Titaanisulamid on konstruktsioonimaterjalides ainulaadsel positsioonil. Vaatamata suurepärasele korrosioonikindlusele ja biosobivusele pakub puhas titaan vaid mõõdukat tugevust (tõmbetugevus ligikaudu 240–550 MPa). Titaani muundumine kaubanduslikult puhtast metallist suure -tehniliseks materjaliks-, mis on võimeline 1500+ MPa voolavuspiiriks-, seisneb täielikult selle koostoimes perioodilisuse tabeli legeerelementidega.
Erinevalt terasest või alumiiniumisulamitest, kus tugevdusmehhanismid tuginevad sageli kitsale elementide komplektile, on titaanil ebatavaliselt lai legeerimismaastik. Üle 60 elemendi muudavad oluliselt titaani faasitasakaalu, transformatsiooni kineetikat ja mehaanilist reaktsiooni. Need elemendid ei ole juhuslikult valitud; nende rollid määravad fundamentaalne kristallograafiline ühilduvus, elektrooniline struktuur ja positsioon titaani suhtes perioodilisustabelis.
See artikkel pakub süstemaatilist uurimist selle kohta, kuidas see "mitme{0}}elemendipartneri" perekond võimaldab jõudlust "nõudmisel kohandada"-al-V kombinatsioonist, mis domineerib kosmoserakendustes kuni tulekindlate metallide lisanditeni, mis tõstavad töötemperatuuri üle 600 kraadi.
Metallurgia raamistik: miks titaan reageerib nii paljudele elementidele?
1.1 Allotroopne teisendus kui disainimuutuja
Titaani mitmekülgsus tuleneb selle allotroopsest transformatsioonist. Alla 882 kraadi kristalliseerub puhas titaan kuusnurkses tihedas -pakitud (HCP) struktuuris, mida tähistatakse kui -Ti. Sellest kõrgemal temperatuuril muutub see keha{5}}keskse kuubiku (BCC) -Ti-ks.
Seda muundamistemperatuuri-ja iga faasi stabiilsust-muutvad põhjalikult legeerivad lisandid. Elemendid, mis suurendavad -transuse temperatuuri, laiendavad -faasivälja ja neid nimetatakse -stabilisaatoriteks. Elemendid, mis vähendavad -transuse temperatuuri, laiendavad -faasivälja ja neid nimetatakse -stabilisaatoriteks. Kolmas kategooria, neutraalsed elemendid, avaldavad transformatsioonitemperatuurile minimaalset mõju.
See faasistabiilsuse raamistik võimaldab mikrostruktuuride kujundamist mitmes skaalas: primaarne tera suurus, sekundaarne lati paksus, terade morfoloogia ja intermetalliliste ühendite jaotus.
1.2 Klassifikatsioonisüsteem
Titaani allotroopse transformatsiooniga koostoime põhjal jagunevad legeerelemendid nelja funktsionaalsesse kategooriasse:
| Kategooria | Elemendid |
Mõju -Transusele |
Tüüpiline kontsentratsioonivahemik |
| -stabilisaatorid | Al, Ga, Ge, B, O, N, C | Suurendada |
l: 2-7 massiprotsenti; O: 0,1–0,3 massiprotsenti |
| -stabilisaatorid (isomorfsed) | Mo, V, Nb, Ta, W | Vähendada |
V: 2–15 massiprotsenti; Nb: 10–40 massiprotsenti |
| -stabilisaatorid (eutektoid) | Fe, Cr, Ni, Cu, Si, H | Vähendada |
V: 2–15 massiprotsenti; Nb: 10–40 massiprotsenti |
| Neutraalsed elemendid | Zr, Hf, Sn | Minimaalne muutus |
Zr: 1-8 massiprotsenti; Sn: 2–5 massiprotsenti |
Joonis 1 illustreerib iga kategooria binaarse faasi diagrammi omadusi, näidates, kuidas legeerivad lisandid kujundavad ümber faasipiire ja võimaldavad erinevaid mikrostruktuurilisi tulemusi.
