I. एयरोस्पेस क्षेत्र में सामग्री की मुख्य आवश्यकताएंः हल्के वजन, उच्च शक्ति और पर्यावरण अनुकूलन क्षमता
एयरोस्पेस उपकरण का डिजाइन "वजन लागत है" के सिद्धांत का पालन करता हैः
वजन घटाने की आवश्यकताएंः प्रत्येक 1 किलोग्राम वजन घटाने से विमान की ईंधन खपत लगभग 5-10 किलोग्राम कम हो सकती है (उदाहरण के लिए वाणिज्यिक यात्री विमानों को लेते हुए),संचालन लागत और कार्बन उत्सर्जन को सीधे कम करना.
चरम पर्यावरणीय चुनौतियां:
उच्च ऊंचाई वायुमंडलीय संक्षारण (ओजोन, पराबैंगनी किरणें, वैकल्पिक तापमान);
इंजन के घटक 800°C से अधिक के उच्च तापमान और गैस जंग का सामना करते हैं।
वायुमंडल में पुनः प्रवेश करते समय अंतरिक्ष यान गंभीर थर्मल सदमे और ऑक्सीकरण के अधीन होते हैं।
II. क्षरण प्रतिरोध का लाभटाइटेनियमकास्टिंग: एक "स्पेस शील्ड" जो स्वाभाविक रूप से जंग प्रतिरोधी है
1ऑक्साइड फिल्म स्व-मरम्मत तंत्रः संक्षारक वातावरण में "स्व-संरक्षण"
टाइटेनियमTiO2 ऑक्साइड की घनी फिल्म (लगभग 5-10nm की मोटाई) बनाने के लिए कमरे के तापमान पर ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिसकी निम्नलिखित विशेषताएं हैंः
रासायनिक निष्क्रियताः समुद्री जल, गीले क्लोरिन, अधिकांश कार्बनिक एसिड और क्लोराइड समाधानों में लगभग कोई संक्षारण नहीं (उदाहरण के लिए,टाइटेनियमसमुद्री वातावरण में कास्टिंग 0.001 मिमी से कम है);
आत्म-मरम्मत की क्षमताः फिल्म परत क्षतिग्रस्त होने के बाद,यह तेजी से एक ऑक्सीजन युक्त वातावरण में संरक्षण प्रभाव को बनाए रखने के लिए पुनर्जीवित किया जा सकता है (एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं की तुलना में जो संक्षारण सुरक्षा के लिए अतिरिक्त कोटिंग की आवश्यकता होती है).
2पारंपरिक सामग्रियों के साथ जंग प्रतिरोध की तुलना
एल्यूमीनियम मिश्र धातुः आर्द्र वातावरण में छिद्रण के लिए प्रवण, क्रोमेट कोटिंग्स के छिड़काव की आवश्यकता (विषाक्त और पर्यावरण के अनुकूल नहीं)
इस्पात: जस्ता या निकेल-क्रोमियम मिश्र धातु को लेपित करने की आवश्यकता होती है, और समुद्री वातावरण में विद्युत रासायनिक संक्षारण अभी भी हो सकता है;
टाइटेनियमः अतिरिक्त क्षरण रोधी उपचार की आवश्यकता नहीं है और रखरखाव लागत 40% से अधिक कम हो जाती है (डेटा स्रोतः एयरबस A350 टाइटेनियम घटक आवेदन रिपोर्ट) ।
III. शक्ति लाभटाइटेनियमकास्टिंग: हल्के वजन और उच्च विश्वसनीयता के बीच सही संतुलन
1धातु सामग्री में विशिष्ट शक्ति (शक्ति/घनत्व) सबसे अच्छी है।
टाइटेनियम मिश्र धातुओं की विशिष्ट शक्ति 15-20×104N·m/kg तक पहुंच सकती है, जो एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं (7-10×104N·m/kg) और स्टील (4-6×104N·m/kg) से बहुत अधिक है। उदाहरण के लिएः
TC4 टाइटेनियम मिश्र धातु (Ti-6Al-4V): घनत्व 4.5g/cm3, तन्यता शक्ति ≥895MPa, लोड-असर घटकों जैसे विमान के विंग बीम और धड़ के फ्रेम के निर्माण के लिए उपयुक्त है,और वजन स्टील के घटकों की तुलना में 40% से अधिक हल्का है.
