La storia dello sviluppo e l'applicazione delle leghe di titanio
Il titanio è un importante metallo strutturale sviluppato negli anni '1950. Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate in vari campi per la loro elevata resistenza specifica, la buona resistenza alla corrosione e la resistenza al calore.
Molti paesi in tutto il mondo, come gli Stati Uniti, il Giappone, la Russia e la Cina, hanno riconosciuto l'importanza dei materiali in lega di titanio e hanno studiato e sviluppato con successo le loro applicazioni pratiche.
L'industria del titanio degli Stati Uniti è iniziata prima, e la sua scala e tecnologia sono ora in una posizione di leadership mondiale. Inizialmente, si è concentrata sulla ricerca di base dei materiali in lega di titanio. Come guida all'applicazione e allo sviluppo dei materiali in lega di titanio, ha ottenuto notevoli risultati in tutto il mondo.
La prima lega di titanio pratica è stata sviluppata negli Stati Uniti nel 1954, con lo sviluppo di successo della lega Ti-6Al-4V, che grazie alla sua migliore resistenza al calore, forza, plasticità, tenacità, formabilità, saldabilità, resistenza alla corrosione e biocompatibilità è diventata una lega di punta nell'industria delle leghe di titanio; l'uso di questa lega ha rappresentato il 75% - 85% di tutte le leghe di titanio.
Gli anni '1950 e '1960 hanno visto lo sviluppo principale di leghe di titanio ad alta temperatura per motori aeronautici e leghe di titanio strutturali per cellule. Diverse leghe di titanio resistenti alla corrosione sono state sviluppate negli anni '1970 e leghe di titanio resistenti alla corrosione e ad alta resistenza sono state ulteriormente sviluppate a partire dagli anni '1980.
La temperatura di resistenza al calore leghe di titanio è aumentata da 400℃ negli anni '50 a 600～650℃ negli anni '90.
L'avvento delle leghe a base di α2 (Ti 3 Al) e γ (TiAl) sta spingendo l'impiego del titanio nelle parti del motore dall'estremità fredda del motore (ventola e motore a gas pressurizzato) all'estremità calda del motore (turbina).
Le leghe strutturali di titanio presentano elevata resistenza, plasticità, tenacità, modulo e tolleranza ai danni.
L'industria aerospaziale degli Stati Uniti attualmente utilizza la maggior parte del titanio. Negli anni '1980, dopo la progettazione di vari caccia e bombardieri militari avanzati, la quantità di leghe di titanio si è stabilizzata a oltre il 20%.
Nuovi progressi nella ricerca sulle leghe di titanio
Negli ultimi anni, i paesi hanno sviluppato nuove leghe di titanio a basso costo e ad alte prestazioni e stanno compiendo sforzi per far entrare le leghe di titanio nell'industria civile con un grande potenziale di mercato. I nuovi progressi della ricerca sui materiali in lega di titanio in patria e all'estero si riflettono principalmente nei seguenti aspetti.
Lega di titanio ad alta temperatura
La prima lega di titanio ad alta temperatura sviluppata con successo al mondo ha una temperatura di servizio di soli 300-350 ℃. Successivamente, sono state sviluppate in successione IMI550, BT3-1 e altre leghe con una temperatura di servizio di 400 ℃, così come IMI679, IMI685, Ti-6246, Ti-6242 e altre leghe con una temperatura di servizio di 450-500 ℃.
Nel Regno Unito, le nuove leghe di titanio ad alta temperatura IMI829 e IMI834 sono state applicate con successo nei motori di aerei militari e civili.
Gli Stati Uniti hanno la lega Ti-1100, la Russia ha le leghe BT18Y e BT36 e così via. Negli ultimi anni, i paesi stranieri hanno utilizzato la tecnologia di solidificazione rapida/metallurgia delle polveri e materiali compositi rinforzati con fibre o particelle per sviluppare leghe di titanio come direzione di sviluppo ad alta temperatura in modo che l'uso di leghe di titanio possa essere aumentato a 650 ℃ sopra la temperatura.
