Materialeigenschaften, die für die Verwendung in der Luft- und Raumfahrt relevant sind
Titanrohre für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt werden aufgrund von vier Eigenschaften ausgewählt, die zusammenwirken. Titanlegierungen haben eine hohe spezifische Festigkeit, sodass ein Rohr einen bestimmten Arbeitsdruck mit einer dünneren Wand und einer geringeren Masse aushalten kann als ein Stahlrohr gleicher Größe. Die Dichte von Titan beträgt etwa 4,51 g/cm3, etwa 57 Prozent der von Stahl, was das Gewicht jedes Rohrstrangs im Flugzeug reduziert. Titan ist vollständig beständig gegen Chlorid- und Meerwasserangriffe, sodass Hydraulik- und Kraftstoffleitungen nicht durch Kondensat oder Tausalz korrodieren. Und das Material behält seine Festigkeit auch bei erhöhter Temperatur bei, was Rohrverlegungen in der Nähe von Triebwerks- und Zapfluftzonen ermöglicht, die bei Verwendung von Stahl eine Isolierung oder ein schwereres Material erfordern würden.
Klasse 2 gemäß ASTM B338 hat die UNS-Nummer R50400 und ist die am häufigsten verwendete unlegierte Titansorte mit einer Mindestzugfestigkeit von 345 MPa und einer Mindeststreckgrenze von 275 MPa im geglühten Zustand.
Eigenschaften im Vergleich zu anderen Strukturmetallen
| Eigentum | Titan Gr2 | Ti-6Al-4V | Kohlenstoffstahl | Edelstahl Typ 304 |
|---|---|---|---|---|
| Dichte, g/cm3 | 4.51 | 4.43 | 7.85 | 7.90 |
| Schmelzpunkt, Grad | Um 1668 | Um 1650 | Um 1530 | Etwa 1400 bis 1450 |
| Elastizitätsmodul, GPa | Ungefähr 105 | Ungefähr 113 | Ungefähr 206 | Ungefähr 200 |
| Wärmeleitfähigkeit, W/(m·K) | Ungefähr 17 | Ungefähr 7,5 | Ungefähr 63 | Ungefähr 16 |
| Korrosion in Chloriden | Vollständig widerstandsfähig | Widerstandsfähig, spaltempfindlich | Schneller Angriff | Lochfraß und Spaltangriff |
Der hohe Schmelzpunkt und die mäßige Wärmeleitfähigkeit sind die Gründe dafür, dass Schweißnähte aus Titan länger Schutzgas benötigen als Stahl, und der vergleichsweise niedrige Modul ist der Grund dafür, dass eine Titanrohrführung flexibler ist und eine niedrigere Eigenfrequenz aufweist als das Stahläquivalent, was bei den Stützabständen berücksichtigt werden muss.
Luft- und Raumfahrtanwendungen
Hydraulik- und Pneumatikleitungen, bei denen Rohre mit Bördel- oder Bördelanschlüssen zu komplexen Strecken gebogen werden und sowohl Ermüdung als auch Hydraulikflüssigkeit standhalten müssen.
Treibstoff- und Entlüftungsleitungen, bei denen die Gewichtseinsparung im gesamten Flugzeug erheblich ist und Chloridkorrosion durch Treibstoff oder die Umgebung ein Problem darstellt.
Zapfluft- und moderate Temperaturkanäle hinter Motor- und Umgebungskontrollzonen, wobei Klasse 2 einen nutzbaren Festigkeitsspielraum bei Temperatur bietet.
Strukturrohr für Halterungen, Streben und Verkleidungsstützen, bei denen eher die Steifigkeit als die maximale Festigkeit das Design bestimmt.
Bodenunterstützungs- und Prüfstandhardware, wobei ein sauberes, nicht-korrodierendes und nicht-magnetisches Rohr bevorzugt wird.