2. उच्च तापमान शक्ति प्रतिधारण क्षमताः "गर्म वातावरण" में स्थिर संचालन
टाइटेनियम मिश्र धातु अभी भी 400-600 डिग्री सेल्सियस के तापमान सीमा में कमरे के तापमान की ताकत का 70% से अधिक बनाए रख सकती है (एल्यूमीनियम मिश्र धातु की ताकत 200 डिग्री सेल्सियस से ऊपर काफी कम हो जाती है) ।विशिष्ट अनुप्रयोग:
विमान इंजन कंप्रेसर ब्लेडः Ti-6242 मिश्र धातु (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) का प्रयोग किया जाता है, जो 500°C पर लंबे समय तक काम कर सकता है, 15% वजन कम करने के लिए निकल आधारित मिश्र धातुओं की जगह लेता है;
अंतरिक्ष यान प्रक्षेपक नलिकाएंः टाइटेनियम मिश्र धातु कास्टिंग उच्च तापमान गैस स्क्रू के तहत संरचनात्मक अखंडता बनाए रख सकती है।
3थकान प्रतिरोध और फ्रैक्चर टिकाऊपनः "कठोरता" बारी-बारी से भार का सामना करने के लिए
टाइटेनियम कास्टिंग की थकान शक्ति तन्यता शक्ति का 50%-60% तक पहुंच सकती है (एल्यूमीनियम मिश्र धातु केवल 30%-40% है), और टूटने की कठोरता (KIC) 50-100MPa・m1/2 तक है,जो कंपन और प्रभाव का सामना करने वाले भागों के लिए उपयुक्त है, जैसे:
हेलीकॉप्टर ट्रांसमिशन सिस्टम आवास;
उपग्रह सौर पैनल समर्थन संरचना।
4एयरोस्पेस क्षेत्र में टाइटेनियम कास्टिंग के विशिष्ट अनुप्रयोग मामले
एयरबस A380: केंद्रीय विंग बॉक्स कनेक्टर के निर्माण के लिए टाइटेनियम कास्टिंग का उपयोग किया जाता है, जिससे वजन 1.2 टन कम हो जाता है और संरचनात्मक जीवनकाल 60,000 उड़ान घंटों तक बढ़ जाता है;
अमेरिकी एफ-22 लड़ाकू विमानः धड़ संरचना के वजन का 41% टाइटेनियम कास्टिंग का होता है, जिसका मुख्य रूप से लैंडिंग गियर और इंजन ब्रैकेट जैसे प्रमुख भागों में उपयोग किया जाता है;
स्पेसएक्स स्टारशिप: इंजन थ्रश चैंबरटाइटेनियम मिश्र धातुनिवेश कास्टिंग, जो 3000 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के गैस तापमान का सामना कर सकती है और 100 से अधिक बार पुनः उपयोग की जा सकती है।
5टाइटेनियम कास्टिंग के अन्य "प्लस पॉइंट्स": एयरोस्पेस डिजाइन को सशक्त बनाना
जटिल संरचना मोल्डिंग की क्षमताः निवेश कास्टिंग (लॉस्ट वैक्स विधि) के माध्यम से, गुहाओं और पतली पसलियों (जैसे एकीकृत इंजन केश) के साथ जटिल घटकों का सीधे निर्माण किया जा सकता है,भागों और विधानसभा प्रक्रियाओं की संख्या को कम करना;
कम घनत्व और उच्च कठोरता एक साथ मौजूद हैंः टाइटेनियम का लोचदार मॉड्यूल 110GPa है, जो एल्यूमीनियम (70GPa) और स्टील (210GPa) के बीच है, जो उच्च कठोरता वाली हल्के संरचनाओं को डिजाइन करने के लिए उपयुक्त है।
संगतता लाभः टाइटेनियम कम्पोजिट सामग्री (जैसे कार्बन फाइबर) के संपर्क में आने पर इलेक्ट्रोकेमिकल जंग के लिए प्रवण नहीं है,जो एयरोस्पेस उपकरण के बहु-सामग्री एकीकृत डिजाइन को सुविधाजनक बनाता है.