L'American McDonnell Douglas Company ha sviluppato con successo una lega di titanio ad alta purezza e alta densità utilizzando la tecnologia della solidificazione rapida/metallurgia delle polveri. La sua resistenza a 760 ℃ è equivalente a quella della lega di titanio attualmente utilizzata a temperatura ambiente.
Leghe di titanio a base di composti di titanio-alluminio
Rispetto alle leghe di titanio generiche, i vantaggi più significativi dei composti intermetallici Ti3 Al (α2) e TiAl (γ) basati su composti di titanio-alluminio sono buone prestazioni ad alta temperatura (la temperatura massima di esercizio è rispettivamente di 816 ℃ e 982 ℃), forte resistenza all'ossidazione, buona resistenza allo scorrimento e peso leggero (la densità è solo la metà di quella delle leghe ad alta temperatura a base di nichel), che li rendono i materiali più competitivi per i futuri motori aeronautici e parti strutturali dell'aeromobile. Questi vantaggi lo rendono il materiale più competitivo per i futuri motori aeronautici e parti strutturali dell'aeromobile.
Attualmente, due leghe di titanio a base di Ti 3 Al, Ti-21Nb-14Al e Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo, sono negli Stati Uniti per iniziare la produzione di massa. La prima è stata utilizzata come blocchi motore pressurizzati ad alta pressione, anelli di supporto turbina ad alta pressione, pezzi di tenuta ugello coda missile e camera di combustione, ecc.; la seconda, attraverso la deformazione del trattamento termico, può essere ottenuta con buona resistenza e plasticità.
Lega di titanio di tipo β ad alta resistenza e tenacità
La lega di titanio di tipo β è stata sviluppata per la prima volta a metà degli anni '1950 dalla Crucible Company negli Stati Uniti con la lega B120VCA. La lega di titanio di tipo β ha buone proprietà di lavorazione a caldo e a freddo, è facile da forgiare, può essere laminata, saldata e può essere sottoposta a trattamento di invecchiamento in soluzione solida per ottenere elevate proprietà meccaniche, buona resistenza ambientale ed elevata resistenza.
Sviluppo e applicazione delle leghe di titanio nei principali campi
Sviluppo e applicazione delle leghe di titanio nell'industria militare
Il titanio è un importante metallo strutturale sviluppato negli anni '1950 e il suo primo impiego è quello di fornire materiali ad alte prestazioni per l'industria aeronautica militare.
Con lo sviluppo dell'industria militare in vari paesi, i campi di applicazione del titanio sono stati ampliati continuamente. Finora, il titanio è stato utilizzato sempre di più nell'industria aerospaziale, nell'energia nucleare, nelle navi, nelle armi e in altri campi, diventando un materiale metallico strategico essenziale.
Il suo livello di applicazione è diventato anche un indicatore essenziale del livello avanzato degli armamenti di un Paese, riflettendone il livello e la forza militare.
Il titanio è utilizzato nell'industria militare, principalmente a base di titanio e leghe di titanio, che hanno eccellenti proprietà: leggerezza, elevata resistenza specifica, resistenza alle alte temperature e buona resistenza alla corrosione. Inoltre, i materiali compositi possono essere abbinati alla struttura.
Oltre alle caratteristiche di cui sopra, il titanio ha anche elevata tenacità, elevata elasticità, proprietà non magnetiche e molti altri vantaggi. Tutti questi forniscono condizioni opzionali per la sua applicazione nell'industria militare.
Aerei
La lega di titanio è uno dei principali materiali strutturali degli aerei e dei trasmettitori contemporanei. Negli Stati Uniti, negli anni '1980, dopo la progettazione di una varietà di caccia e bombardieri militari avanzati, il dosaggio di titanio era superiore al 20%.
Ad esempio, il caccia F-15 di terza generazione utilizza una lega di titanio al 27%, mentre l'F-22 di quarta generazione ne utilizza il 41%.
L'F-22 è un caccia tattico progettato da Lockheed, Boeing e General Dynamics. È il caccia di quarta generazione più rappresentativo al mondo.
Per la prima volta, unisce le caratteristiche di stealth, elevata manovrabilità e agilità e crociera supersonica non potenziata in uno. Dopo l'anno 2000, fungerà da principale aereo da controllo aereo dell'aeronautica militare statunitense.
