen voor vliegtuigmotoren. Ti-6Al-4V, de eerste legering die op grote schaal werd gebruikt, is geschikt voor temperaturen rond de 300-350 °C en combineert hittebestendigheid, ductiliteit, taaiheid, vervormbaarheid en biocompatibiliteit. Latere legeringen zoals IMI550, BT3-1 en IMI685 verbeterden de trek- en kruipsterkte en verhoogden de bedrijfstemperatuur tot 400 °C. Door toevoegingen van silicium en de ontwikkeling van Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si ontstonden legeringen als IMI834, Ti-1100, BT36 en andere legeringen die deels door alfa-fase worden versterkt.₂. IMI834, dat op grote schaal wordt gebruikt in het Verenigd Koninkrijk en in Trent 700-motoren, bereikt een temperatuur van ongeveer 600 °C.

Typische Amerikaanse legeringen

Representatieve legeringen uit het Verenigd Koninkrijk

Typische Russische en Chinese legeringen

Bij temperaturen onder 600 °C kunnen deze legeringen beter presteren dan constructiestaal, aluminium en nikkel-superlegeringen wat betreft specifieke sterkte, specifieke kruipsterkte en specifieke vermoeidheidssterkte. Door nikkel te vervangen door titanium bij gelijke sterkte en gebruiksgeschiktheid kan de massa met een factor van ongeveer 1,7 worden verminderd. Motoren met een hoge stuwkracht-gewichtsverhouding vereisen ook blisks, blings, gelaste constructies en Ti₂AlNb, TiAl en met vezels versterkte titaniumcomposieten.

Bij Mach 6 kan de temperatuur van het oppervlak van een vliegtuig oplopen tot meer dan 650 °C, waardoor de vraag naar hittebestendige bekledingen, frames, motoren en onderdelen van het vliegtuigcasco toeneemt. Bij de ontwikkeling wordt daarom vooral aandacht besteed aan kruipweerstand, breuklevensduur, vermoeidheidssterkte, thermodynamische stabiliteit, oxidatiebestendigheid en weerstand tegen thermische spanningscorrosie.

De langetermijngebruikstemperatuur is gestegen van ongeveer 350 °C voor Ti-6Al-4V tot ongeveer 600 °C. Dit wordt vaak beschouwd als de thermische grens voor conventionele titaniumlegeringen, waardoor TiAl en met siliciumcarbidevezels versterkte titaniumcomposieten daarboven belangrijk worden. Gerapporteerde legeringsconcepten voor 650 °C voegen Hf, Nb en Ta toe aan Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-systemen. De toevoegingen van zeldzame aardmetalen moeten onder 0,1 at.% blijven; grotere toevoegingen vereisen poedermetallurgie met snelle stolling. Een volledig lamellaire structuur vereist een bèta-warmtebehandeling.

Brandbestendige titaniumlegeringen

Titanium maakt tegenwoordig ongeveer een derde uit van de structurele massa van veel moderne gasturbinemotoren, maar gewone legeringen kunnen ontbranden onder bepaalde combinaties van temperatuur, druk, luchtstroom en wrijving. Een brandincident kan zich in slechts 4-20 seconden ontwikkelen van lokale verbranding aan de bladtip of achterrand tot een 360° doorbranding van de behuizing.

Brandwerende legeringen zijn bestand tegen ontbranding of vlamverspreiding. Legering C (Ti-35V-15Cr) wordt gebruikt in de statorbladen, binnenringen en straalkleppen van de hogedrukcompressor van de F119. Legering C+ bevat toegevoegd Si en C voor kruipweerstand. Ti40 (Ti-25V-15Cr-0,2Si) is bedoeld voor langdurig gebruik bij temperaturen rond 500 °C, maar verliest zijn kruipweerstand boven 510 °C en mag niet worden blootgesteld aan temperaturen hoger dan 520 °C. TF550, gebaseerd op Ti-35V-15Cr-Si-C, heeft een dichtheid van 5,33 g/cm³ en bruikbaar kruip- en breukgedrag bij 550 °C.

Ti-V-Cr-systemen

V en Cr kunnen vóór het verbranden een dicht beschermend oxidelaagje vormen, de warmteafgifte door vluchtige producten verminderen, de smelttemperatuur verlagen en de warmteverspreiding verbeteren. Legering C is een bèta-legering met een nominale samenstelling van 50Ti-35V-15Cr en een dichtheid van ongeveer 5,34 g/cm³. Legering C+ is Ti-35V-15Cr-0,6Si-0,05C. Deze systemen blijven duur, moeilijk te smelten en hebben onder het smeltpunt geen hoge warmtegeleiding; de warmtegeleiding van Ti40 stijgt pas twee tot drie keer zo hoog bij of boven het smeltpunt, dus snelle warmteafvoer alleen kan de brandwerendheid niet verklaren.

