항공기에 티타늄이 사용되는 곳

응용 프로그램AMS 6931 티타늄 단조항공 산업에서는 항공기 구조 티타늄 합금과 엔진 구조 티타늄 합금으로 구분됩니다. 항공우주 분야에서 티타늄 합금은 주로 로켓, 미사일, 우주선의 구조물과 용기로 사용됩니다. 항공기 구조물용 티타늄 합금은 일반적으로 350도 이하의 온도에서 사용하도록 요구되며, 높은 비강도, 우수한 인성, 우수한 피로저항, 우수한 용접 가공 성능이 요구됩니다. 엔진용 티타늄 합금은 높은 비강도, 우수한 열 안정성, 내산화성, 크리프 저항성 및 기타 특성을 갖추어야 합니다. 항공우주 티타늄 합금의 성능 요구 사항 외에도 항공우주 차량은 높은 온도 저항과 방사선 저항도 요구합니다.

항공기 티타늄 합금 구조 부품의 주요 응용 부품은 랜딩 기어 부품, 프레임, 빔, 동체 스킨, 방열판 등입니다. 러시아 Il{{0}} 항공기는 고강도 BT22 티타늄 합금을 사용하여 핵심 부품을 제조합니다. 랜딩 기어 및 베어링 빔과 같은. 보잉 747 메인 랜딩기어의 송신빔 재질은 Ti{4}}Al-4V입니다. 단조품의 길이는 6.20m, 너비는 0.95m, 질량은 1545kg입니다. 고강도 고인성 Ti-62222S 티타늄 합금은 C-17 항공기의 수평 안정판 샤프트 핵심 부품에 사용됩니다. F-22 항공기 엔진이 위치한 후방 동체 부분과 꼬리 방열판은 내열성이 우수한 얇은 벽의 티타늄 합금 구조로 설계되었습니다.

항공기 엔진 측면에서 티타늄 합금 재료의 적용 분야에는 압축기 디스크, 블레이드, 드럼, 고압 압축기 로터, 압축기 케이싱 등이 포함됩니다. 현대 터빈 엔진의 구조 중량의 약 30%가 티타늄 합금으로 만들어집니다. 티타늄 합금을 적용하면 압축기 블레이드와 팬 블레이드의 품질이 저하되는 동시에 부품의 수명과 검사 간격이 늘어납니다. Boeing 747-8GENX 엔진 팬 블레이드의 앞쪽 가장자리와 팁에는 티타늄 합금 보호 슬리브가 장착되어 있으며 10-년 서비스 기간 동안 3번만 교체되었습니다.

항공 티타늄 합금 단조품은 필요한 재료 구조와 특성을 얻기 위해 잉곳 주조, 빌렛 제작, 금형 단조, 기계 가공 및 기타 공정을 거쳐야 하며 종종 항공기 뼈대 메인 베어링 부품 및 엔진 로터를 제조하는 데 사용됩니다. HB5024-1989에 따르면 대형 단조품의 외경은 500mm 이상입니다. 항공기 및 엔진의 개발로 인해 항공 단조품은 점점 더 높은 품질 요구 사항, 더 큰 크기 및 더 복잡한 모양을 갖게 되었습니다. 항공기 구조 부품의 형상은 복잡하며 재료 활용률은 일반적으로 10%를 넘지 않습니다. F-22 항공기의 4개의 대형 메인 베어링 보강 프레임의 재질은 Ti-6Al-4V ELI이며, 금형 단조의 투영 면적은 4입니다.{{ 8}}.67제곱미터. 최근 몇 년 동안 우리나라의 항공 티타늄 합금 전문 단조 장비가 크게 개선되어 이제 5평방미터의 티타늄 합금 일체형 단조품을 생산할 수 있게 되었습니다.

우주선은 초고온, 초저온, 고진공, 고응력, 강한 부식 등 극한 조건에서 작동합니다. 뛰어난 구조설계 기술이 요구될 뿐만 아니라 재료의 뛰어난 특성과 기능에도 좌우됩니다. 티타늄 합금은 일반적으로 연료 저장 탱크, 로켓 엔진 케이스, 로켓 노즐 가이드 및 위성 케이스 제조에 사용되었습니다.

티타늄 합금 소재의 우수한 특성으로 인해 항공기의 일부 핵심 부품도 티타늄 합금 소재로 제작됩니다. 예를 들어 흡기 포트의 립은 3D 프린팅을 통해 티타늄 합금 소재로 제작된 부품으로 구조 부품과 기능 부품의 통합 설계 및 제조를 실현합니다.

항공우주 산업에서 일반적으로 사용되는 티타늄 합금 패스너에는 주로 리벳, 볼트 및 특수 패스너가 포함됩니다.

미국의 F-22 항공기에 사용되는 티타늄 합금 패스너에는 고강도 티타늄 합금 볼트, 링 홈 못, 연마된 로드 테이퍼 하이 잠금 볼트, 자체 클램핑 볼트, 티타늄 니오븀 리벳 및 본딩 너트가 포함됩니다. . 2014년 우리나라에서 처음으로 비행한 국내 상용 항공기 C919는 항공기 한 대당 200개000 이상의 티타늄 합금 패스너를 사용했습니다. 티타늄 합금 패스너의 개발 및 적용은 항공기 구조의 추가 중량 감소 가능성을 제공합니다. 보잉 747 항공기의 구조 중량은 강철을 티타늄으로 교체한 후 1,814kg 감소했습니다. 러시아의 Il{10}} 항공기는 142개의 000 패스너를 사용하고 강철을 티타늄으로 교체하여 무게를 600kg 줄였습니다.

