Hur påverkar olika element titan?

Rent titan har god plasticitet men låg hållfasthet och dålig värmebeständighet, och uppfyller inte de höga-kraven inom flyg, sjukvård, marinteknik och andra områden. Genom att lägga till olika legeringselement kan mikrostrukturen och egenskaperna hos titan justeras för att bilda titanlegeringar med överlägsen prestanda.

 

Nyckeln tilltitanlegeringarligger i att utnyttja titans allotropa transformation vid 882 grader. Med hjälp av tre typer av legeringselement- -stabiliserande element, -stabiliserande element och neutrala element-justeras andelen av och faser för att skräddarsy egenskaper som hållfasthet, värmebeständighet och seghet, och därmed möta de stränga servicekraven för olika områden.

 

 

 

-stabiliserande element fungerar huvudsakligen för att höja titans -transustemperatur och expandera -fasområdet, vilket gör att legeringen kan bibehålla en stabil struktur vid rumstemperatur och höga temperaturer, och därigenom förbättra hög-temperaturhållfasthet, korrosionsbeständighet och svetsbarhet.

 

Aluminium är det mest kritiska -stabiliserande elementet och ingår i nästan alla titanlegeringar, känd som "kärnförstärkaren". Den ökar styrkan genom solid lösningsförstärkning och uppnår lätt design tack vare sin låga densitet (2,7 g/cm³). En aluminiumhalt som överstiger 7 viktprocent tenderar dock att bilda spröd Ti₃Al-fas och minska plasticiteten, så den regleras i allmänhet till 5–6 %.

 

Bor, syre och kväve tillhör också -stabiliserande element. Bor är som ett "vitamin". En spårmängd kan förädla spannmål och förbättra bearbetbarheten. Syre och kväve kan stärka titan men drastiskt minska dess plasticitet, vilket gör dem till föroreningar som kräver strikt kontroll. Kontroll av vätehalten krävs under smältning för att förhindra väteförsprödning.

 

 

I motsats till -stabiliserande element sänker -stabiliserande element -transustemperaturen och expanderar -fasområdet, vilket gör att legeringen kan behålla en stabil fas efter kylning. De förbättrar styrkan avsevärt genom lösningsbehandling och åldring samtidigt som de säkerställer plasticitet, seghet och bearbetbarhet. De är indelade i två kategorier: isomorfa och eutektoida -stabiliserande element.

 

Isomorfa -stabiliserande element

Molybden har en anmärkningsvärd stärkande effekt, förbättrar hållfasthet vid rum/hög-temperatur, härdbarhet och termisk stabilitet och används ofta i titanlegeringar med hög-temperatur.

 

Vanadin bildar Ti6Al4V med titan och aluminium, vilket står för mer än 50 % av titanlegeringsmarknaden. Denna legering har hög hållfasthet, korrosionsbeständighet och svetsbarhet och används inom flyg-, varvs- och andra områden.

 

Niob utövar en mild stärkande effekt och förbättrar kraftigt plasticitet och seghet, vilket gör det till ett vanligt val för medicinska titanlegeringar.

Tantal har svag stärkande effekt och hög densitet, förbättrar oxidations- och korrosionsbeständigheten och används endast i små mängder i högklassiga-legeringar.

 

Eutectoid -Stabiliserande element

Krom erbjuder hög hållfasthet och hög plasticitet. Den kan förstärkas genom värmebehandling och används i strukturella komponenter med hög-hållfasthet.

 

Järn, ett starkt -stabiliserande element till låg kostnad, kan ersätta vanadin men har dålig termisk stabilitet och är benäget att segregeras.

 

Kisel, ett spårtillskott, kan förbättra termisk styrka och värmebeständighet, och det används mest i hög-temperaturkomponenter i flygmotorer-.

 

 

Neutrala element har liten effekt på titans -transustemperatur. Deras atomstorlek och egenskaper är nära titans, vilket tillåter oändlig fast lösning i både faser och faser. De balanserar huvudsakligen legeringsprestanda och förbättrar hög-temperaturstyrka utan att förändra titanets kärnegenskaper. Zirkonium och tenn är de vanligaste.

 

Zirkonium har extremt liknande egenskaper som titan, med svag rums-temperaturförstärkande effekt, men kan avsevärt förbättra termisk styrka och stabilitet vid höga temperaturer, och används ofta i hög-titaniumlegeringar.

Tenn har en ännu svagare rumstemperaturförstärkande effekt- och kan förbättra den termiska styrkan. I kombination med aluminium kan den optimera prestanda vid hög-temperatur ytterligare.

 

 

I praktiska tillämpningar kan ett enda element knappast uppfylla kraven för komplexa arbetsförhållanden. De flesta praktiska titanlegeringar har en synergistisk design med flera-element för att uppnå kompletterande fördelar genom exakt proportionering.

Ti6Al4V är en klassisk representant. Kombinerat med aluminium och vanadin bildar den en + duplexstruktur, som integrerar styrka, plasticitet, seghet och svetsbarhet.

 

Hög-temperatur titanlegeringar, till exempel Ti60 och Ti65, uppnår synergi genom element inklusive aluminium, zirkonium och molybden, med tillägg av sällsynta jordartsmetaller. De kan användas över 600 grader, vilket bryter det utländska tekniska monopolet.

 

Den medicinska Ti29Nb13Ta4.6Zr-legeringen består huvudsakligen av -stabiliserande element som niob och tantal. Den har en elasticitetsmodul nära den för mänskliga ben och utmärkt biokompatibilitet, och används ofta i implantat som konstgjorda leder och bennaglar.

Legeringar som IMI834 och Ti1100 för flygmotorer-har exakt proportionering av aluminium, tenn, molybden och kisel, bibehåller utmärkt krypmotstånd vid 600 grader och är nyckelmaterial för kompressorblad och skivor.