Estado de aplicación de material de aleación de titanio a baja temperatura

Por un lado, los materiales estructurales de las naves espaciales deben tener suficiente resistencia y tenacidad y excelentes propiedades térmicas a bajas temperaturas; por otro lado, considerando la complejidad de la forma de las partes estructurales de la nave espacial, el material debe tener una buena maquinabilidad.

      En comparación con los materiales criogénicos tradicionales, las aleaciones de titanio tienen un límite elástico más alto a bajas temperaturas, más de 3 veces la del acero inoxidable, mientras que su densidad es solo de 1/4 a 1/2 que la del acero inoxidable. Además, las aleaciones de titanio también tienen una serie de ventajas como baja conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión, no magnéticas, etc., por lo que resultan muy adecuadas como nuevos materiales criogénicos para aplicaciones espaciales.

      En la actualidad, la aleación de titanio criogénico se ha aplicado inicialmente en el campo de los motores de cohetes líquidos, principalmente como materiales estructurales para tanques de almacenamiento de motores de hidrógeno y oxígeno, impulsores de bombas de hidrógeno, etc., lo que ha mejorado significativamente la relación empuje-peso, trabajando vida útil y fiabilidad de los motores de cohetes líquidos. El problema de la aplicación de aleación de titanio a baja temperatura es que el alargamiento y la tenacidad a la fractura de la aleación de titanio en un ambiente de baja temperatura disminuye considerablemente, mostrando una obvia fragilidad a baja temperatura, por lo tanto, cómo reducir la fragilidad a baja temperatura de la aleación de titanio y mejorar La dureza y plasticidad de la aleación de titanio en condiciones de baja temperatura se convierten en la máxima prioridad de la investigación de la aleación de titanio a baja temperatura.

      Los académicos nacionales y extranjeros han realizado muchas investigaciones para resolver este problema y han descubierto que dos métodos pueden mejorar eficazmente las propiedades a baja temperatura de las aleaciones de titanio al reducir el contenido de C, H, O y otros elementos intersticiales y reducir el contenido. de elementos de aluminio. A través de estos dos métodos, se ha desarrollado una serie de nuevas aleaciones de titanio de baja temperatura con excelente rendimiento en el país y en el extranjero.

      La ex Unión Soviética estaba comprometida con el desarrollo y la aplicación de aleaciones de titanio de baja temperatura. Al reducir el contenido de elementos de aluminio, la ex Unión Soviética desarrolló una serie de aleaciones de titanio criogénicas con bajo contenido de aluminio, entre las que se utilizaron ampliamente OT4 y BT5-1. La aleación OT4 se utilizó en piezas de acoplamiento orbital de naves espaciales, tuberías de cohetes líquidos y piezas estructurales de cámaras de combustión; La aleación BT5-1 se utilizó en la fabricación de contenedores de hidrógeno líquido. Con el fin de mejorar aún más la relación de propulsión por pulsos de los motores de cohetes líquidos, un instituto de investigación ruso ha llevado a cabo la investigación y el desarrollo de aleaciones de titanio de alta resistencia, alta plasticidad y baja temperatura adecuadas para temperaturas extremadamente bajas de -253 ° C. 

      La investigación sobre aleaciones de titanio de baja temperatura en los Estados Unidos se ha centrado en la aleación de titanio tipo α TA7 ELI (intersticial extra baja) y la aleación de titanio tipo α + β TC4 ELI. TA7 ELI es una aleación de titanio de tipo casi α con buena tenacidad, baja conductividad térmica y sensibilidad a la muesca a 20 K. Se ha utilizado con éxito en recipientes criogénicos, tuberías criogénicas e impulsores de motores de cohetes líquidos. En el programa Apollo, el TC4 ELI se utilizó como material principal para los recipientes de hidrógeno líquido y los conductos de hidrógeno líquido y logró buenos resultados. Además, los académicos estadounidenses también han llevado a cabo una investigación fundamental sobre el mecanismo de fractura y la fragilización por hidrógeno de las aleaciones de titanio criogénicas, y han obtenido datos sobre las propiedades mecánicas y el mecanismo de fractura de TA7 ELI, TC4 ELI y otras aleaciones de titanio criogénicas.

      En el campo de la investigación y el desarrollo de aleaciones de titanio de baja temperatura, en comparación con los Estados Unidos y Rusia y otros países desarrollados, China inició una tecnología tardía y relativamente atrasada. En los últimos años, con el desarrollo de la industria aeroespacial, China comenzó a realizar investigaciones sobre aleaciones de titanio de baja temperatura. Durante el período del "Noveno Plan Quinquenal", China ha llevado a cabo la investigación y el desarrollo de Ti-2Al-2.5Zr, Ti-3Al-2.5Zr, CT20 y otras aleaciones de titanio de baja temperatura, y el rendimiento de los Las aleaciones de titanio de temperatura desarrolladas en China se muestran en la Figura 3. La aleación CT20 es una aleación de titanio de baja temperatura con todos nuestros derechos de propiedad, que se puede usar a una temperatura muy baja de 20 K. La aleación tiene buenas propiedades mecánicas a bajas temperaturas, con resistencia superior a 1100 MPa y alargamiento superior al 10% a 20 K. La aleación también tiene excelentes propiedades de formación y se puede procesar en barras, placas, tubos y alambres. Hasta ahora, la aleación CT20 se ha utilizado con éxito en la tubería criogénica de una nave espacial. Al mismo tiempo, se ha investigado la influencia de los elementos intersticiales en las propiedades mecánicas a baja temperatura de la aleación CT20 para proporcionar una referencia para la mejora adicional del rendimiento de la aleación de titanio CT20.