Kaip skirtingi elementai veikia titaną?

Grynas titanas pasižymi geru plastiškumu, bet mažu stiprumu ir silpnu atsparumu karščiui, todėl neatitinka aukštų aviacijos ir kosmoso, medicininės priežiūros, jūrų inžinerijos ir kitų sričių reikalavimų. Pridedant skirtingų legiravimo elementų, titano mikrostruktūra ir savybės gali būti tiksliai reguliuojamos, kad susidarytų aukščiausios kokybės titano lydiniai.

 

Raktas įtitano lydiniaiTai yra titano alotropinės transformacijos panaudojimas 882 laipsnių kampu. Naudojant trijų tipų legiruojančius elementus- -stabilizuojančius elementus, -stabilizuojančius elementus ir neutralius elementus-, proporcija ir fazės koreguojamos, kad būtų pritaikytos savybės, pvz., stiprumas, atsparumas karščiui ir kietumas, taip atitiktų griežtus skirtingų sričių aptarnavimo reikalavimus.

 

 

 

-Stabilizuojantys elementai daugiausia veikia pakeldami titano -transuso temperatūrą ir išplėsdami -fazės sritį, leisdami lydiniui išlaikyti stabilią struktūrą kambario ir aukštoje temperatūroje, taip pagerindami atsparumą aukštai-temperatūrai, atsparumą korozijai ir suvirinamumą.

 

Aliuminis yra svarbiausias -stabilizavimo elementas ir jo yra beveik visuose titano lydiniuose, vadinamuose „šerdies stiprintuvu“. Jis padidina stiprumą stiprindamas kietą tirpalą ir dėl mažo tankio (2,7 g/cm³) yra lengvas. Tačiau aliuminio kiekis, viršijantis 7 masės %, paprastai sudaro trapią Ti3Al fazę ir mažina plastiškumą, todėl paprastai kontroliuojamas 5–6 %.

 

Boras, deguonis ir azotas taip pat priklauso -stabilizuojantiems elementams. Boras yra tarsi „vitaminas“. Nedidelis kiekis gali patobulinti grūdus ir pagerinti apdirbamumą. Deguonis ir azotas gali sustiprinti titaną, bet smarkiai sumažinti jo plastiškumą, todėl jie tampa priemaišomis, kurias reikia griežtai kontroliuoti. Lydymo metu būtina kontroliuoti vandenilio kiekį, kad būtų išvengta vandenilio trapumo.

 

 

Priešingai nei -stabilizuojantys elementai, -stabilizuojantys elementai sumažina -transuso temperatūrą ir išplečia -fazės sritį, todėl lydinys gali išlaikyti stabilią fazę po gesinimo. Jie žymiai pagerina stiprumą apdorojant tirpalą ir senstant, tuo pačiu užtikrinant plastiškumą, tvirtumą ir apdirbamumą. Jie skirstomi į dvi kategorijas: izomorfinius ir eutektoidinius -stabilizuojančius elementus.

 

Izomorfiniai -stabilizuojantys elementai

Molibdenas turi nepaprastą stiprinamąjį poveikį, pagerina atsparumą kambario/aukštos{0}}temperatūroms, kietėjimą ir terminį stabilumą, taip pat plačiai naudojamas aukštos{1}}temperatūrų titano lydiniuose.

 

Vanadis sudaro Ti6Al4V su titanu ir aliuminiu, kuris sudaro daugiau nei 50 % titano lydinių rinkos. Šis lydinys pasižymi dideliu stiprumu, atsparumu korozijai ir suvirinamumu, yra naudojamas aviacijos, laivų statybos ir kitose srityse.

 

Niobis pasižymi švelniu stiprinamuoju poveikiu ir labai pagerina plastiškumą bei tvirtumą, todėl yra įprastas medicininių titano lydinių pasirinkimas.

Tantalas turi silpną stiprinamąjį poveikį, turi didelį tankį, pagerina atsparumą oksidacijai ir korozijai, o tik nedideliais kiekiais naudojamas aukščiausios klasės -lydiniuose.

 

Eutektoidiniai -Stabilizuojantys elementai

Chromas pasižymi dideliu stiprumu ir dideliu plastiškumu. Jis gali būti sustiprintas termiškai apdorojant ir naudojamas didelio-stiprumo konstrukciniuose komponentuose.

 

Geležis, stiprus -stabilizuojantis elementas, kurio kaina yra maža, gali pakeisti vanadį, tačiau turi prastą terminį stabilumą ir yra linkusi į segregaciją.

 

Silicis, priedas, gali pagerinti šiluminį stiprumą ir atsparumą karščiui, ir jis dažniausiai naudojamas aukštos{0}}temperatūros aviacinių variklių{1}} komponentuose.

 

 

Neutralūs elementai mažai veikia titano -transuso temperatūrą. Jų atominis dydis ir savybės yra artimi titano dydžiui ir savybėms, todėl galima be galo daug kieto tirpalo ir fazėse. Jie daugiausia subalansuoja lydinio našumą ir pagerina atsparumą aukštai-temperatūrai, nekeičiant pagrindinių titano savybių. Dažniausiai naudojami cirkonis ir alavas.

 

Cirkonio savybės labai panašios į titaną, silpnai stiprinantis kambario temperatūrą, tačiau gali žymiai pagerinti šiluminį stiprumą ir stabilumą esant aukštai temperatūrai, be to, jis plačiai naudojamas aukštos temperatūros titano lydiniuose.

Alavas turi dar silpnesnį kambario{0}}temperatūrą stiprinantį poveikį ir gali padidinti šiluminį stiprumą. Kai jis derinamas su aliuminiu, jis gali dar labiau optimizuoti veikimą aukštoje{2}}temperatūroje.

 

 

Praktikoje vienas elementas vargu ar gali atitikti sudėtingų darbo sąlygų reikalavimus. Dauguma praktinių titano lydinių turi kelių -elementų sinergetinį dizainą, kad būtų galima gauti papildomų pranašumų dėl tikslaus proporcijų nustatymo.

Ti6Al4V yra klasikinis atstovas. Kartu su aliuminiu ir vanadžiu jis sudaro + dvipusę struktūrą, integruojančią stiprumą, plastiškumą, tvirtumą ir suvirinamumą.

 

Aukštos{0}}temperatūros titano lydiniai, pvz., Ti60 ir Ti65, sukuria sinergiją per elementus, įskaitant aliuminį, cirkonį ir molibdeną, pridedant retųjų žemių metalų. Jie gali būti naudojami virš 600 laipsnių, pažeidžiant užsienio technologinę monopoliją.

 

Medicininis Ti29Nb13Ta4.6Zr lydinys daugiausia sudarytas iš -stabilizuojančių elementų, tokių kaip niobis ir tantalas. Jis turi artimą žmogaus kaulų elastingumo moduliui ir puikų biologinį suderinamumą, yra plačiai naudojamas implantams, pavyzdžiui, dirbtiniams sąnariams ir kaulų nagams.

Lydiniai, tokie kaip IMI834 ir Ti1100, skirti aero{2}} varikliams, pasižymi tiksliu aliuminio, alavo, molibdeno ir silicio proporcijomis, išlaiko puikų atsparumą šliaužimui 600 laipsnių kampu ir yra pagrindinės kompresoriaus menčių ir diskų medžiagos.