Ti-Al-Cu-systemen

Ti-Cu-legeringen vormen een Ti met een laag smeltpunt₂Vloeibaar koper bij ongeveer 990 °C. Het smelten neemt warmte op en de smering door de vloeistof vermindert wrijving en warmteontwikkeling. Het Russische BTT-1, Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr, is bruikbaar tot ongeveer 450 °C en leent zich goed voor warmvervorming van complexe onderdelen. BTT-3, Ti-18Cu-2Al-2Mo, heeft een betere ductiliteit en brandwerendheid en is geschikt voor plaat- en folietoepassingen, maar beide legeringen hebben een beperkte taaiheid, scheuren gemakkelijk en kunnen tijdens het smelten krimp vertonen.

Ti-Nb-systemen

Commercieel Ti-45Nb wordt gebruikt voor autoclaven. Bij trekproeven onder overbelasting ontbrandde het niet in zuivere zuurstof bij 250 °C en 3,1 MPa en vertoonde het ook een goede corrosiebestendigheid, hoewel de hoge dichtheid het gebruik ervan beperkt.

TiAl-intermetallische verbindingen

TiAl-intermetallische verbindingen combineren een lage dichtheid, een hoge modulus, oxidatiebestendigheid en hittebestendigheid, met een gerapporteerde maximale bedrijfstemperatuur tot 1040 °C, maar hun broosheid bij kamertemperatuur maakt de verwerking moeilijk. Het Ti-Al-systeem omvat Ti₃Al, TiAl en TiAl₃. Bij temperaturen tussen 700 en 850 °C heeft TiAl een hogere specifieke sterkte dan conventionele titanium- en nikkelsuperlegeringen en een ongeveer 50% hogere specifieke stijfheid dan gangbare constructiematerialen voor motoren.

De door GE ontwikkelde Gamma-TiAl-schoepen hebben de schoepen van nikkelsuperlegering in de fasen 6 en 7 van de GEnx-lagedrukturbine van de Boeing 787 vervangen, waardoor het gewicht met maar liefst 72,5 kg is verminderd. Nb-TiAl wordt ook toegepast in turbocompressoren voor auto's en wordt momenteel ontwikkeld voor constructies die bestand zijn tegen temperaturen van 700-900 °C.

Composietmaterialen met een titaniummatrix

Continu SiC-vezelversterkte composietmaterialen met een titaniummatrix maken gebruik van SiC-vezels met een wolfraam- of koolstofkern in titanium- of TiAl-matrices. Ze combineren een hoge specifieke sterkte en stijfheid, een lage dichtheid, kruip- en vermoeidheidsweerstand, en een inzetbaarheid bij 600-800 °C gedurende lange perioden en kortstondig bij 1000 °C. Een ring met geïntegreerde schoepen kan de massa van de compressor met ongeveer 70% verminderen ten opzichte van afzonderlijke schoepen en een schijf.

SiC_f/Ti is anisotroop: de treksterkte in de lengterichting kan meer dan twee keer zo groot zijn als die van de matrix, terwijl de treksterkte in de dwarsrichting slechts de helft van die van de matrix kan bedragen. Dit maakt het materiaal geschikt voor onderdelen die onder gerichte belasting staan, zoals turbineassen, trekstangen, zuigerstangen, mantels en veren.

Bij heet-isostatisch persen of vacuüm-heetpersen moeten de grensvlakreactie, de verdichting van de precursor-draad en de diffusiebinding met de behuizing onder controle worden gehouden. De eigenschappen van de vezels, de coatings, de kwaliteit van de precursor, de opbouw, het vormen en de machinale bewerking zijn allemaal van invloed op het uiteindelijke gedrag. SiC met Ti-1100-matrix_f/De temperatuur van de Ti-blings zou naar verluidt 700-800 °C hebben bereikt, met een structuurgewichtsvermindering van ongeveer 50%.

Vooruitzichten

Toekomstige lucht- en ruimtevaartsystemen moeten beschikken over een hogere sterkte, taaiheid, schadetolerantie, temperatuurbestendigheid en oxidatiebestendigheid, en moeten bovendien goedkoper zijn. Prioriteiten zijn onder meer schadetolerante legeringen, vermoeidheidsbestendige constructielegeringen, geavanceerde TiAl-materialen en composieten met een titaniummatrix, vervaardigd door middel van snelle stolling, poedermetallurgie of versterking met vezels en deeltjes.

De ontwikkeling van composietmaterialen vereist nog steeds verbeterde stabiliteit, statistisch betrouwbare eigenschappengegevens, karakterisering van de bling, voorspelling van defecten en levensduur, niet-destructieve inspectie op microschaal, concentrische procescontrole, ontwerpcriteria, kwalificatiemethoden, stabiele vezel- en matrixpartijen, coatings voor hoge temperaturen, productie-efficiëntie en specificaties voor componenten.