-Stabilisaatorid: tugevuse ja oksüdatsiooni sihtasutus
2.1 Alumiinium: universaalne tugevdaja
Alumiinium on titaanis kõige laialdasemalt kasutatav legeerelement, mida leidub peaaegu kõigis kaubanduslikes sulamites alates Ti-6Al-4V kuni kõrgtemperatuuriliste peaaegu sulamiteni. Selle domineerimine tuleneb mitmest panusest:
· Tahke lahuse tugevdamine: Al lahustub eelistatavalt -faasis, hõivates HCP-võre asenduskohad. Sellel on kaks tugevdavat efekti: (1) võre moonutus, mis suurendab vastupidavust dislokatsiooni liikumisele, ja (2) -faasi virnastamise veaenergia modifitseerimine.
· Tiheduse vähendamine: 2,7 g/cm³ juures vähendab Al märkimisväärselt sulami tihedust. Iga 1 massiprotsenti Al lisamine vähendab tihedust ligikaudu 1,5% võrra, mis on kriitiline eelis lennunduses, kus spetsiifiline tugevus määrab komponendi disaini.
· Järjestamispotentsiaal: kontsentratsioonidel, mis ületavad ligikaudu 8 massiprotsenti, soodustab Al korrastatud 2 (Ti3Al) sadete moodustumist. Kuigi need võivad jämedalt jaotumisel sulamit habrastada, pakub kontrollitud sademed täiendavaid tugevdamise teid.
Huangi jt hiljutised tööd. näitasid, et Al-lisandid muudavad põhimõtteliselt titaani dislokatsiooni käitumist. Binaarsetes Ti-6Al-sulamites pärsib Al deformatsiooni kaksikjõudu ja muudab mitme libisemissüsteemi kriitilist lahutatud nihkepinget (CRSS). Selle tugevdamisega kaasneb kompromiss: kui voolavuspiir suureneb, vähenevad tavaliselt plastilisus ja löögitugevus.
2.2 Vahetugevdajad: hapnik, lämmastik, süsinik
Hapnik, lämmastik ja süsinik hõivavad titaanvõre interstitsiaalseid kohti, andes madalatel kontsentratsioonidel erakordselt tõhusa tugevduse. Iga 0,1 massiprotsenti O suurendab voolavuspiiri ligikaudu 150–200 MPa.
· Hapnik: kõige tavalisema vahematerjalina on O nii tugevnemisvõimalus kui ka saasteprobleem. Hapnik stabiliseerib -faasi, tõstab -transuse temperatuuri ja tugevdab oluliselt tahket lahust. Ligikaudu 0, 3–0, 4 massiprotsenti O ületamine põhjustab plastiliste deformatsioonimehhanismide mahasurumise tõttu tugevat rabedust.
·Lämmastik: hiljutised edusammud on N-i rolli ümber mõelnud. Zhang et al. näitasid, et kontrollitud lämmastiku lisamine (0,17–0,40 massiprotsenti) koos terapiiride konstrueerimisega võivad anda erakordseid tugevuse -plastilisuse kombinatsioone. Nende Ti-1800 sulam (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N) saavutas primaarsete, sekundaarsete ja ülipeente Widmanstätteni sademete hierarhilise struktuuri kaudu voolavuspiiri 1800 MPa.
·Süsinik: 0,05–0,2 massiprotsendi C lisamine soodustab TiC moodustumist. Need karbiidid täidavad kahte funktsiooni: (1) kinnitavad terade piire kõrgel temperatuuril töötlemisel, viimistlevad lõplikku mikrostruktuuri ja (2) toimivad sadestamise heterogeensete tuumamiskohtadena. Saadud mikrostruktuur näitab peenemaid terasid ja juhuslikumat lati orientatsiooni.
2.3 Boor: teravilja rafineerimisvahend
Mikrolegeerimine B-ga (0,01–0,2 massiprotsenti) annab TiB-vurrud, mis täpsustavad oluliselt eelnevat tera suurust. TA6.5 sulamites muutis 0,2 massiprotsenti B mikrostruktuuri jämedast Widmanstättenist rafineeritud korvi{5}}koe morfoloogiaks, vähendades koloonia suurust ja parandades nii ruumitemperatuuri kui ka 650 kraadi tõmbetugevust.
Jätkub...
