Titanium alloys for deep-sea detector parts
Ligas de titânio desempenham um papel fundamental na fabricação de peças e componentes de detectores de profundidade.
1. Vantagens detitânioligação.html>liga de titânios para peças e componentes de detectores de profundidade
Excelente resistência à corrosão
O mar profundo é um ambiente extremamente corrosivo com altas concentrações de sal, vários gases dissolvidos e produtos químicos. Ligas de titânio podem naturalmente formar um filme de óxido apertado, que é como um escudo protetor sólido. Tomando Ti-6Al-4Vtitânioligacomo exemplo, na água salgada das profundezas do mar, quando íons cloreto tentam corroder o material, o filme de óxido pode efetivamente impedir sua invasão e evitar situações como pitting e corrosão intergranular. Este filme de óxido também tem uma certa capacidade de auto-reparação, que pode garantir a integridade das peças mesmo no caso de corrosão a longo prazo, para que possa trabalhar de forma estável por um longo tempo no ambiente do mar profundo.
A pressão da água no mar profundo aumenta bruscamente com o aumento da profundidade, e a pressão da água aumenta em cerca de 1 atmosfera para cada 10 metros de mergulho. Na profundidade onde os detectores de profundidade funcionam, a pressão da água é enorme. Ligas de titânio têm uma força muito alta. Algumas ligas especiais de titânio, como Ti-8Al-1Mo-1V, têm uma resistência à tração de mais de 1000MPa. Isso permite que peças feitas de ligas de titânio suportem a alta pressão do mar profundo e não sofram facilmente deformação plástica ou rachaduras. Ao mesmo tempo, as ligas de titânio também são muito resistentes. Quando as peças estão sujeitas a impactos inesperados, como quando o detector colide com recifes ou outros objetos no mar profundo, as ligas de titânio podem absorver a energia gerada pela colisão, evitar que as peças sejam danificadas e garantir o funcionamento normal do detector.
Vantagens da baixa densidade
A densidade da liga de titânio é de cerca de 4,5 g / cm³, o que é muito mais leve do que os materiais tradicionais de equipamento de mar profundo, como o aço inoxidável (densidade de cerca de 7,9 g / cm³). Ao fabricar peças de detector de profundidade, o uso de ligas de titânio pode efetivamente reduzir o peso de todo o detector. Isso é muito benéfico para o lançamento do detector, como o uso de equipamentos de lançamento de baixa potência. Além disso, o peso mais leve significa menos resistência na água, movimento mais flexível do detector no mar profundo, e também pode reduzir o consumo de energia e prolongar o tempo de trabalho do detector.
2. Pontos chave e métodos para a fabricação de diferentes peças do detector do mar profundo
Conectores de cabina de pressão
Principais pontos para a fabricação:
Requisitos de alta precisão são necessários para garantir uma combinação perfeita com o corpo da cabine de pressão. Forja é um dos métodos de fabricação comumente usados. Durante o processo de forjamento, o controle da temperatura é crítico. Diferentes ligas de titânio têm suas faixas específicas de temperatura de forja. Por exemplo, a faixa de temperatura de forja da liga de titânio tipo β é relativamente estreita. Temperatura muito alta tornará os grãos grosseiros e afetará o desempenho. Temperatura muito baixa aumentará a resistência à deformação e produzirá facilmente rachaduras. A relação de forjamento também deve ser razoavelmente controlada, o que determina o grau de deformação do material. A proporção de forjamento apropriada pode refinar os grãos e melhorar a resistência das peças.
A usinagem também é uma maneira importante de fabricar conectores de cabine de pressão, como fresagem e torneamento CNC. Devido à má condutividade térmica das ligas de titânio, durante o processo de processamento, o calor gerado pelo atrito entre a ferramenta e o material é facilmente concentrado na área local, resultando em desgaste acelerado da ferramenta e diminuição da qualidade da superfície das peças. Portanto, é necessário escolher uma ferramenta adequada, como uma ferramenta de carboneto, e ao mesmo tempo otimizar os parâmetros de corte, como reduzir a velocidade de corte e aumentar a taxa de alimentação.
Pontos de fabricação: As peças de braço robótico precisam ter boa flexibilidade e força para atender aos requisitos operacionais em ambientes complexos de profundidade do mar. A impressão 3D (como a tecnologia de fusão seletiva a laser) é um método de fabricação avançado que pode produzir peças com formas geométricas complexas. Por exemplo, peças com estruturas de grade dentro podem ser impressas, o que pode reduzir o peso, garantindo a resistência das peças.