VI. चुनौतियां और भविष्य के रुझानः लागत और तकनीकी नवाचार हाथ में हाथ चलते हैं
लागत की समस्याएंः टाइटेनियम मिश्र धातु के पिघलने को वैक्यूम वातावरण में करने की आवश्यकता है, और कास्टिंग उपकरण में निवेश उच्च है (एक वैक्यूम शेल फर्नेस की लागत 10 मिलियन युआन से अधिक है),जिसके परिणामस्वरूप टाइटेनियम कास्टिंग की यूनिट कीमत एल्यूमीनियम मिश्र धातु की तुलना में लगभग 5-8 गुना है;
तकनीकी सफलताएं:
3 डी प्रिंटिंगटाइटेनियम कास्टिंग(एसएलएम तकनीक) सामग्री की खपत को 30% तक कम कर सकती है और वितरण चक्र को कम कर सकती है;
नए α+β टाइटेनियम मिश्र धातु (जैसे Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr) संरचना अनुकूलन के माध्यम से उच्च तापमान शक्ति और कास्टिंग प्रसंस्करण क्षमता में और सुधार करते हैं।
निष्कर्ष:टाइटेनियम कास्टिंग"जंग प्रतिरोध + उच्च शक्ति + हल्के वजन" के अपने त्रि-आयामी लाभों के साथ एयरोस्पेस क्षेत्र में एक अपरिवर्तनीय सामग्री बन गए हैं।वाणिज्यिक विमानों से लेकर गहरे अंतरिक्ष यान तक, उनका प्रदर्शन न केवल कठोर कार्य परिस्थितियों की आवश्यकताओं को पूरा करता है, बल्कि संरचनात्मक अनुकूलन के माध्यम से विमान की दक्षता के निरंतर उन्नयन को भी बढ़ावा देता है।कास्टिंग प्रक्रिया की लागत में कमी और नए मिश्र धातुओं के विकास के साथ, एयरोस्पेस क्षेत्र में टाइटेनियम कास्टिंग के आवेदन की सीमाओं का विस्तार जारी रहेगा।
ईमेलः cast@ebcastings.com
I. एयरोस्पेस क्षेत्र में सामग्री की मुख्य आवश्यकताएंः हल्के वजन, उच्च शक्ति और पर्यावरण अनुकूलन क्षमता
एयरोस्पेस उपकरण का डिजाइन "वजन लागत है" के सिद्धांत का पालन करता हैः
वजन घटाने की आवश्यकताएंः प्रत्येक 1 किलोग्राम वजन घटाने से विमान की ईंधन खपत लगभग 5-10 किलोग्राम कम हो सकती है (उदाहरण के लिए वाणिज्यिक यात्री विमानों को लेते हुए),संचालन लागत और कार्बन उत्सर्जन को सीधे कम करना.
चरम पर्यावरणीय चुनौतियां:
उच्च ऊंचाई वायुमंडलीय संक्षारण (ओजोन, पराबैंगनी किरणें, वैकल्पिक तापमान);
इंजन के घटक 800°C से अधिक के उच्च तापमान और गैस जंग का सामना करते हैं।
वायुमंडल में पुनः प्रवेश करते समय अंतरिक्ष यान गंभीर थर्मल सदमे और ऑक्सीकरण के अधीन होते हैं।
II. क्षरण प्रतिरोध का लाभटाइटेनियमकास्टिंग: एक "स्पेस शील्ड" जो स्वाभाविक रूप से जंग प्रतिरोधी है
1ऑक्साइड फिल्म स्व-मरम्मत तंत्रः संक्षारक वातावरण में "स्व-संरक्षण"
टाइटेनियमTiO2 ऑक्साइड की घनी फिल्म (लगभग 5-10nm की मोटाई) बनाने के लिए कमरे के तापमान पर ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिसकी निम्नलिखित विशेषताएं हैंः
रासायनिक निष्क्रियताः समुद्री जल, गीले क्लोरिन, अधिकांश कार्बनिक एसिड और क्लोराइड समाधानों में लगभग कोई संक्षारण नहीं (उदाहरण के लिए,टाइटेनियमसमुद्री वातावरण में कास्टिंग 0.001 मिमी से कम है);
आत्म-मरम्मत की क्षमताः फिल्म परत क्षतिग्रस्त होने के बाद,यह तेजी से एक ऑक्सीजन युक्त वातावरण में संरक्षण प्रभाव को बनाए रखने के लिए पुनर्जीवित किया जा सकता है (एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं की तुलना में जो संक्षारण सुरक्षा के लिए अतिरिक्त कोटिंग की आवश्यकता होती है).