Il motore dell'F-22 utilizza anche la lega C,E, una lega di titanio ignifuga di nuova concezione, per il ricevitore del pressurizzatore ad alta pressione, la camera di combustione carica di carburante e l'ugello di coda.
L'aereo navale F/A-18 utilizza la lega di titanio principalmente nella trave longitudinale del telaio portante, nella struttura della radice alare e della coda e in altre parti chiave. Le principali leghe di titanio utilizzate sono Ti-6Al-4V e Ti-15-3 (Ti-15Mo-3Al-3Sn-3Cr).
I giunti della fusoliera e delle ali sono realizzati in Ti-6Al-4V β-ricotto, mentre il tubo di coppia del freno è realizzato in fusione di Ti-6Al-4V. Inoltre, la metallurgia delle polveri Ti-6Al-4V pressata isostaticamente a caldo viene utilizzata per i giunti della staffa di arresto dell'atterraggio e i supporti del motore per ridurre i costi e migliorare l'utilizzo del materiale.
Altri, come il Joint Strike Fighter (JSF), sono caccia d'attacco tattici multiruolo e a basso costo che sostituiranno l'F-16C e l'A-10 dell'Aeronautica Militare statunitense, l'F/A-18E/F della Marina e l'F/A-18 e l'AV-8B del Corpo dei Marines.
Il V-22 è un velivolo convertiplano trasportabile sviluppato dalla Bell Helicopter per il Corpo dei Marines. Presenta i vantaggi del decollo verticale, dell'atterraggio e del volo stazionario per gli elicotteri e potenzia i vantaggi del volo ad alta velocità e a lungo raggio per gli aeromobili ad ala fissa. La tecnologia del convertiplano V-22 è paragonabile a quella di un motore a reazione o di un elicottero.
La lega di titanio è utilizzata per il telaio di tenuta del parabrezza, la struttura della navicella del motore principale e il firewall principale. Howmet ha sostituito i 43 elementi originali e i 536 elementi di fissaggio con una fusione monolitica di titanio per i giunti di trasmissione, che sono le principali parti di supporto del sistema del rotore e del motore.
Navi
Il titanio nella crosta terrestre è estremamente ricco di accumulo, con la sua bassa densità e alta resistenza, e ha un'eccellente resistenza alla corrosione, resistenza al calore e prestazioni a bassa temperatura. Il titanio ha una forte resistenza alla corrosione acida e alcalina, immerso in acqua di mare per 5 anni senza arrugginire, l'acciaio in acqua di mare si corroderà e si deteriorerà.
Grazie alla lega di titanio utilizzata per la fabbricazione dello scafo della nave, l'acqua di mare non può corroderlo, rendendolo adatto all'uso nei sottomarini, che sono resistenti alla corrosione dell'acqua di mare e alla pressione profonda.
La sua profondità di immersione è aumentata dell'80% rispetto ai sottomarini in acciaio inossidabile. Allo stesso tempo, il titanio è amagnetico, non verrà trovato dalle mine, ha un buon ruolo anti-monitoraggio.
I sottomarini in acciaio generici che si immergono a più di 300 m sono facilmente influenzati dalla pressione dell'acqua. La profondità di immersione del sottomarino in titanio di oltre 300 m non solo non verrà schiacciata, ma può anche evitare efficacemente l'attacco di bombe in acque profonde, mostrando il fascino unico del "sottomarino in titanio" e le eccellenti prestazioni. Attualmente, il titanio è un materiale insostituibile per le navi in acque profonde.
Già nel 1968, la Russia ha prodotto con successo sottomarini interamente in titanio. Dalla metà degli anni '1960, la Russia ha prodotto da 6 a 7 sottomarini interamente in titanio di classe "Alpha" con doppio guscio ad alta pressione, ciascuno con titanio fino a 3,000 t. Il sottomarino "Alpha" è fatto di titanio, che è il materiale più potente al mondo.
I sottomarini d'attacco "Alpha", grazie all'uso di una lega di titanio avanzata per il materiale del guscio, possono raggiungere una profondità massima di 900 m.