Se forjamento e, em seguida, usinagem são usados, a forma das peças deve ser controlada com muita precisão, especialmente nas juntas. Durante o processo de forjamento, é necessário garantir que a estrutura interna do material seja uniforme, o que tem um grande impacto no desempenho das peças do braço do robô. Durante o processamento mecânico, também deve ser prestada atenção à seleção de ferramentas e parâmetros de corte para evitar que problemas como o sobreaquecimento local afetem a qualidade das peças.
Tratamento de superfície:
O tratamento de superfície das peças do braço do robô é muito importante, e a anodização é um método eficaz. Através da anodização, um filme de óxido mais grosso pode ser formado na superfície da peça. Este filme de óxido pode não só aumentar ainda mais a resistência à corrosão da peça, mas também alterar o coeficiente de atrito de superfície ajustando os parâmetros do processo de oxidação. Por exemplo, ao agarrar um objeto, um coeficiente de atrito apropriado pode tornar o braço do robô mais estável e melhorar a precisão da operação.
Carcaça do sensor
Pontos de fabricação:
A função principal da carcaça do sensor é proteger os componentes eletrônicos sensíveis dentro da pressão e da corrosão da água do mar. A fundição de precisão é um método de fabricação de carcaças de sensores. Pode produzir carcaças com formas complexas e espessura de parede uniforme, que podem bem atender aos requisitos especiais de forma dos sensores. No processo de fundição de precisão, parâmetros como a temperatura do molde e a velocidade de derramamento precisam ser estritamente controlados. Por exemplo, a temperatura do molde que é muito alta ou muito baixa pode causar defeitos na fundição, e a velocidade de derramamento que é muito rápida pode causar problemas, como poros dentro da fundição.
O processamento pós-laminação também é uma das formas de fabricar carcaças de sensores. Desta forma, deve-se prestar atenção à precisão da espessura e à qualidade da superfície da placa. A precisão da espessura da placa afeta diretamente a resistência à pressão da carcaça do sensor, enquanto a qualidade da superfície está relacionada à sua resistência à corrosão.
Projeto de vedação:
A vedação da carcaça do sensor é a chave para garantir o seu funcionamento normal. Anéis de vedação especiais de borracha ou anéis de vedação metálicos podem ser usados na interface da carcaça. Anéis de vedação de borracha devem ser feitos de materiais resistentes à corrosão da água do mar e ter boa elasticidade, e anéis de vedação de metal devem considerar sua compatibilidade com ligas de titânio. Ao mesmo tempo, deve ser projetada uma estrutura de vedação razoável, como uma estrutura de vedação de dupla camada, com um canal de detecção definido entre as duas camadas de vedação. Uma vez que houver um problema com a vedação externa, ele pode ser descoberto e medidas podem ser tomadas a tempo para garantir que a água do mar não entre na carcaça, garantindo assim o funcionamento normal do sensor.
III. Medidas de controlo de qualidade para garantir a qualidade das peças
Inspeção de matérias-primas
A inspeção rigorosa das matérias-primas da liga de titânio é o primeiro passo para garantir a qualidade da peça. A composição química do material deve ser verificada em detalhe para garantir que o conteúdo de vários elementos de liga seja preciso e atenda aos requisitos de projeto. Por exemplo, para liga Ti-6Al-4V, verifique se o conteúdo de alumínio e vanádio está dentro da faixa especificada. Ao mesmo tempo, a estrutura original do material é verificada por inspeção metalográfica e outros métodos para verificar se há defeitos internos, como inclusões e segregação, que podem causar danos às peças durante o processo de fabricação ou uso das peças.
No processo de processamento de peças, deve ser usada tecnologia avançada de monitoramento em tempo real. No processamento CNC, parâmetros como força de corte e temperatura de corte são monitorados por sensores instalados na máquina-ferramenta. Se a força de corte subitamente aumentar ou a temperatura de corte for muito alta, pode ser devido ao desgaste da ferramenta ou parâmetros de processamento irracionais, que precisam ser ajustados a tempo. Durante o processo de soldagem, é necessário monitorar em tempo real parâmetros como corrente de soldagem, tensão e taxa de fluxo de gás de blindagem para garantir que esses parâmetros sejam estáveis dentro da faixa apropriada. Por exemplo, a corrente de soldagem excessiva pode causar sobreaquecimento da soldagem e defeitos de soldagem, e a taxa de fluxo de gás de blindagem insuficiente não pode impedir efetivamente a oxidação da liga de titânio.
