Важность металла в развитии мировой авиации

Металл ХХI века

Обработка этого металла во всех высокотехнологичных отраслях – космосе, авиа- и судостроении – считается самой сложной операцией. На долю этого элемента приходится 0,61% массы земной коры. Его ресурс занимает четвертое место после железа, алюминия и магния. Он относится к редким элементам с момента открытия. Это титан – новый элемент, сравнительно недавно освоенный человеком.

 

Важное сырье для титанового шлака, синтетического рутила, титанового белого, титановой губки, металлического титана и титана, а также для покрытия электродов. Общие запасы титана в Китае составляют 960 млн. тонн, занимая первое место в мире, что составляет 38,8% от разведанных мировых запасов.   Глобальное потребление титана для коммерческой авиации составляет 46%, доля военного титана составляет 9%, доля титана, потребляемого во всем авиационном секторе, превышает 50%, доля промышленного потребления титана составляет 43%, а доля титана, потребляемого на развивающихся рынках, составляет 2%.

 

В Северной Америке и ЕС с развитой аэрокосмической и военной оборонной промышленностью, особенно в Соединенных Штатах, около 50% спроса на титановую продукцию приходится на аэрокосмическую и военную оборону.   В России нет ни одного авиационного двигателя, самолета или вертолета, где бы не применялся титан:

Истребители МиГ-29, Су-35, Су-30, Су-27, Ту-204, Ту-214, АН-148, SSJ-100, МС-21, транспортные самолеты Ил-76 и Ил-76Т и другие. Кроме этого, российское предприятие ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» – основной поставщик титана для таких крупнейших концернов мировой авиаиндустрии, как AIRBUS INDUSTRIE и компании BOEING.

По своей же распространенности во Вселенной и на нашей планете титан редким элементом назвать никак нельзя. Он обнаружен в спектре Солнца и в его атмосфере, а также в атмосфере звезд различных типов. Автоматические космические аппараты зафиксировали наличие титана на Марсе и на Венере, в очень больших количествах в лунных породах, а на нашей планете титан находят во всех типах пород земной коры, в морях и океанах, в атмосфере и даже в растениях и тканях живых организмов.

Помимо самолетов, где он служит легким и прочным конструкционным материалом, титан используют в качестве брони. Связано это с тем, что вес наземных боевых машин постоянно растет, а это вызывает трудности с их передвижением. Так, элементы брони из ВТ6 позволили снизить вес американской БМП М2 «Брэдли» на 35%. Из этого же сплава сделаны элементы брони танка М1 «Абрамс». Довольно давно титановые пластины применяют в бронежилетах.

Использовали титановые сплавы и для кузовов гоночных автомобилей, и как элементы конструкций — пружин подвески, клапанов двигателя. Если в первом случае удается сократить вес элемента на 70%, то во втором главное –  снижение инерции: клапан срабатывает быстрее, и такая простая замена снижает потребление топлива двигателем внутреннего сгорания на 4%. В рамках американского проекта автомобиля будущего, который станет расходовать галлон (топлива на 80 миль, или 3 литра на 100 км (сейчас обычно – 7-12 л), отмечается, что из титана надо изготовлять крепеж, систему выхлопа, элементы двигателя и пружины подвески.

В 2009 году впервые оторвался от земли  Boeing 787 Dreamliner – первый новый гражданский самолет, сделанный авиапромом США за последние 15 лет.

Без титановых деталей российского производства, которые были в нем использованы, он не оторвался бы от земли еще лет десять.

Композитные части современных самолетов не могут соседствовать со сталью и алюминием, металл начинает коррозировать. Приходится использовать детали из титана высокой очистки.

Титан помог человеку преодолеть звуковой барьер в авиации и выйти в космическое пространство. В ракетостроении и космической технике титан практически незаменим.   Плотность титана равна 4500 кг/м3 при комнатной температуре. Если затрагивать физические свойства титана, то можно отметить его высокую удельную прочность, прочности при высоких температурах, маленькую плотность и коррозийную стойкость. Механическая прочность титана в два раза выше прочности железа и в шесть – алюминия.

При высоких температурах, где легкие сплавы уже не работают (на основе магния и алюминия), на помощь приходят титановые сплавы. К примеру, самолет на высоте в 20 километров развивает скорость в три раза выше, чем скорость звука. И температура его корпуса при этом около 300 градусов по Цельсию. Такие нагрузки выдерживает только титановый сплав.   Космос – это глубокий вакуум, где царит ледяной холод. И любое искусственное тело, находящееся в космосе, охлаждается до очень низких температур. С другой стороны, аппарат сильно разогревается, если попадает под солнечные лучи. Кроме того, стенки космического корабля бомбардируются космическими частицами, летящими с огромной скоростью, и находятся под действием космической радиации. Такие сверхтяжелые условия могут выдержать только сталь, вольфрам, платина и титан. Предпочтение, конечно же, отдано титану. Титановые сплавы использовали в пилотируемых ракетных комплексах «Восток» и «Союз», беспилотных «Луна», «Марс», «Венера», а также «Энергия» и в орбитальном корабле «Буран».

Новая техника и технологии требуют применения новых металлов   Американские ученые проводили эксперименты, чтобы установить, как воздействуют на различные металлы условия космического пространства, в частности глубокий вакуум. Образцы исследуемых материалов помещали в вакуумную камеру с давлением, соответствующим разрежению на высоте 800 км над землей. Были получены интересные результаты.

Так, выяснилось, что в этих условиях некоторые металлы – кадмий, цинк и сплавы магния испаряются. Наиболее устойчивыми оказались сталь, титан, вольфрам и платина. Среди них, лидирует титан и его сплавы, уверенно шагнувшие в космос.   Для современных сверхзвуковых самолетов требуются чтобы они имели относительно низкий структурный весовой коэффициент, что обеспечивает титановый сплав, который имеет прочность, близкую к стали средней прочности, но обладает низкой плотностью. Вместо конструкционной стали и жаропрочного сплава он позволяет значительно снизить конструкционный вес и стоимость самолета.

 

В заключение

Сегодня титан является одним из наиболее популярных металлов. Он очень прочный и легкий металл, его плотность немногим выше плотности алюминия. При одинаковой прочности титановые конструкции легче стальных на 45%.  Сплавы титана находят применение во многих отраслях промышленности, а особенно в авиакосмической сфере. Благодаря своим уникальным свойствам титан применяется, как при изготовлении ортопедических и стоматологических имплантов, так и самолетов последнего поколения и космических кораблей.