Inoltre, come i sottomarini nucleari di classe “Shark”, i sottomarini nucleari multiuso tipo 945 e 988, ecc., il loro dislocamento subacqueo, la velocità subacquea e il limite di profondità di immersione fino a 800 m, e il loro guscio resistente alla pressione sono costruiti con lega di titanio.
La lega di titanio è inoltre ampiamente utilizzata nei serbatoi di lancio dei siluri, nei cilindri ad alta pressione di lancio dei siluri, nei refrigeratori di emergenza, nelle pompe, nelle valvole, nei tubi, nelle eliche, ecc. realizzati in lega di titanio, con conseguenti buone prestazioni e una durata utile notevolmente prolungata.
Veicoli da combattimento
Con la crescente minaccia dell'anti-corazzatura, anche l'armatura protettiva sta diventando più spessa e pesante; la massa dei veicoli da combattimento nell'ultimo decennio è aumentata dal 15% al 20%, influenzando seriamente la loro capacità di trasporto e mobilità. Sostituire l'acciaio omogeneo laminato per armature con leghe di titanio è un modo efficace per ridurre il peso.
Negli Stati Uniti, la lega di titanio è stata utilizzata nei carri armati da combattimento M1 “Abrams” e nei veicoli da combattimento M2 “Bradley”.
Per il carro armato da combattimento M1, il Dipartimento dell'esercito degli Stati Uniti ha studiato l'applicazione di numerosi componenti in lega di titanio e ha anche preso in considerazione l'utilizzo di lega di titanio al posto dell'acciaio omogeneo laminato per la produzione di carri armati e altre parti del progetto tecnologico.
Sull'M2, il titanio è stato utilizzato principalmente per migliorare il portello di comando e l'armatura di attacco superiore. Una misura per rafforzare l'armatura è stata l'uso di un'armatura aggiuntiva in lega di titanio forgiato in aree specifiche per proteggere dalle munizioni di grosso calibro.
Altri, come il veicolo blindato per il trasporto truppe M113, erano dotati di una corazzatura aggiuntiva in titanio per aumentarne la resistenza balistica.
Il titanio è ampiamente utilizzato in due obici leggeri trainati da 155 mm nel sistema di artiglieria. Anche il futuro obice semovente Crusader da 155 mm utilizzerà il titanio per molti dei suoi componenti.
Il corpo dei Marines degli Stati Uniti sta valutando diverse opzioni per ridurre la massa dell'Advanced Amphibious Assault Vehicle, una delle quali è l'utilizzo di un'armatura leggera.
Un'altra opzione è quella di utilizzare acciaio in lega di titanio per componenti quali ruote di carico, bracci di contrappeso e riduttori di carico. Sebbene la lega di titanio abbia prestazioni eccellenti, non è ampiamente utilizzata a causa del suo prezzo elevato
E non può essere ampiamente utilizzato.
Negli ultimi anni, gli Stati Uniti hanno sviluppato con successo alcuni nuovi materiali in lega di titanio militare a basso costo. Le loro proprietà meccaniche, la resistenza ai proiettili e altri indicatori sono uguali o superiori al valore corrispondente della tradizionale lega di titanio militare Ti-6Al-4V, ma il loro costo è inferiore.
Questi nuovi materiali in lega di titanio rivestono una grande importanza nel promuovere e ampliare l'uso della lega di titanio nella difesa nazionale.
Come accennato in precedenza, nei futuri veicoli da combattimento e sistemi di artiglieria, l'esercito americano utilizzerà leghe di titanio a basso costo per sostituire l'acciaio omogeneo laminato e le leghe di alluminio per produrre armature e componenti per migliorare la corazzatura e ridurre il peso, e il suo utilizzo sarà gradualmente ampliato.
Le leghe di titanio a basso costo hanno un grande potenziale per l'applicazione nella Marina e nell'Aeronautica degli Stati Uniti. A causa della corrosione dell'acqua di mare, la Marina degli Stati Uniti deve sostituire circa 97 km all'anno di scambiatori di calore con tubi in lega di rame-nichel.
