ما هي سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء؟

تُصنف سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء بشكل رئيسي إلى ثلاثة أنواع بناءً على بنيتها الدقيقة وخصائص أدائها: سبائك التيتانيوم من النوع ألفا (بما في ذلك السبائك القريبة من ألفا)، وسبائك التيتانيوم من النوع ألفا وبيتا، وسبائك التيتانيوم من النوع بيتا. تمتلك الولايات المتحدة نظامًا متطورًا للغاية لإنتاج سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء، يتضمن سلسلة شاملة من الدرجات. تشمل هذه المواد سبائك قادرة على العمل في درجات حرارة عالية تصل إلى 600 درجة مئوية، مثل Ti-1100، وسبائك من النوع بيتا عالية القوة والمتانة، مثل Ti-10-2-3 (Ti-10V-2Fe-3Al).

تتميز سبائك التيتانيوم من النوع ألفا بمقاومة ممتازة للزحف وقابلية لحام ممتازة، مما يجعلها الخيار الأمثل لمكونات السبائك عالية الحرارة . على سبيل المثال، يُستخدم Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) على نطاق واسع في الأجزاء الدوارة مثل الشفرات والدوارات في محركات التوربينات الغازية. تُعد سبيكة التيتانيوم α+β، Ti-6Al-4V، أكثر سبائك التيتانيوم استخدامًا في مجال الطيران والفضاء، حيث تُمثل حوالي 60% من جميع منتجات سبائك التيتانيوم. تتميز هذه السبائك بمقاومة شد لا تقل عن 896 ميجا باسكال، وتتميز بخصائص ممتازة لمقاومة التعب والكسر. تتميز سبائك التيتانيوم من النوع بيتا، مثل Ti-15-3 (Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)، بقوة مُحسّنة بشكل ملحوظ بعد المعالجة الحرارية، حيث تصل قوة اللوحة إلى σb ≥ 1310 ميجا باسكال. وتُستخدم على نطاق واسع في المكونات الهيكلية للطائرات وأنظمة الأنابيب.

يتقدم تطوير سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء نحو مقاومة أعلى لدرجات الحرارة، ونسب قوة إلى صلابة مُحسّنة، وخصائص متخصصة مثل مقاومة اللهب. والجدير بالذكر أن بعض سبائك الطيران والفضاء تتضمن معادن ثمينة لتحسين الاستقرار في درجات الحرارة العالية والأداء الميكانيكي.

وتعمل صناعة إعادة تدوير التيتانيوم أيضًا على تطوير تقنيات الاسترداد وهياكل التسعير استجابةً لهذه الابتكارات في سبائك الطيران والفضاء.

ما هي مكونات سبائك التيتانيوم في محركات الطيران؟

تُستخدم سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطائرات بشكل مكثف في محركات الطائرات، حيث قد تشكل أكثر من 30% من وزن المحرك. وتُستخدم سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطائرات على نطاق واسع في المكونات الرئيسية، مثل أقراص المراوح وشفرات  التوربينات ، وأقراص وشفرات الضاغط، وأغلفة المحركات.

في أقسام الضاغط، حلت سبائك التيتانيوم محل المواد الفولاذية السابقة، مما أدى إلى انخفاض كبير في الوزن مع تحمل درجات حرارة تشغيل تتراوح بين 300 و550 درجة مئوية. سبائك التيتانيوم عالية الحرارة، المُطورة في أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية، مثل Ti-1100 وIMI834، قادرة على العمل في درجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية، وهي مصممة خصيصًا لتصنيع مكونات المحركات عالية الحرارة. تتميز سبيكة IMI834 البريطانية، بعد معالجتها بالمحلول وتقادمها في منطقة الطور β-2، بمتانة في درجة حرارة الغرفة σb ≥ 930 ميجا باسكال، وتتميز بمقاومة عالية للزحف ومقاومة ممتازة للتعب. تُستخدم هذه السبائك في أقراص توربينات ضواغط الضغط المتوسط والعالي لمحرك RR Trent 800.

في محركات الطائرات الروسية ، تُشكّل سبائك التيتانيوم ما يصل إلى 36% من مكوناتها. تتطلب أجزاء المحرك هذه، التي تعمل في ظروف قاسية، مقاومةً حراريةً وقوةً استثنائيتين، وهي خصائص تجعل سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطائرات الفضائية المواد الأساسية المُفضّلة للمحركات.

