Anledningar till att använda titan
gå ner i vikt
Den höga hållfastheten och låga densiteten hos titan (ca 40 % lägre än stål) ger många möjligheter till viktminskning. De bästa exemplen är dess användning på landningsställen på Boeing 777 och 787 flygplan och Airbus A380. Figur 1 visar landningsstället på 777-flygplanet. 1 Alla märkta delar är gjorda av Ti-10V-2Fe-3Al. Den minsta draghållfastheten för denna legering är 1 193 MPa; den används för att ersätta det höghållfasta låglegerade stålet 4340M som används vid 1 930 MPa. Denna ersättning resulterade i en viktminskning på mer än 580 kg. 1 Boeing 787 använder nästa generation av höghållfast titanlegering Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, som är något högre i styrka och har vissa bearbetningsfördelar. Användningen av titan i landställets struktur bör också avsevärt minska underhållskostnaden för landstället till dess korrosionsbeständighet. Den låga densiteten och höga hållfastheten gör den mycket attraktiv för fram- och återgående delar, såsom vevstakar för fordonstillämpningar. Likaså är priset på familjebilar för högt, men det amerikanska energidepartementet satsar hårt för att priset på titankomponenter till personbilar och lastbilar ska bli rimliga. (Titan har framgångsrikt använts i avancerade racingbilar, och kostnaden är inte ett så stort problem.)
Utrymmesbegränsningar
Denna applikation visas inte ofta, men den är viktig. De bästa exemplen är landningsställsbalkarna som används på 737, 747 och 757. Denna komponent löper mellan vingarna och flygkroppen och stödjer landningsstället. Andra Boeing-flygplan använder aluminiumlegering i denna applikation, men för ovanstående flygplan är belastningen högre och aluminiumstrukturen är inte lämplig för vinghöljet. Aluminiumlegering kommer att vara förstahandsvalet eftersom dess kostnad är mycket lägre. Stål är ett annat alternativ, men vikten blir högre.
Driftstemperatur
Motorns struktur och avgasområdet fungerar vid höga temperaturer, så huvudvalet är titanbaserade eller nickelbaserade legeringar; på liknande sätt kommer nickellegeringar att öka vikten avsevärt. Driftstemperaturen för titanlegering av motorer är så hög som cirka 600°C. Vissa applikationer, såsom pluggar och munstycken (Figur 2), tål temperaturer över denna temperatur under en kort tidsperiod under vissa driftsförhållanden. Med undantag för specialmotorlegeringar är temperaturgränsen för titanlegeringar cirka 540°C. Över denna temperatur blir syreförorening ett problem, vilket gör ytan spröd. Titan används också i konstruktioner vid låga temperaturer, såsom pumphjul för raketmotorer.
Korrosionsbeständighet
Titan har en mycket seg begynnande oxid som bildas omedelbart när den utsätts för luften. Denna oxid är ansvarig för den utmärkta korrosionsbeständigheten. I flyg- och rymdmiljön är korrosion inte en faktor i titan. Titan är inte gropigt. Enligt författarens's åsikt är detta kärnan i en högkvalitativ serviceupplevelse. Vid användning kommer aluminium- och stållegeringar så småningom att bilda korrosionsgropar, som fungerar som spänningshöjare och sedan orsakar spänningskorrosion eller utmattningssprickor. Detta händer inte med titan. Denna korrosionsbeständighet går genom den kemiska, petrokemiska, massa-, pappers- och byggindustrin. Titan och dess legeringar har utmärkt motstånd under de flesta oxiderande, neutrala och hämmade reduktionsförhållanden. Det har också korrosionsbeständighet i människokroppen. Biokompatibiliteten är också mycket god; den används i en protesanordning, och benet kommer att växa till en rimligt utformad titanstruktur. Kommersiellt rent titan används också i exteriöra konstruktionsapplikationer, och denna praxis började i Japan. Den används på den yttre ytan eftersom den aldrig behöver något underhåll. Den mest kända av dessa är dess användning på utsidan av Guggenheim-museet i Bilbao, Spanien.
Kompositmaterial kompatibilitet
Titan är kompatibelt med grafitfibrer i polymerkompositer. Det finns en hög elektrisk potential mellan aluminium och grafit. Om aluminium kommer i kontakt med grafit när det är vått, kommer aluminiumet att korroderas bort. Det kan isoleras från kompositmaterial med metoder som glasfiberskikt, men i områden som är svåra att inspektera och byta ut används titan som en konservativ metod. Dessutom, även om termisk expansionskoefficient (CTE) för titan är högre än för grafit, är den mycket lägre än för aluminium. Även inom flygkroppsstrukturens driftstemperaturintervall, från cirka –60°C under cruising till +55°C i varmt väder, kommer skillnaden i CTE för aluminiumstrukturen fäst vid kompositmaterialet att orsaka en mycket hög belastning. Detta är inte ett problem med titanstrukturen. Uppenbarligen, ju längre komponenten är, desto större är problemet med att använda aluminium.
Låg modul
Det viktigaste området är byte av stålfjädrar. Eftersom modulen är ungefär hälften av stål, behövs bara hälften av antalet spolar. Genom att kombinera hög hållfasthet och densitet (cirka 60 % av stålet) kan stålfjädrar idealiskt minska vikten med cirka 70 %. Dessutom ger titan utmärkt korrosionsbeständighet, vilket minskar underhållskostnaderna.
Rustning
Titan har utmärkt ballistiskt motstånd. Jämfört med stål- eller aluminiumpansar har den samma ballistiska skydd vid den avsedda yttätheten och kan minska vikten med 15-35%, vilket kraftigt minskar vikten av militära markstridsfordon. Lättare fordon har bättre transporterbarhet och manövrerbarhet. Utmärkt korrosionsbeständighet, låg ferromagnetism och kompatibilitet med kompositmaterial ger också betydande fördelar. Två projekt som använder titan i uppgraderade fordon är Bradleys infanteristridsfordon (Figur 3) och Abrams huvudstridsvagn. 2 Den relativt höga kostnaden för titan har framgångsrikt reducerats genom att använda plattor gjorda av elektronstrålar, kalla härdar och enkelsmältande göt. 3
