Hvordan påvirker forskellige elementer titanium?

Rent titanium har god plasticitet, men lav styrke og dårlig varmebestandighed, og opfylder ikke de høje-krav inden for rumfart, medicinsk pleje, skibsteknik og andre områder. Ved at tilføje forskellige legeringselementer kan mikrostrukturen og egenskaberne af titanium reguleres præcist til at danne titanlegeringer med overlegen ydeevne.

 

Nøglen tiltitanlegeringerligger i at udnytte titaniums allotropiske transformation ved 882 grader. Ved hjælp af tre typer legeringselementer- -stabiliserende elementer, -stabiliserende elementer og neutrale elementer-justeres andelen af ​​og faser for at tilpasse egenskaber såsom styrke, varmebestandighed og sejhed, og dermed opfylde de strenge servicekrav i forskellige områder.

 

 

 

-stabiliserende elementer fungerer hovedsageligt til at hæve titaniums -transustemperatur og udvide -faseområdet, hvilket gør det muligt for legeringen at opretholde en stabil struktur ved stuetemperaturer og høje temperaturer, og derved forbedre høj-temperaturstyrke, korrosionsbestandighed og svejsbarhed.

 

Aluminium er det mest kritiske -stabiliserende element og er indeholdt i næsten alle titanlegeringer, kendt som "kerneforstærkeren". Den øger styrken gennem solid opløsningsforstærkning og opnår letvægtsdesign på grund af dens lave densitet (2,7 g/cm³). Et aluminiumindhold, der overstiger 7 vægt%, har dog en tendens til at danne skør Ti₃Al-fase og reducere plasticiteten, så det er generelt kontrolleret til 5%-6%.

 

Bor, oxygen og nitrogen hører også til -stabiliserende elementer. Bor er som et "vitamin". En spormængde kan forfine korn og forbedre forarbejdeligheden. Ilt og nitrogen kan styrke titanium, men reducerer dets plasticitet drastisk, hvilket gør dem til urenheder, der kræver streng kontrol. Kontrol af brintindholdet er påkrævet under smeltning for at forhindre brintskørhed.

 

 

I modsætning til -stabiliserende elementer sænker -stabiliserende elementer -transustemperaturen og udvider -faseområdet, hvilket tillader legeringen at bevare en stabil fase efter bratkøling. De forbedrer styrken markant gennem opløsningsbehandling og ældning, mens de sikrer plasticitet, sejhed og forarbejdelighed. De er opdelt i to kategorier: isomorfe og eutektoide -stabiliserende elementer.

 

Isomorfe -stabiliserende elementer

Molybdæn har en bemærkelsesværdig styrkende effekt, forbedrer rum/høj-temperaturstyrke, hærdbarhed og termisk stabilitet og er meget udbredt i høj-titaniumlegeringer.

 

Vanadium danner Ti6Al4V med titanium og aluminium, der tegner sig for mere end 50% af titanlegeringsmarkedet. Denne legering har høj styrke, korrosionsbestandighed og svejsbarhed og anvendes i rumfart, skibsbygning og andre områder.

 

Niobium udøver en mild styrkende effekt og forbedrer i høj grad plasticitet og sejhed, hvilket gør det til et almindeligt valg for medicinske titanlegeringer.

Tantal har en svag styrkende effekt og høj densitet, forbedrer oxidations- og korrosionsbestandighed og bruges kun i små mængder i high-legeringer.

 

Eutectoid -Stabiliserende elementer

Chrom giver høj styrke og høj plasticitet. Det kan forstærkes ved varmebehandling og bruges i strukturelle komponenter med høj-styrke.

 

Jern, et stærkt -stabiliserende element til en lav pris, kan erstatte vanadium, men har dårlig termisk stabilitet og er tilbøjelig til adskillelse.

 

Silicium, en sportilsætning, kan forbedre termisk styrke og varmebestandighed, og det bruges mest i høj-temperaturkomponenter i fly-motorer.

 

 

Neutrale elementer har ringe effekt på titaniums -transustemperatur. Deres atomare størrelse og egenskaber er tæt på titaniums, hvilket tillader uendelig fast opløsning i både og faser. De balancerer hovedsageligt legeringsydeevne og forbedrer høj-temperaturstyrke uden at ændre titaniums kerneegenskaber. Zirkonium og tin er de almindeligt anvendte.

 

Zirkonium har ekstremt lignende egenskaber som titanium med en svag-rumtemperaturforstærkende effekt, men kan forbedre termisk styrke og stabilitet ved høje temperaturer betydeligt, og er meget udbredt i høj-titaniumlegeringer.

Tin har en endnu svagere-rumtemperaturstyrkende effekt og kan forbedre den termiske styrke. Når det kombineres med aluminium, kan det yderligere optimere ydeevnen ved høje-temperaturer.

 

 

I praktiske anvendelser kan et enkelt element næppe opfylde kravene til komplekse arbejdsforhold. De fleste praktiske titanlegeringer har et synergistisk design med flere-elementer for at opnå komplementære fordele gennem præcis proportionering.

Ti6Al4V er en klassisk repræsentant. Kombineret med aluminium og vanadium danner det en + duplex struktur, der integrerer styrke, plasticitet, sejhed og svejsbarhed.

 

Høj-temperatur titanlegeringer, for eksempel Ti60 og Ti65, opnår synergi gennem elementer, herunder aluminium, zirconium og molybdæn, med tilføjelse af sjældne jordarter. De kan bruges over 600 grader, hvilket bryder det udenlandske teknologiske monopol.

 

Den medicinske Ti29Nb13Ta4.6Zr-legering er hovedsageligt sammensat af -stabiliserende elementer såsom niobium og tantal. Det har et elasticitetsmodul tæt på menneskeknogler og fremragende biokompatibilitet og er meget udbredt i implantater såsom kunstige led og knoglenegle.

Legeringer som IMI834 og Ti1100 til aero-motorer har præcis proportionering af aluminium, tin, molybdæn og silicium, bevarer fremragende krybemodstand ved 600 grader og er nøglematerialer til kompressorblade og skiver.