Anwendungsstatus von Niedertemperatur-Titanlegierungsmaterial

Einerseits müssen Konstruktionsmaterialien für Raumfahrzeuge eine ausreichende Festigkeit und Zähigkeit und ausgezeichnete thermische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen aufweisen; andererseits muss das Material angesichts der Komplexität der Form der Strukturteile des Raumfahrzeugs eine gute Bearbeitbarkeit aufweisen.

      Im Vergleich zu herkömmlichen kryogenen Materialien haben Titanlegierungen eine höhere Streckgrenze bei niedrigen Temperaturen, mehr als das Dreifache von Edelstahl, während ihre Dichte nur 1/4 bis 1/2 der von Edelstahl beträgt. Darüber hinaus haben Titanlegierungen auch eine Reihe von Vorteilen wie geringe Wärmeleitfähigkeit, geringer Ausdehnungskoeffizient, nicht magnetisch usw., so dass sie sich sehr gut als neue kryogene Materialien für Raumfahrtanwendungen eignen.

      Gegenwärtig wurde die kryogene Titanlegierung zunächst im Bereich der Flüssigraketentriebwerke eingesetzt, hauptsächlich als Konstruktionsmaterialien für Wasserstoff- und Sauerstofftriebwerksspeichertanks, Wasserstoffpumpenlaufräder usw., was das Schub-Gewichts-Verhältnis erheblich verbessert hat Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Flüssigraketentriebwerken. Das Problem bei der Anwendung von Titanlegierungen bei niedriger Temperatur besteht darin, dass die Dehnung und Bruchzähigkeit von Titanlegierungen in einer Umgebung mit niedriger Temperatur stark abnimmt, was eine offensichtliche Brüchigkeit bei niedriger Temperatur zeigt Zähigkeit und Plastizität von Titanlegierungen unter Niedertemperaturbedingungen werden zur obersten Priorität der Tieftemperatur-Titanlegierungsforschung.

      Wissenschaftler im In- und Ausland haben viel geforscht, um dieses Problem zu lösen, und festgestellt, dass zwei Methoden die Tieftemperatureigenschaften von Titanlegierungen effektiv verbessern können, indem sie den Gehalt an C, H, O und anderen interstitiellen Elementen reduzieren und den Gehalt reduzieren von Aluminiumelementen. Durch diese beiden Verfahren wurde im In- und Ausland eine Reihe neuer Niedertemperatur-Titanlegierungen mit hervorragender Leistung entwickelt.

      Die ehemalige Sowjetunion hat sich der Entwicklung und Anwendung von Tieftemperatur-Titanlegierungen verschrieben. Durch die Reduzierung des Gehalts an Aluminiumelementen entwickelte die ehemalige Sowjetunion eine Reihe von kryogenen Titanlegierungen mit niedrigem Aluminiumgehalt, unter denen OT4 und BT5-1 weit verbreitet waren. OT4-Legierung wurde in Orbital-Andockteilen von Raumfahrzeugen, Flüssigraketenrohren und Brennkammer-Strukturteilen verwendet; Die BT5-1-Legierung wurde bei der Herstellung von Flüssigwasserstoffbehältern verwendet. Um das Impulsantriebsverhältnis von Flüssigkeitsraketenmotoren weiter zu verbessern, hat ein russisches Forschungsinstitut hochfeste, hochplastische Tieftemperatur-Titanlegierungen erforscht und entwickelt, die für extrem tiefe Temperaturen von -253 °C geeignet sind. 

      Die Forschung zu Niedrigtemperatur-Titanlegierungen in den Vereinigten Staaten hat sich auf die Titanlegierung vom α-Typ TA7 ELI (Extra Low Interstitial) und die Titanlegierung vom α+β-Typ TC4 ELI konzentriert. TA7 ELI ist eine Titanlegierung vom Typ Near-α mit guter Zähigkeit, geringer Wärmeleitfähigkeit und Kerbempfindlichkeit bei 20 K. Sie wurde erfolgreich in Kryobehältern, Kryorohren und Laufrädern für Flüssigkeitsraketenmotoren eingesetzt. Im Apollo-Programm wurde TC4 ELI als Hauptmaterial für Flüssigwasserstoffbehälter und Flüssigwasserstoffleitungen verwendet und erzielte gute Ergebnisse. Darüber hinaus haben amerikanische Wissenschaftler auch Grundlagenforschung zum Bruchmechanismus und zur Wasserstoffversprödung von kryogenen Titanlegierungen durchgeführt und Daten zu den mechanischen Eigenschaften und zum Bruchmechanismus von TA7 ELI, TC4 ELI und anderen kryogenen Titanlegierungen erhalten.

      Auf dem Gebiet der Forschung und Entwicklung von Niedertemperatur-Titanlegierungen hat China im Vergleich zu den Vereinigten Staaten und Russland und anderen entwickelten Ländern eine späte und relativ rückständige Technologie eingeführt. In den letzten Jahren, mit der Entwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie, begann China mit der Erforschung von Niedertemperatur-Titanlegierungen. Während des "Neunten Fünfjahresplans" hat China die Forschung und Entwicklung von Ti-2Al-2.5Zr, Ti-3Al-2.5Zr, CT20 und anderen Niedertemperatur-Titanlegierungen durchgeführt und die Leistung der Niedertemperatur-Titanlegierungen In China entwickelte Titanlegierungen mit Temperaturen sind in Abbildung 3 dargestellt. Die CT20-Legierung ist eine Tieftemperatur-Titanlegierung mit allen unseren eigenen Schutzrechten, die bei sehr niedrigen Temperaturen von 20 K verwendet werden kann. Die Legierung hat gute mechanische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen, mit einer Festigkeit von mehr als 1100 MPa und einer Dehnung von mehr als 10 % bei 20 K. Die Legierung verfügt außerdem über hervorragende Umformeigenschaften und lässt sich zu Stangen, Platten, Rohren und Drähten verarbeiten. Bisher wurde die CT20-Legierung erfolgreich in kryogenen Rohrleitungen von Raumfahrzeugen verwendet. Gleichzeitig wurde der Einfluss von Zwischengitterelementen auf die mechanischen Tieftemperatureigenschaften der CT20-Legierung untersucht, um eine Referenz für die weitere Verbesserung der CT20-Titanlegierungsleistung bereitzustellen.