2पारंपरिक सामग्रियों के साथ जंग प्रतिरोध की तुलना
एल्यूमीनियम मिश्र धातुः आर्द्र वातावरण में छिद्रण के लिए प्रवण, क्रोमेट कोटिंग्स के छिड़काव की आवश्यकता (विषाक्त और पर्यावरण के अनुकूल नहीं)
इस्पात: जस्ता या निकेल-क्रोमियम मिश्र धातु को लेपित करने की आवश्यकता होती है, और समुद्री वातावरण में विद्युत रासायनिक संक्षारण अभी भी हो सकता है;
टाइटेनियमः अतिरिक्त क्षरण रोधी उपचार की आवश्यकता नहीं है और रखरखाव लागत 40% से अधिक कम हो जाती है (डेटा स्रोतः एयरबस A350 टाइटेनियम घटक आवेदन रिपोर्ट) ।
III. शक्ति लाभटाइटेनियमकास्टिंग: हल्के वजन और उच्च विश्वसनीयता के बीच सही संतुलन
1धातु सामग्री में विशिष्ट शक्ति (शक्ति/घनत्व) सबसे अच्छी है।
टाइटेनियम मिश्र धातुओं की विशिष्ट शक्ति 15-20×104N·m/kg तक पहुंच सकती है, जो एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं (7-10×104N·m/kg) और स्टील (4-6×104N·m/kg) से बहुत अधिक है। उदाहरण के लिएः
TC4 टाइटेनियम मिश्र धातु (Ti-6Al-4V): घनत्व 4.5g/cm3, तन्यता शक्ति ≥895MPa, लोड-असर घटकों जैसे विमान के विंग बीम और धड़ के फ्रेम के निर्माण के लिए उपयुक्त है,और वजन स्टील के घटकों की तुलना में 40% से अधिक हल्का है.
2. उच्च तापमान शक्ति प्रतिधारण क्षमताः "गर्म वातावरण" में स्थिर संचालन
टाइटेनियम मिश्र धातु अभी भी 400-600 डिग्री सेल्सियस के तापमान सीमा में कमरे के तापमान की ताकत का 70% से अधिक बनाए रख सकती है (एल्यूमीनियम मिश्र धातु की ताकत 200 डिग्री सेल्सियस से ऊपर काफी कम हो जाती है) ।विशिष्ट अनुप्रयोग:
विमान इंजन कंप्रेसर ब्लेडः Ti-6242 मिश्र धातु (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) का प्रयोग किया जाता है, जो 500°C पर लंबे समय तक काम कर सकता है, 15% वजन कम करने के लिए निकल आधारित मिश्र धातुओं की जगह लेता है;
अंतरिक्ष यान प्रक्षेपक नलिकाएंः टाइटेनियम मिश्र धातु कास्टिंग उच्च तापमान गैस स्क्रू के तहत संरचनात्मक अखंडता बनाए रख सकती है।
3थकान प्रतिरोध और फ्रैक्चर टिकाऊपनः "कठोरता" बारी-बारी से भार का सामना करने के लिए
टाइटेनियम कास्टिंग की थकान शक्ति तन्यता शक्ति का 50%-60% तक पहुंच सकती है (एल्यूमीनियम मिश्र धातु केवल 30%-40% है), और टूटने की कठोरता (KIC) 50-100MPa・m1/2 तक है,जो कंपन और प्रभाव का सामना करने वाले भागों के लिए उपयुक्त है, जैसे:
हेलीकॉप्टर ट्रांसमिशन सिस्टम आवास;
उपग्रह सौर पैनल समर्थन संरचना।
4एयरोस्पेस क्षेत्र में टाइटेनियम कास्टिंग के विशिष्ट अनुप्रयोग मामले
एयरबस A380: केंद्रीय विंग बॉक्स कनेक्टर के निर्माण के लिए टाइटेनियम कास्टिंग का उपयोग किया जाता है, जिससे वजन 1.2 टन कम हो जाता है और संरचनात्मक जीवनकाल 60,000 उड़ान घंटों तक बढ़ जाता है;