Inspeção do produto acabado
As peças fabricadas devem ser totalmente inspecionadas. O teste não destrutivo é uma parte importante, incluindo testes ultrassônicos e testes de raios X para verificar se há defeitos dentro das peças, e o teste penetrante é usado para verificar defeitos minúsculos na superfície das peças. O teste de propriedades mecânicas também é essencial. A resistência à tração das peças pode ser testada através de testes de tração, e o teste de dureza pode entender se a dureza das peças atende aos requisitos. Além disso, testes de resistência à corrosão e testes de corrosão simulando ambientes de alto mar também são necessários, como imersão de peças em líquidos corrosivos contendo altas concentrações de sal e simulação de pressão de alto mar para observar a corrosão das peças dentro de um determinado período de tempo. Apenas as peças que passam nesses testes podem garantir que sua qualidade atenda aos requisitos de uso de detectores de profundidade.
Vantagens de custo das ligas de titânio sobre outros materiais em detectores de profundidade
As ligas de titânio têm certas vantagens de custo sobre outros materiais em detectores de profundidade, que se refletem principalmente nos seguintes aspectos:
Custo completo do ciclo de vida
Longa vida útil: As ligas de titânio têm excelente resistência à corrosão e resistência à fadiga. No ambiente áspero do mar profundo, como alta salinidade, alta pressão e baixa temperatura, eles podem manter o desempenho estável por um longo tempo sem serem corroídos e danificados. Em contraste, materiais metálicos tradicionais, como o aço, são propensos a ferrugem e corrosão no mar profundo, exigindo manutenção e substituição frequentes, o que aumenta os custos de manutenção posteriores e os custos de inatividade. Embora o custo inicial de compra de ligas de titânio seja alto, da perspectiva de toda a vida útil do detector, o número reduzido de tempos de manutenção e substituição pode reduzir significativamente os custos de longo prazo.
A alta confiabilidade reduz os custos de risco: as missões de exploração em profundidade são geralmente caras e arriscadas. Qualquer falha do detector pode levar à falha de toda a missão e enormes perdas econômicas. A alta resistência, boa dureza e estabilidade das ligas de titânio podem melhorar a confiabilidade do detector, reduzir o risco de falha causada pela falha do material e, assim, reduzir os custos de risco potenciais.
Vantagens de custos indiretos trazidas pelo desempenho abrangente
Reduzir o peso e economizar custos energéticos: A densidade da liga de titânio é relativamente pequena, cerca de 4,5 g / cm³, o que é muito menor do que os materiais tradicionais, como o aço. O uso de ligas de titânio em detectores de profundidade pode efetivamente reduzir o peso dos detectores, o que é de grande significado para a implantação dos detectores e sua operação no mar profundo. Peso menor significa que equipamentos de entrega menos poderosos podem ser usados, reduzindo o custo de implantação. Na profundidade do mar, o movimento do detector consome muita energia. Reduzir o peso pode reduzir o consumo de energia, estender o tempo de trabalho e a faixa de missão do detector e, assim, indiretamente reduzir os custos de energia e custos operacionais.
Boa compatibilidade reduz custos do sistema: as ligas de titânio têm boa biocompatibilidade e propriedades não magnéticas. Em alguns detectores de profundidade, se biossensores ou outros dispositivos sensíveis ao ambiente eletromagnético precisarem ser transportados, as ligas de titânio não interferirão com esses dispositivos, reduzindo a necessidade de medidas de proteção adicionais, como blindagem eletromagnética, e reduzindo a complexidade e o custo do sistema. Ao mesmo tempo, as ligas de titânio têm boa usinabilidade e soldabilidade, e podem fabricar peças com formas complexas, reduzindo procedimentos de processamento e custos.
Vantagens de custos em condições especiais de trabalho
A resistência à alta pressão reduz os custos estruturais: a pressão da água no ambiente do mar profundo é extremamente alta e a pressão da água aumenta em cerca de 1 atmosfera a cada 10 metros de mergulho. As ligas de titânio têm alta resistência e boa resistência à pressão, e podem suportar a enorme pressão do mar profundo sem a necessidade de projetos estruturais excessivamente pesados. Em contraste, alguns materiais de baixa resistência podem precisar aumentar a espessura e o peso da estrutura para alcançar os mesmos requisitos de resistência à pressão, o que não só aumenta o custo do material, mas também pode afetar o desempenho geral e a flexibilidade do detector.
A resistência à corrosão reduz os custos de proteção: Na profundidade do mar, a água do mar é extremamente corrosiva e os materiais metálicos comuns são facilmente danificados pela corrosão. As ligas de titânio podem naturalmente formar um filme de óxido apertado com capacidade de auto-reparação, que pode efetivamente resistir à corrosão da água do mar sem a necessidade de revestimentos anticorrosivos adicionais ou tratamentos anticorrosivos complexos, reduzindo custos anticorrosivos. Para alguns materiais com baixa resistência à corrosão, como ligas de alumínio, tratamentos anticorrosivos regulares ou substituição de peças corrodidas podem ser necessários, aumentando os custos de manutenção e custos de materiais.