티타늄 합금은 내식성이 뛰어나고 탄소 섬유 복합 재료의 긍정적인 잠재력과 일치하여 패스너의 잠재적인 부식을 효과적으로 방지할 수 있습니다. Ti45Nb 합금은 미국 항공우주 산업에서 널리 사용되는 리벳 소재입니다. 이 소재는 어닐링 상태에서 우수한 인장 특성과 전단 강도를 가지며 순수 티타늄 리벳을 대체할 수 있습니다. Ti45Nb 소재는 가소성도 높아 복합재료 제조용 리벳 연결에 적합하다.

최근 몇 년 동안 알코아가 개발한 Timeta1555 티타늄 합금 고강도 볼트는 용체화 후 인장 강도가 1300MPa 이상, 이중 전단 강도가 745MPa 이상, 연신율이 10% 이상입니다. 국제 고급 티타늄 합금 패스너의 개발 추세를 따라잡기 위해 Xigong University Chaojing Co., Ltd.와 Xinyang Aerospace Standard Parts Factory는 패스너용 TB8 티타늄 합금 로드 및 와이어와 볼트의 인장 강도를 공동 개발했습니다. 그 중 1280MPa만큼 높습니다. 티타늄 합금 패스너의 연구 개발은 매우 복잡하고 장기적인 작업입니다.

티타늄 합금 산업의 발전 방향

미래 항공기를 위한 티타늄 합금에 대한 수요는 더 높은 강도, 더 높은 인성, 더 높은 손상 성능 및 더 높은 고온 저항이어야 합니다. 티타늄 합금 소재의 응용 및 개발 방향은 다음과 같습니다: 새로운 고강도 구조용 티타늄 합금, 고성능 손상 방지 티타늄 합금, 저비용 내피로성 티타늄 합금, 새로운 고온 구조용 티타늄 합금, 고급 TiAl 기반 소재, 티타늄 기반 복합재료 등.

현대 항공기의 구조적 경량화에 대한 요구는 점점 더 시급해지고 있습니다. 티타늄 합금 재료 외에도 복합 재료도 비행 구조에 널리 사용되었습니다. 보잉 787 항공기의 복합재료 사용률은 50%에 달했고, 에어버스 A380의 복합재료 사용률도 25%에 달했다. 현재 복합재료는 금속을 완전히 대체할 수 없으며 금속재료는 여전히 필수 불가결하다. 티타늄 합금과 탄소 섬유 강화 복합 재료의 탄성 계수가 일치하고 열팽창 계수가 유사합니다. 화학적 호환성이 좋고 잠재적인 부식이 발생하지 않습니다. F-18 "Bumblebee"의 날개 몸체 조인트는 티타늄 합금 조인트 부품과 복합 스킨을 계단식으로 접합하는 설계를 사용했습니다. 수년간의 서비스 테스트를 거쳐 설계의 신뢰성이 검증되었습니다. 복합 재료의 양이 증가함에 따라 티타늄 합금 재료의 양이 더욱 증가할 것입니다.

최근 몇 년간 공개 소스 정보를 보면 차세대 항공기 구조 재료에 대한 미국의 요구 사항이 더 가볍고 효율적이며 비용 제어가 가능하다는 것을 알 수 있습니다. 2006년 통화 가치에 따르면 단일 F-22의 비용은 약 3억 6100만 달러입니다. F-35의 초기 비용 목표는 3,500만 달러였으며 나중에 1억 3,800만 달러로 늘어났습니다. 막대한 비용 중에서도 티타늄 합금 제조 비용이 높다는 점은 무시할 수 없는 요소입니다. 저가형 티타늄 합금은 Fe, O 및 기타 원소를 사용하여 더 비싼 V, Mo 및 기타 원소를 대체합니다. 미국 타임탈(Timetal)사는 고가의 V원소 대신 값싼 Fe-Mo 마스터합금 형태로 Fe원소를 첨가해 고강도, 저가형 티타늄 합금 'Timetal-LCB'를 개발했다. 목표는 더 비싼 Ti- 10V-2Fe-3Al 합금을 대체하는 것입니다.

티타늄 합금 용접, 니어 네트 성형, 냉간 성형 등도 재료 활용도를 높이고 공정 비용을 절감하는 효과적인 방법입니다. 전자빔 용접, 레이저 용접 등 첨단 용접 기술이 국내 일부 모델에 성공적으로 적용됐다. Beihang University 및 Western University of Technology와 같은 레이저 성형 팀은 새로운 티타늄 합금 기술을 적용하여 좋은 결과를 얻었습니다.

새로운 고온 티타늄 합금 연구에서는 영국 IMI829의 550도 고온 티타늄 합금과 미국의 600도 Ti{4}} 고온 티타늄 합금을 기반으로, 희토류 원소 Gd와 Y 원소는 각각 1% 미만으로 첨가되었습니다. 희토류 산화물을 형성하고 결정립 경계를 정화하며 결정립을 미세화하고 합금의 강도, 크리프 및 내구성을 향상시킵니다. TA12(Ti55)는 금속연구소, 중국과학원, 바오티그룹, 베이징항공재료연구소가 공동으로 개발한 근형 고온 티타늄 합금입니다. 설계 온도는 550도입니다. 현재 Ti55 소재는 비교적 성숙되었으며 안정적인 작동 온도 범위는 550도 ~ 600도입니다. Ti65 소재의 설계 온도는 600도-650도이며 해당 연구 작업이 순차적으로 진행되고 있습니다.

최근에는 급속 응고/분말 야금 기술, 섬유 또는 입자 강화 복합 재료를 사용하여 티타늄 합금을 개발하는 것이 고온 티타늄 합금의 개발 방향으로 사용되어 티타늄 합금의 사용 온도를 650도 이상. 중국과학원 금속연구소에서 개발한 텅스텐 코어 티타늄 매트릭스 복합재료는 일정 범위에 적용됐다.