Il tubo può essere prodotto utilizzando una lega di titanio, prolungandone la durata utile e determinando notevoli risparmi nei costi di riparazione e manutenzione. Anche l'aeronautica militare statunitense è interessata alle leghe di titanio a basso costo. Il processo di fusione in forno freddo può ridurre il costo delle leghe di titanio di grado aerospaziale.
Applicazione della lega di titanio in biomedicina
I materiali biomedici rappresentano un'importante branca della scienza dei materiali, vengono utilizzati per la diagnosi, il trattamento o la sostituzione di tessuti e organi umani o per migliorarne le funzioni; con un elevato contenuto tecnico e un elevato valore economico dei nuovi materiali di supporto, la scienza e la tecnologia dei materiali sono un nuovo campo in fase di sviluppo.
Negli ultimi 10 anni, il tasso di crescita del mercato dei materiali e dei prodotti biomedici si è mantenuto a circa il 20-25%. Si prevede che nei prossimi 10-15 anni, l'industria dei dispositivi medici, compresi i materiali biomedici, raggiungerà le dimensioni del mercato farmaceutico e diventerà un'industria pilastro dell'economia mondiale nel 21° secolo.
Il titanio è atossico, leggero, ad alta resistenza e ha un'eccellente biocompatibilità, il che lo rende un materiale metallico medico ideale. Il titanio e le sue leghe con prestazioni complessive eccezionali, diventano articolazioni artificiali (anca, ginocchio, spalla, caviglia, gomito, polso, articolazioni delle dita, ecc.), forniture per traumi ossei (chiodi intramidollari, placche, viti, ecc.), sistema di fissaggio interno ortopedico spinale, impianti dentali, attacchi dentali, filo ortopedico, valvole cardiache artificiali, stent cardiovascolari interventistici, come la prima scelta di materiali per l'impianto di prodotti nel campo medico.
Attualmente, non esiste materiale metallico migliore per uso clinico della lega di titanio. I paesi sviluppati e i principali fornitori mondiali di prodotti per impianti interni hanno attribuito grande importanza alla ricerca e allo sviluppo di leghe di titanio e hanno lanciato una serie di nuovi materiali in lega di titanio medicale, tra cui materiali bionici in lega di titanio biologicamente attivi.
Nel trattamento superficiale dei materiali in lega di titanio per uso medico, abbiamo anche sviluppato e brevettato molti progetti per conferire ai materiali in lega di titanio per uso medico una migliore attività biologica, in modo da soddisfare le esigenze fisiologiche del corpo umano e raggiungere l'obiettivo di una rapida guarigione del paziente.
La popolazione mondiale è di circa 6.5 miliardi, secondo statistiche incomplete, circa 400 milioni di persone sono disabili, 60 milioni di persone sono disabili fisicamente, 2 miliardi di persone sono affette da malattie dentali, l'attuale impianto di dispositivi biomateriali riguarda solo 35 milioni di persone, la quantità di sostituzioni articolari è di circa 1.5 milioni di casi all'anno e l'effettiva necessità di sostituire il numero di persone è molto lontana.
Pertanto, la domanda di mercato per materiali biomedici ha un potenziale enorme. Come prima scelta di materiali metallici biomedici, il titanio e le sue leghe aumenteranno notevolmente anche la domanda, quindi è fondamentale migliorare la ricerca e lo sviluppo di materiali in lega di titanio medicale.
Applicazione della lega di titanio in campo civile
Industria della bicicletta
Poiché la produzione di materiali per telai di biciclette di alta qualità dovrebbe avere elevata resistenza e durezza, la lega di titanio sarà una scelta eccellente. La sua massa è solo il 50% di quella dell'acciaio, ma il suo rapporto resistenza/massa è superiore del 28.4% rispetto a quello dell'acciaio al cromo-molibdeno.
Il titanio ha anche un'eccellente resistenza alla fatica, con un limite di fatica doppio rispetto all'acciaio. I telai in alluminio non sono all'altezza del titanio in questo senso dopo un lungo periodo di utilizzo. Come lega di titanio ad alta resistenza e bassa densità utilizzata nei telai delle biciclette, non solo rende il telaio più leggero e resistente, ma anche più durevole.
