Procesamiento de materiales de aleación de titanio para piezas de equipos aeroespaciales
Palabras clave: material del motor de aleación de titanio, piezas de equipos de aviones de aleación de titanio, procesamiento de piezas de aleación de titanio, aleación de titanio de alta temperatura, Ti-6242S, BT36, Ti60
La aleación de titanio tiene las ventajas de una alta resistencia específica, buena resistencia a la corrosión y resistencia a altas temperaturas. Las aleaciones de titanio se han desarrollado rápidamente en la industria aeroespacial desde la década de 1950. La aleación de titanio es uno de los principales materiales estructurales de los aviones y motores modernos, que pueden reducir el peso de la aeronave y mejorar la eficiencia estructural. La proporción de titanio en los materiales de los aviones: 7% para aviones de pasajeros Boeing 777, 10.3% para aviones de transporte C-17, 8% para cazas F-4, 25.8% para F-15 y 39% para F-22.
El desarrollo de motores aero de alto rendimiento está impulsando el desarrollo de aleaciones de titanio de alta temperatura, y la temperatura de uso de las aleaciones de titanio está aumentando gradualmente. Desde la década de 1950, ha sido representado por la aleación Ti-6Al-4V a 350 ° C. Después del desarrollo de IMI679 e IMI829, se ha actualizado a 600 ° C representado por la aleación IMI834. En la actualidad, las aleaciones avanzadas de titanio de alta temperatura del mundo incluyen Ti-6242S, Ti-1100 en los Estados Unidos, IMI834 en el Reino Unido, BT36 en Rusia y Ti-60 en China. La Tabla 2 muestra la composición y las características de rendimiento de la aleación de titanio principal a alta temperatura a 600 ° C.
Tabla 2: Características de rendimiento de las aleaciones de titanio típicas de alta temperatura
Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) de titanio en la década de 1960 en los Estados Unidos ha desarrollado para satisfacer las necesidades de aleación de titanio de alta temperatura para mejorar el rendimiento. En particular, se han desarrollado aleaciones de titanio casi alfa para cumplir con los requisitos de los motores a reacción. La temperatura máxima de uso de la aleación es de 540 ° C, y la temperatura ambiente σ b = 930 MPa. Se caracteriza por una buena combinación de resistencia, resistencia a la fluencia, tenacidad y estabilidad térmica. Y tiene un buen rendimiento de soldadura, utilizado principalmente para piezas de motores de turbinas de gas, piezas estructurales de motores, partes de extremo caliente del cuerpo del avión.
BT36 (Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si) es una aleación de titanio, desarrollado con éxito en Rusia, una temperatura de 600-650 ° C. A la aleación se le añadió 5% de W y aproximadamente 0,1% de Y. La adición de W tiene un efecto significativo en el aumento de la resistencia térmica de la aleación. Al agregar una pequeña cantidad de Y, el tamaño de grano de la aleación se puede refinar notablemente, y se mejoró la plasticidad y la estabilidad térmica de la aleación.
Ti60 (Ti-5.8Al-4.8Sn-2.OZr-1.0Mo-0.35Si-0.85Nd) de aleación. La aleación de titanio a alta temperatura a 600 ° C fue desarrollada sobre la base de la aleación Ti55 por el Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias y la Planta de Procesamiento de Metales No Ferrosos Baoji. Una característica de la aleación Ti60 es la adición de 1% de Nd (fracción de masa) a la aleación. Una fase de tierra rara rica en Nd, Sn y O se forma por oxidación interna para reducir el contenido de oxígeno en la matriz. Por lo tanto, desempeña un papel en la purificación de la matriz y en la mejora de la estabilidad térmica de la aleación. Se realizaron pruebas piloto semi-industriales (incluida la forja de discos de compresores) y mediciones exhaustivas de rendimiento en aleaciones de Ti60.
Según el estado de la investigación en el país y en el extranjero, la tendencia de desarrollo futuro de las aleaciones de titanio de alta temperatura es:
(1) Se desarrolló una nueva aleación de titanio de alta temperatura de 600 ° C o superior. Puede ajustar la composición de las aleaciones de titanio de alta temperatura existentes, mejorar la tecnología de procesamiento o desarrollar nuevas aleaciones de titanio de alta temperatura para mejorar la temperatura de uso de las aleaciones de titanio de alta temperatura.
(2) El papel de los elementos de las tierras raras en las aleaciones de titanio de alta temperatura aún no se ha estudiado. La aleación de titanio de alta temperatura que contiene elementos de tierras raras desarrollada en China ha alcanzado una temperatura de 600 ° C y tiene un buen rendimiento. Sin embargo, el mecanismo de los elementos de tierras raras en las aleaciones requiere un estudio adicional, sentando las bases teóricas para el desarrollo de aleaciones de titanio de alta temperatura que contengan elementos de tierras raras.
