Hvordan påvirker forskjellige elementer titan?

Rent titan har god plastisitet, men lav styrke og dårlig varmebestandighet, og oppfyller ikke de høye-kravene innen romfart, medisinsk behandling, marineteknikk og andre felt. Ved å legge til forskjellige legeringselementer, kan mikrostrukturen og egenskapene til titan reguleres nøyaktig for å danne titanlegeringer med overlegen ytelse.

 

Nøkkelen tiltitanlegeringerligger i å utnytte titans allotropiske transformasjon ved 882 grader. Ved hjelp av tre typer legeringselementer- -stabiliserende elementer, -stabiliserende elementer og nøytrale elementer-justeres andelen av og faser for å tilpasse egenskaper som styrke, varmebestandighet og seighet, og dermed møte de strenge servicekravene til forskjellige felt.

 

 

 

-stabiliserende elementer fungerer hovedsakelig for å heve titans -transustemperatur og utvide -faseområdet, noe som gjør det mulig for legeringen å opprettholde en stabil struktur ved rom og høye temperaturer, og dermed forbedre høy-temperaturstyrke, korrosjonsmotstand og sveisbarhet.

 

Aluminium er det mest kritiske -stabiliserende elementet og finnes i nesten alle titanlegeringer, kjent som "kjerneforsterkeren". Den forbedrer styrken gjennom solid løsningsforsterkning og oppnår lett design på grunn av dens lave tetthet (2,7 g/cm³). Imidlertid har et aluminiuminnhold som overstiger 7 vekt% en tendens til å danne sprø Ti₃Al-fase og redusere plastisiteten, så det er generelt kontrollert til 5%–6%.

 

Bor, oksygen og nitrogen tilhører også -stabiliserende elementer. Bor er som et "vitamin". En spormengde kan foredle korn og forbedre bearbeidbarheten. Oksygen og nitrogen kan styrke titan, men drastisk redusere plastisiteten, noe som gjør dem til urenheter som krever streng kontroll. Kontroll av hydrogeninnholdet er nødvendig under smelting for å hindre hydrogensprøhet.

 

 

I motsetning til -stabiliserende elementer senker -stabiliserende elementer -transustemperaturen og utvider -faseområdet, slik at legeringen kan beholde en stabil fase etter bråkjøling. De forbedrer styrken betydelig gjennom løsningsbehandling og aldring, samtidig som de sikrer plastisitet, seighet og bearbeidbarhet. De er delt inn i to kategorier: isomorfe og eutektoide -stabiliserende elementer.

 

Isomorfe -stabiliserende elementer

Molybden har en bemerkelsesverdig styrkende effekt, forbedrer rom/høy-temperaturstyrke, herdbarhet og termisk stabilitet, og er mye brukt i titanlegeringer med høy-temperatur.

 

Vanadium danner Ti6Al4V med titan og aluminium, og står for mer enn 50 % av titanlegeringsmarkedet. Denne legeringen har høy styrke, korrosjonsbestandighet og sveisbarhet, og brukes i romfart, skipsbygging og andre felt.

 

Niob utøver en mild styrkende effekt og forbedrer plastisiteten og seigheten betydelig, noe som gjør det til et vanlig valg for medisinske titanlegeringer.

Tantal har svak styrkende effekt og høy tetthet, forbedrer oksidasjons- og korrosjonsmotstanden, og brukes kun i små mengder i høye-legeringer.

 

Eutectoid -stabiliserende elementer

Krom gir høy styrke og høy plastisitet. Den kan forsterkes ved varmebehandling, og brukes i strukturelle komponenter med høy- styrke.

 

Jern, et sterkt -stabiliserende element med lav pris, kan erstatte vanadium, men har dårlig termisk stabilitet og er utsatt for segregering.

 

Silisium, et sportilsetning, kan forbedre termisk styrke og varmebestandighet, og det brukes mest i høy-temperaturkomponenter i fly-motorer.

 

 

Nøytrale elementer har liten effekt på titans -transustemperatur. Deres atomstørrelse og egenskaper er nær titan, og tillater uendelig fast løsning i både og faser. De balanserer hovedsakelig legeringsytelse og forbedrer høy-temperaturstyrke uten å endre titanets kjerneegenskaper. Zirkonium og tinn er de mest brukte.

 

Zirkonium har ekstremt like egenskaper som titan, med svak rom-temperaturstyrkende effekt, men kan forbedre termisk styrke og stabilitet ved høye temperaturer betydelig, og er mye brukt i titanlegeringer med høy-temperatur.

Tinn har en enda svakere-romtemperaturstyrkende effekt og kan forbedre termisk styrke. Når den kombineres med aluminium, kan den optimalisere ytelsen ved høye-temperaturer ytterligere.

 

 

I praktiske applikasjoner kan et enkelt element knapt oppfylle kravene til komplekse arbeidsforhold. De fleste praktiske titanlegeringer har et synergistisk design med flere-elementer for å oppnå komplementære fordeler gjennom presis proporsjonering.

Ti6Al4V er en klassisk representant. Kombinert med aluminium og vanadium danner den en + dupleksstruktur, som integrerer styrke, plastisitet, seighet og sveisbarhet.

 

Titanlegeringer med høy-temperatur, for eksempel Ti60 og Ti65, oppnår synergi gjennom elementer inkludert aluminium, zirkonium og molybden, med tillegg av sjeldne jordarter. De kan brukes over 600 grader, og bryter det utenlandske teknologiske monopolet.

 

Den medisinske Ti29Nb13Ta4.6Zr-legeringen er hovedsakelig sammensatt av -stabiliserende elementer som niob og tantal. Den har en elastisitetsmodul nær den til menneskelige bein og utmerket biokompatibilitet, og er mye brukt i implantater som kunstige ledd og bennegler.

Legeringer som IMI834 og Ti1100 for aero-motorer har presis proporsjonering av aluminium, tinn, molybden og silisium, og beholder utmerket krypemotstand ved 600 grader, og er nøkkelmaterialer for kompressorblader og skiver.