Industria automobilistica
Un altro settore in cui l'applicazione di prodotti in titanio si sta sviluppando rapidamente è l'industria automobilistica. Valvole per motori di automobili, bielle, alberi motore, tubi di scarico, molle di sospensione, silenziatori, corpi e dispositivi di fissaggio, ecc., sono utilizzati in titanio o lega di titanio.
Ad esempio, la valvola realizzata con la nuova lega di titanio e alluminio può migliorare notevolmente le prestazioni del motore rispetto alle leghe a base di nichel utilizzate in passato, grazie alla densità relativa ridotta, alla resistenza allo scorrimento e alla migliore resistenza all'usura.
Con l'ulteriore sviluppo e applicazione dei prodotti in titanio, le parti e i componenti in titanio svolgeranno un ruolo sempre più importante nel migliorare le prestazioni, la qualità e il comfort delle automobili.
I requisiti di sicurezza, comfort e lunga durata stanno diventando sempre più severi, soprattutto per le auto di fascia media e alta, il che offre grandi opportunità di sviluppo per l'applicazione del titanio nell'industria automobilistica.
Industria sportiva Sports
L'applicazione del titanio negli articoli sportivi, dalle prime racchette da tennis e da badminton, fino all'uso diffuso, negli ultimi anni, di teste da golf, mazze e auto da corsa, ecc., ha fatto fare un grande passo avanti alla comprensione del titanio da parte delle persone.
Le mazze da golf in titanio, il mercato delle teste di mazza nei primi anni dopo un sostanziale adattamento, è ancora un pilastro importante del settore civile in titanio. Gli Stati Uniti stanno crescendo rapidamente nel settore delle palline da golf e altre forniture civili in titanio.
Con la graduale ripresa del mercato delle mazze e delle teste da golf in titanio, anche la futura concorrenza nel mercato mondiale del golf in titanio passerà dall'originale concorrenza basata su prezzo e qualità a quella basata su servizio e differenziazione.
Il prodotto in titanio più comune sul mercato oggi è la racchetta da tennis. Attualmente, il titanio viene utilizzato nelle racchette da tennis seppellendo una rete in titanio puro nel telaio della racchetta.
Di recente, il titanio ha attirato l'attenzione per nuovi utilizzi, come ad esempio il potenziamento dell'effetto del colpo sulla palla grazie alla sua resilienza.
L'attrezzatura da alpinismo e gli sci stanno diventando più leggeri, più piccoli e più facili da trasportare. Il titanio, che è caratterizzato da un peso specifico leggero, un'elevata resistenza specifica e un basso valore di impatto a basse temperature, è stato ampiamente utilizzato come materiale superiore per l'attrezzatura da alpinismo.
Il titanio è ampiamente utilizzato come materiale di qualità superiore per le attrezzature da alpinismo grazie al suo peso specifico ridotto, all'elevata resistenza specifica e al valore di impatto costante alle basse temperature.
Gli articoli sportivi in titanio includono maschere protettive per la scherma, spade, pattini da ghiaccio, canne da pesca, telai per lenze da pesca, parti per canottaggio, bastoncini da sci, pale da neve, bastoncini da ghiaccio per l'alpinismo, punte per l'alpinismo, scarpe da corsa per atletica leggera utilizzate nello stampaggio a iniezione del sistema Ti-Fe della suola dei chiodi e così via.
Conclusione
Il titanio e le sue leghe sono ampiamente utilizzati in applicazioni aerospaziali, militari, marine, mediche e civili grazie alle loro eccellenti proprietà, quali elevata resistenza, bassa densità, resistenza alla corrosione, resistenza alle alte temperature e biocompatibilità.
Le leghe di titanio sono in continua evoluzione e si prevede che diventeranno una scelta importante per i materiali ad alte prestazioni in futuro. L'applicazione di leghe di titanio migliora le prestazioni e la durata, specialmente nell'industria aerospaziale, nei sottomarini, nelle giunture artificiali e nei prodotti di consumo di fascia alta.
La ricerca e lo sviluppo di leghe di titanio a basso costo e ad alte prestazioni amplieranno ulteriormente il potenziale della loro applicazione, stimolando l'innovazione e la crescita in vari settori industriali.