三重の課題: 航空宇宙産業がチタンを必要とする理由
超音速、真空宇宙、海底など、通常の条件を超えて動作するすべての車両 - - は、3 つのテストに合格する必要があります。
1. 軽量。航空機で節約される 1 キログラムごとに、耐用年数にわたって目に見える燃料の節約につながります。ロケットの場合、経済性はさらに極端で、ペイロードが 1 キログラム追加されるだけで、打ち上げコストが数万ドル増加する可能性があります。
2. 強さ。構造物が受ける負荷、- の空気力学的な力、振動、圧力差、戦闘中の弾道衝撃に耐えられなければ、軽量であっても意味がありません。
3. 耐熱性。速度が上がると表面温度も上がります。マッハ 2 以上で飛行する航空機は、機体温度が 150 ～ 300 度になります。エンジン内部の温度ははるかに高くなります。
チタンは、次の 3 つの要件をすべて同時に満たします。
| 財産 | 価値 |
|---|---|
| 密度 | 4.5 g/cm3 - 鋼鉄の 57% のみ |
| 比強度 | あらゆる構造用金属の中で最も高い |
| 長期使用温度- | 500～600度まで |
| 低温性能- | -250度まで靭性を維持 |
| 耐食性 | 自己不動態化酸化物層- |
アルミニウムは 150 度を超えると軟化し始めます。鋼は強いですが重いです。チタンは航空宇宙工学が求める次の交差点に位置します。飛行機が飛ぶのと同じくらい速く飛ぶほど、より多くのチタンが使用されます.
SR-71 ブラックバード: 究極の証拠
ロッキード SR-71 はマッハ 3 以上で巡航し、機体表面温度は 315 度を超えました。このような条件では、アルミニウムは構造的に破損し、鋼鉄は法外に重くなります。解決策:SR-71の構造の93％はチタン合金でした- は「オールチタン飛行機」というニックネームを獲得し、チタンが航空宇宙構造材料の決定版として確立されました。-
チタンの行方: エンジンと機体
1. エンジン: Titanium の主な領域
エンジンの性能は次のように測定されます。推力-対-重量比- エンジンがそれ自体の質量に対してどれだけの推力を生成するか。比率が高いほど、航空機の性能が優れていることを意味します。チタンはエンジン軽量化の鍵です。
コンプレッサー部ここはチタンが主流です。コンプレッサーはファンブレードを通して空気を吸い込み、燃焼室に入る前に段階的に圧縮します。温度と圧力はコンプレッサー段階を通じて徐々に上昇します。
フロントステージはチタンの快適ゾーン内の温度（摂氏数百度）で動作するため、チタンは以下の用途に理想的な素材です。
- ファンブレード
- コンプレッサーブレード
- ディスクとドラムのアセンブリ
- シャフト
- ケーシングおよびシール部品
第 3 世代戦闘機エンジン（推力-対-重量比 7～8）-すべてチタン製のファン構造を使用し、前方コンプレッサー段に広範囲にチタンを使用しています。
第 4 世代戦闘機エンジン(推力-対-重量比 9～10) チタンの使用量をさらに推し進め-、導入耐燃焼性チタン合金-先進的なエンジン内部の極限状態に対処するために特別に開発されました。
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2. 機体: あらゆる場所の軽量化
エンジン以外にも、航空機の構造全体にチタンが使用されています。
- 耐荷重フレーム-- のバルクヘッド、スパー、フラップ トラック。重大な応力がかかる領域で重い鋼鉄を置き換えます
- スキンパネル- 表面温度がアルミニウムの限界を超える高速航空機では-
- ファスナー- 個のネジ、リベット、ボルト。個々では小さくても、全体では重要です。機体全体のファスナーをチタンに切り替えることで、大幅な軽量化が実現します。
3. 宇宙船: ロケットから深海探査機まで-
宇宙用途では、チタンの役割はさらに厳しくなります。
- ロケットのケーシング- は極限の飛行環境において最小重量で最大の強度を必要とします
- 圧力容器- 個の高圧ガスボトルと燃料タンク。-チタンの極低温靭性ここで重要です。液体水素 (-253 度) と液体酸素はほとんどの金属を脆くしますが、チタンは超低温でも優れた強度と延性を維持します。
- 有人圧力カプセル- 中国のフェンドゥーゼ(ストライバー) 深海-船体は、深さ 10 メートルの圧力に耐えることができるチタン合金 (Ti62A) を使用していました。000+ メートル-、宇宙船の大気圏突入と同じくらい過酷な環境
未来: チタンが向かう先
| 方向 | 発達 |
|---|---|
| 高温 | 500 度から 600 度、700 度、800 度まで、チタンマトリックス複合材料およびチタンアルミナイド金属間化合物を介して |
| より強く、より軽く | 高温強度と延性を組み合わせた「デュアル-アレイ」微細構造-を含む新しい合金設計- |
| より精密な製造 | 粉末冶金、3D プリンティング、ニア-ネット-形状形成により、これまで不可能だった形状を実現 |
| より広範な採用 | 軍用から民間に至るまで、C919 などの民間航空機 - ではチタンの使用率が増加しています |
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