Motivi per l'utilizzo del titanio
ridurre il peso
L'elevata resistenza e la bassa densità del titanio (circa il 40% in meno rispetto all'acciaio) offrono molte opportunità per la riduzione del peso. I migliori esempi sono il suo utilizzo sui carrelli di atterraggio degli aerei Boeing 777 e 787 e Airbus A380. La Figura 1 mostra il carrello di atterraggio sul velivolo 777. 1 Tutte le parti contrassegnate sono realizzate in Ti-10V-2Fe-3Al. La resistenza alla trazione minima di questa lega è di 1.193 MPa; viene utilizzato per sostituire l'acciaio bassolegato ad alta resistenza 4340M utilizzato a 1.930 MPa. Questa sostituzione ha comportato una riduzione del peso di oltre 580 kg. 1 Boeing 787 utilizza la prossima generazione di lega di titanio ad alta resistenza Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, che è leggermente più alta in forza e ha alcuni vantaggi di elaborazione. L'uso del titanio nella struttura del carrello di atterraggio dovrebbe anche ridurre significativamente i costi di manutenzione del carrello di atterraggio alla sua resistenza alla corrosione. La bassa densità e l'elevata resistenza lo rendono molto attraente per le parti alternative, come le bielle per applicazioni automobilistiche. Allo stesso modo, il prezzo delle auto familiari è troppo alto, ma il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sta investendo molto per rendere ragionevole il prezzo dei componenti in titanio per auto e camion. (Il titanio è stato utilizzato con successo nelle auto da corsa di fascia alta e il costo non è un grosso problema.)
Vincoli di spazio
Questa applicazione non appare spesso, ma è importante. I migliori esempi sono le travi del carrello di atterraggio utilizzate su 737, 747 e 757. Questo componente corre tra le ali e la fusoliera, sostenendo il carrello di atterraggio. Altri aerei Boeing utilizzano la lega di alluminio in questa applicazione, ma per gli aerei di cui sopra, il carico è più alto e la struttura in alluminio non è adatta per l'involucro alare. La lega di alluminio sarà la prima scelta perché il suo costo è molto più basso. L'acciaio è un'altra opzione, ma il peso sarà più alto.
Temperatura
La struttura del motore e l'area di scarico funzionano ad alte temperature, quindi la scelta principale è costituita da leghe a base di titanio o nichel; allo stesso modo, le leghe di nichel aumenteranno significativamente il peso. La temperatura di servizio della lega del motore in titanio è di circa 600 ° C. Alcune applicazioni, come tappi e ugelli (Figura 2), possono resistere a temperature superiori a questa temperatura per un breve periodo di tempo in determinate condizioni operative. Ad eccezione delle leghe speciali per motori, il limite di temperatura delle leghe di titanio è di circa 540 ° C. Al di sopra di questa temperatura, la contaminazione da ossigeno diventa un problema, rendendo la superficie fragile. Il titanio viene anche utilizzato in strutture a basse temperature, come le giranti dei motori a razzo.
Resistenza alla corrosione
Il titanio ha un ossido nascente molto resistente che si formerà immediatamente se esposto all'aria. Questo ossido è responsabile dell'eccellente resistenza alla corrosione. Nell'ambiente aerospaziale, la corrosione non è un fattore nel titanio. Il titanio non è snocciolato. Secondo l'autore, questa è l'essenza di un'esperienza di servizio di alta qualità. Durante l'uso, l'alluminio e le leghe di acciaio alla fine formeranno pozzi di corrosione, che fungono da alzate di stress e quindi causano corrosione da stress o crepe da fatica. Questo non accade con il titanio. Questa resistenza alla corrosione attraversa l'industria chimica, petrolchimica, della cellulosa, della carta e delle costruzioni. Il titanio e le sue leghe hanno un'eccellente resistenza nella maggior parte delle condizioni di riduzione ossidanti, neutre e inibite. Ha anche resistenza alla corrosione nel corpo umano. Anche la biocompatibilità è molto buona; è usato in un dispositivo protesico e l'osso crescerà in una struttura in titanio ragionevolmente progettata. Il titanio puro commerciale viene utilizzato anche nelle applicazioni di costruzione esterna e questa pratica è iniziata in Giappone. Viene utilizzato sulla superficie esterna perché non ha mai bisogno di manutenzione. Il più famoso di questi è il suo uso all'esterno del Museo Guggenheim di Bilbao, in Spagna.
Compatibilità con i materiali compositi
Il titanio è compatibile con le fibre di grafite nei compositi polimerici. C'è un alto potenziale elettrico tra alluminio e grafite. Se l'alluminio entra in contatto con la grafite quando è bagnato, l'alluminio sarà corroso. Può essere isolato dai materiali compositi con metodi come gli strati di fibra di vetro, ma in aree difficili da ispezionare e sostituire, il titanio viene utilizzato come metodo conservativo. Inoltre, sebbene il coefficiente di dilatazione termica (CTE) del titanio sia superiore a quello della grafite, è molto inferiore a quello dell'alluminio. Anche all'interno dell'intervallo di temperatura operativa della struttura della fusoliera, da circa -60 ° C durante la crociera a + 55 ° C nella stagione calda, la differenza in CTE della struttura in alluminio attaccata al materiale composito causerà un carico molto elevato. Questo non è un problema con la struttura in titanio. Ovviamente, più lungo è il componente, maggiore è il problema di utilizzo dell'alluminio.
Basso modulo
La principale area di importanza è la sostituzione delle molle in acciaio. Poiché il modulo è circa la metà di quello dell'acciaio, è necessario solo la metà del numero di bobine. Combinando alta resistenza e densità (circa il 60% dell'acciaio), le molle in acciaio possono idealmente ridurre il peso di circa il 70%. Inoltre, il titanio offre un'eccellente resistenza alla corrosione, riducendo così i costi di manutenzione.
Armatura
Il titanio ha un'eccellente resistenza balistica. Rispetto all'armatura in acciaio o alluminio, ha la stessa protezione balistica alla densità areale di interesse e può ridurre il peso del 15-35%, riducendo così notevolmente il peso dei veicoli militari da combattimento terrestre. I veicoli più leggeri hanno una migliore trasportabilità e manovrabilità. Anche l'eccellente resistenza alla corrosione, il basso ferromagnetismo e la compatibilità con i materiali compositi offrono vantaggi significativi. Due progetti che utilizzano il titanio nei veicoli aggiornati sono il veicolo da combattimento della fanteria Bradley (Figura 3) e il carro armato principale Abrams. 2 Il costo relativamente elevato del titanio è stato ridotto con successo utilizzando piastre fatte di fasci di elettroni, focolari freddi e lingotti a fusione singola. 3