अमेरिकी एफ-22 लड़ाकू विमानः धड़ संरचना के वजन का 41% टाइटेनियम कास्टिंग का होता है, जिसका मुख्य रूप से लैंडिंग गियर और इंजन ब्रैकेट जैसे प्रमुख भागों में उपयोग किया जाता है;
स्पेसएक्स स्टारशिप: इंजन थ्रश चैंबरटाइटेनियम मिश्र धातुनिवेश कास्टिंग, जो 3000 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के गैस तापमान का सामना कर सकती है और 100 से अधिक बार पुनः उपयोग की जा सकती है।
5टाइटेनियम कास्टिंग के अन्य "प्लस पॉइंट्स": एयरोस्पेस डिजाइन को सशक्त बनाना
जटिल संरचना मोल्डिंग की क्षमताः निवेश कास्टिंग (लॉस्ट वैक्स विधि) के माध्यम से, गुहाओं और पतली पसलियों (जैसे एकीकृत इंजन केश) के साथ जटिल घटकों का सीधे निर्माण किया जा सकता है,भागों और विधानसभा प्रक्रियाओं की संख्या को कम करना;
कम घनत्व और उच्च कठोरता एक साथ मौजूद हैंः टाइटेनियम का लोचदार मॉड्यूल 110GPa है, जो एल्यूमीनियम (70GPa) और स्टील (210GPa) के बीच है, जो उच्च कठोरता वाली हल्के संरचनाओं को डिजाइन करने के लिए उपयुक्त है।
संगतता लाभः टाइटेनियम कम्पोजिट सामग्री (जैसे कार्बन फाइबर) के संपर्क में आने पर इलेक्ट्रोकेमिकल जंग के लिए प्रवण नहीं है,जो एयरोस्पेस उपकरण के बहु-सामग्री एकीकृत डिजाइन को सुविधाजनक बनाता है.
VI. चुनौतियां और भविष्य के रुझानः लागत और तकनीकी नवाचार हाथ में हाथ चलते हैं
लागत की समस्याएंः टाइटेनियम मिश्र धातु के पिघलने को वैक्यूम वातावरण में करने की आवश्यकता है, और कास्टिंग उपकरण में निवेश उच्च है (एक वैक्यूम शेल फर्नेस की लागत 10 मिलियन युआन से अधिक है),जिसके परिणामस्वरूप टाइटेनियम कास्टिंग की यूनिट कीमत एल्यूमीनियम मिश्र धातु की तुलना में लगभग 5-8 गुना है;
तकनीकी सफलताएं:
3 डी प्रिंटिंगटाइटेनियम कास्टिंग(एसएलएम तकनीक) सामग्री की खपत को 30% तक कम कर सकती है और वितरण चक्र को कम कर सकती है;
नए α+β टाइटेनियम मिश्र धातु (जैसे Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr) संरचना अनुकूलन के माध्यम से उच्च तापमान शक्ति और कास्टिंग प्रसंस्करण क्षमता में और सुधार करते हैं।
निष्कर्ष:टाइटेनियम कास्टिंग"जंग प्रतिरोध + उच्च शक्ति + हल्के वजन" के अपने त्रि-आयामी लाभों के साथ एयरोस्पेस क्षेत्र में एक अपरिवर्तनीय सामग्री बन गए हैं।वाणिज्यिक विमानों से लेकर गहरे अंतरिक्ष यान तक, उनका प्रदर्शन न केवल कठोर कार्य परिस्थितियों की आवश्यकताओं को पूरा करता है, बल्कि संरचनात्मक अनुकूलन के माध्यम से विमान की दक्षता के निरंतर उन्नयन को भी बढ़ावा देता है।कास्टिंग प्रक्रिया की लागत में कमी और नए मिश्र धातुओं के विकास के साथ, एयरोस्पेस क्षेत्र में टाइटेनियम कास्टिंग के आवेदन की सीमाओं का विस्तार जारी रहेगा।
ईमेलः cast@ebcastings.com