Herstellungs- und Installationspraxis
Luft- und Raumfahrtrohre werden normalerweise auf CNC-Rohrbiegemaschinen mit Dornen gebogen, um die Ovalität und Wandverdünnung in Grenzen zu halten, und dann die Enden zum Bördeln, Bördeln oder Schweißen geformt. Aufgrund der Kaltverfestigung von Titan werden die Biegeradien und die Anzahl der Umformvorgänge bei Bedarf mit Zwischenglühungen geplant. Sauberkeit ist von entscheidender Bedeutung: Rohre werden mit speziellen Werkzeugen geschnitten und entgratet, da durch Eisenverunreinigungen durch eine Stahlbürste oder eine Schleifscheibe Korrosionsstellen entstehen, die die Passivierung überstehen. Nach dem Formen werden die Biegungen entspannt und innen gereinigt, um Schmiermittel und Rückstände zu entfernen.
Das Schweißen erfolgt mit orbitalem oder manuellem Wolfram-Inertgas mit vollständiger Argon-Abschirmung des Schweißbades und der Bohrung. Die Schweißnahtfarbe ist das Feldakzeptanzkriterium: Silber und helles Stroh sind akzeptabel, Blau und Grau bedeuten Verunreinigungen und werden abgelehnt. Bei der Verbindung von Rohren mit Aluminium- oder Stahlkonstruktionen werden Isolier- oder Übergangsstücke verwendet, um einen galvanischen Angriff des unedleren Metalls in nassen oder kondensationsgefährdeten Bereichen zu verhindern.
Inspektions- und Qualitätsaufzeichnungen
Nahtlose Luftfahrtrohre werden mit einer chemischen Analyse geliefert, die interstitielle Elemente, Zug- und Härteergebnisse im geglühten Zustand, Ergebnisse von Abflachungs- und Bördeltests, hydrostatische oder pneumatische Drucktestprotokolle, Wirbelstromprüfung des Rohrkörpers und Ultraschallprüfung, sofern angegeben, umfasst. Eine positive Materialidentifizierung wird verwendet, um die Qualität am Wareneingang zu überprüfen, und die Maßprüfung umfasst Außendurchmesser, Wandstärke, Ovalität, Geradheit und Länge. Die Zertifizierung erfolgt nach EN 10204 3.1 mit vollständiger Rückverfolgbarkeit der Schmelzennummer, und für Programmaufträge kann eine beglaubigte Inspektion durch Dritte oder Kunden arrangiert werden.
Häufig gestellte Fragen
F: Warum wird in der Luft- und Raumfahrt Klasse 2 anstelle von Klasse 1 verwendet?
A: Klasse 2 hat eine höhere Mindestzugfestigkeit von 345 MPa gegenüber 240 MPa für Klasse 1, was ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht für unter Druck stehende und strukturell belastete Rohre bietet und gleichzeitig eine ausgezeichnete Formbarkeit und Schweißbarkeit beibehält.
F: Wie viel Gewicht sparen Titanrohre im Vergleich zu Stahlrohren?
A: Titan hat eine Dichte von etwa 4,51 g/cm3 gegenüber 7,85 g/cm3 bei Stahl, sodass ein Titanrohr mit identischen Abmessungen etwa 43 Prozent weniger wiegt.
F: Welche Druckprüfung wird bei Titanrohren durchgeführt?
A: Hydrostatische oder pneumatische Druckprüfung jedes Rohrs oder jeder Charge, wobei der Prüfdruck und die Haltezeit im Prüfzertifikat vermerkt sind, unterstützt durch Wirbelstrom- oder Ultraschallprüfung.
F: Warum korrodiert ein Rohr aus legiertem Stahl, während Titan nicht korrodiert?
A: Titan bildet einen stabilen, selbst{0}}reparierenden Oxidfilm, der immun gegen Chloridangriffe ist, während Stahl und Edelstahl in derselben feuchten Chloridumgebung unter Rost, Lochfraß und Spaltkorrosion leiden.
F: Wie wird ein Titanrohr während der Herstellung sauber gehalten?
A: Durch die Verwendung spezieller Schneid- und Entgratungswerkzeuge, durch den Verzicht auf Stahlbürsten und Schleifscheiben und durch die Innenreinigung und Passivierung des Rohrs vor dem Zusammenbau.