مكونات سبائك التيتانيوم في الأنظمة الهيدروليكية وأنظمة الوقود

تُستخدم سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء على نطاق واسع في أنظمة الأنابيب والتجهيزات وأوعية الضغط في أنظمة الوقود والهيدروليكا للطائرات. في هذه الأنظمة، تُستخدم سبيكة Ti-3Al-2.5V بشكل شائع في أنظمة الأنابيب الهيدروليكية عالية الضغط التي تعمل عند ضغوط تصل إلى 28 ميجا باسكال، لتحل محل الفولاذ المقاوم للصدأ 21-6-9، مما يُحقق انخفاضًا في الوزن بنسبة 40%.

تستخدم أنابيب نظام التحكم في التطبيقات في طائرة بوينج 777 سبيكة Ti-15-3 بدلاً من التيتانيوم CP منخفض القوة الأصلي، مما يقلل الوزن بمقدار 63.5 كجم لكل طائرة. تشمل تطبيقات سبائك التيتانيوم في مجال الطيران في أنظمة الوقود أيضًا الهياكل الملحومة للمراكم الهيدروليكية وخزانات الوقود. صُممت سبيكة VT43 الروسية خصيصًا لتصنيع الهياكل الملحومة في أسطوانات الغاز والمراكم الهيدروليكية وخزانات الوقود لمعدات الطيران.

تستفيد مكونات هذه الأنظمة من القوة النوعية العالية لسبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطائرات، ومقاومتها للتآكل، وخصائصها المقاومة للتعب، لضمان تشغيل موثوق للطائرات في ظل ظروف معقدة. وتُدمج بعض سبائك التيتانيوم المتخصصة في صناعة الطائرات، بالإضافة إلى المعادن الثمينة، في موادها لتعزيز الاستقرار طويل الأمد في البيئات المسببة للتآكل.

لماذا تعتبر سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء مهمة جدًا

تنبع أهمية سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء من مزيجها الفريد من الخصائص. فهي تتمتع بقوة نوعية عالية، فهي أخف وزنًا من الفولاذ بنحو 40%، مع توفير قوة مماثلة، وهي ميزة بالغة الأهمية في سعي صناعة الطيران والفضاء نحو تصميم خفيف الوزن. تتميز سبائك التيتانيوم بنطاق واسع من درجات حرارة التشغيل، مما يحافظ على أداء مستقر من ظروف التبريد العميق إلى درجات حرارة عالية تصل إلى 600 درجة مئوية.

كلما زادت تطورات الطائرة، زاد محتوى التيتانيوم فيها. على سبيل المثال، تحتوي طائرة F-22 الأمريكية من الجيل الرابع على 41% من التيتانيوم، مما يجعلها الطائرة الأعلى محتوىً منه. في طائرة بوينج 777، تُستخدم سبائك التيتانيوم لتصنيع صفائح الزعانف المصنوعة من ألواح مُشكَّلة حراريًا، نظرًا لأن معامل تمددها الحراري يتوافق جيدًا مع ألياف الكربون، مما يُجنِّب مشاكل التآكل الكهروكيميائي التي تنشأ عند تفاعل الألومنيوم مع الجرافيت.

من منظور اقتصادي، على الرغم من ارتفاع تكاليف سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء، إلا أن التصاميم والعمليات المُحسّنة - مثل سبيكة VT43 الروسية - قادرة على خفض التكاليف بنسبة 20%، وخفض استهلاك طاقة المعالجة الحرارية بنسبة 50%، وتقليل عبء عمل المعالجة بالضغط بنسبة 20%، وعبء عمل التشغيل الآلي بنسبة 30%. هذه الخصائص تجعل سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء مواد أساسية لا غنى عنها في صناعة الطيران والفضاء الحديثة. تحتوي بعض سبائك التيتانيوم عالية الأداء المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء على معادن ثمينة، مما يضمن موثوقيتها في البيئات القاسية، ويجعلها مطلوبة بشدة من قبل شركات إعادة تدوير المعادن الثمينة .