(3) La aleación se desarrolla en la dirección de fortalecimiento de resistencia múltiple. La optimización de la composición de la aleación es cada vez más importante. El sistema Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si- (RE) está compuesto principalmente por una aleación de titanio casi α; el elemento Si es un elemento indispensable en la aleación de titanio de alta temperatura.
La aleación de titanio tiene las ventajas de una alta resistencia específica, buena resistencia a la corrosión y resistencia a altas temperaturas. Las aleaciones de titanio se han desarrollado rápidamente en la industria aeroespacial desde la década de 1950. La aleación de titanio es uno de los principales materiales estructurales de los aviones y motores modernos, que pueden reducir el peso de la aeronave y mejorar la eficiencia estructural. La proporción de titanio en los materiales de los aviones: 7% para aviones de pasajeros Boeing 777, 10.3% para aviones de transporte C-17, 8% para cazas F-4, 25.8% para F-15 y 39% para F-22.
El desarrollo de motores aero de alto rendimiento está impulsando el desarrollo de aleaciones de titanio de alta temperatura, y la temperatura de uso de las aleaciones de titanio está aumentando gradualmente. Desde la década de 1950, ha sido representado por la aleación Ti-6Al-4V a 350 ° C. Después del desarrollo de IMI679 e IMI829, se ha actualizado a 600 ° C representado por la aleación IMI834. En la actualidad, las aleaciones avanzadas de titanio de alta temperatura del mundo incluyen Ti-6242S, Ti-1100 en los Estados Unidos, IMI834 en el Reino Unido, BT36 en Rusia y Ti-60 en China. La Tabla 2 muestra la composición y las características de rendimiento de la aleación de titanio principal a alta temperatura a 600 ° C.
Tabla 2: Características de rendimiento de las aleaciones de titanio típicas de alta temperatura
Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) de titanio en la década de 1960 en los Estados Unidos ha desarrollado para satisfacer las necesidades de aleación de titanio de alta temperatura para mejorar el rendimiento. En particular, se han desarrollado aleaciones de titanio casi alfa para cumplir con los requisitos de los motores a reacción. La temperatura máxima de uso de la aleación es de 540 ° C, y la temperatura ambiente σ b = 930 MPa. Se caracteriza por una buena combinación de resistencia, resistencia a la fluencia, tenacidad y estabilidad térmica. Y tiene un buen rendimiento de soldadura, utilizado principalmente para piezas de motores de turbinas de gas, piezas estructurales de motores, partes de extremo caliente del cuerpo del avión.
BT36 (Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si) es una aleación de titanio, desarrollado con éxito en Rusia, una temperatura de 600-650 ° C. A la aleación se le añadió 5% de W y aproximadamente 0,1% de Y. La adición de W tiene un efecto significativo en el aumento de la resistencia térmica de la aleación. Al agregar una pequeña cantidad de Y, el tamaño de grano de la aleación se puede refinar notablemente, y se mejoró la plasticidad y la estabilidad térmica de la aleación.
Ti60 (Ti-5.8Al-4.8Sn-2.OZr-1.0Mo-0.35Si-0.85Nd) de aleación. La aleación de titanio a alta temperatura a 600 ° C fue desarrollada sobre la base de la aleación Ti55 por el Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias y la Planta de Procesamiento de Metales No Ferrosos Baoji. Una característica de la aleación Ti60 es la adición de 1% de Nd (fracción de masa) a la aleación. Una fase de tierra rara rica en Nd, Sn y O se forma por oxidación interna para reducir el contenido de oxígeno en la matriz. Por lo tanto, desempeña un papel en la purificación de la matriz y en la mejora de la estabilidad térmica de la aleación. Se realizaron pruebas piloto semi-industriales (incluida la forja de discos de compresores) y mediciones exhaustivas de rendimiento en aleaciones de Ti60.
Según el estado de la investigación en el país y en el extranjero, la tendencia de desarrollo futuro de las aleaciones de titanio de alta temperatura es:
(1) Se desarrolló una nueva aleación de titanio de alta temperatura de 600 ° C o superior. Puede ajustar la composición de las aleaciones de titanio de alta temperatura existentes, mejorar la tecnología de procesamiento o desarrollar nuevas aleaciones de titanio de alta temperatura para mejorar la temperatura de uso de las aleaciones de titanio de alta temperatura.
(2) El papel de los elementos de las tierras raras en las aleaciones de titanio de alta temperatura aún no se ha estudiado. La aleación de titanio de alta temperatura que contiene elementos de tierras raras desarrollada en China ha alcanzado una temperatura de 600 ° C y tiene un buen rendimiento. Sin embargo, el mecanismo de los elementos de tierras raras en las aleaciones requiere un estudio adicional, sentando las bases teóricas para el desarrollo de aleaciones de titanio de alta temperatura que contengan elementos de tierras raras.
(3) La aleación se desarrolla en la dirección de fortalecimiento de resistencia múltiple. La optimización de la composición de la aleación es cada vez más importante. El sistema Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si- (RE) está compuesto principalmente por una aleación de titanio casi α; el elemento Si es un elemento indispensable en la aleación de titanio de alta temperatura.
