Al, V, Nb, Ta… Mitu{0}}Titaanisulamite elemendipartneri atlas: kuidas saavutavad 60+ elemendid jõudluse-nõudlusel kohandamise korral?(Ⅱ)

Isomorfsetel β-stabilisaatoritel on titaani BCC kristallstruktuur ja neil on täielik tahke aine lahustuvus β--faasis. Need elemendid -Mo, V, Nb, Ta, W-moodustavad α+β ja β-titaanisulamite selgroo.

V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50% ülemaailmsest titaanitarbimisest. V lisamine 4 massiprotsenti surub β-transust piisavalt alla, et võimaldada toatemperatuuril kahe-faasilisi mikrostruktuure ligikaudu 10–50% β-faasiga.

V pakub mitmeid olulisi funktsioone:

β retentsioon: võimaldab mikrostruktuurilist kontrolli läbi kuumtöötluse

Tugevus ilma rabeduseta: erinevalt interstitsiaalsetest tugevdamistest säilitab V elastsuse, aidates samal ajal kaasa tahke lahuse tugevdamisele

Valmistatavus: kahe{0}}faasiline mikrostruktuur pakub optimaalset tasakaalu kuumtöötlemise ja lõplike mehaaniliste omaduste vahel

Mo on β--faasi stabiliseerimisel ligikaudu kaks korda tõhusam kui V, kvantifitseerides molübdeeni ekvivalentsuse kontseptsiooni ([Mo]eq) kaudu. Iga 1 massiprotsent Mo annab β- stabiliseeriva võimsuse, mis vastab ligikaudu 2 massiprotsendile V .

Faasikontroll: sulamites nagu Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,2Si (kasutatakse ülitugevate kosmosesõidukite kinnitusdetailide jaoks) võimaldab Mo täielikku β-peetust kustutamisel, millele järgneb kontrollitud α-sadestamine vananemise ajal.

Korrosioonikindlus: Mo-lisandid suurendavad passiivsust happelise keskkonna vähendamisel. Ti-Mo-sulamid moodustavad passiivseid kilesid, mis sisaldavad TiO2-ga segatud MoO₃-d, tagades HCl-i lahustes parema stabiilsuse võrreldes legeerimata titaaniga.

Viimased edusammud: Zhang et al. näitasid, et kontrollitud N-lisanditega Mo-sisaldavad sulamid saavutavad heterogeensete lamellstruktuuride kaudu erakordsed omadused. Nende sulam Ti-2,8Cr-4,5Zr-5,2Al-0,4N saavutas voolavuspiiri 1532 MPa koos 10,2% ühtlase pikenemisega, mis asetas selle titaanisulamite parimate kombinatsioonide hulka.

Nb ja Ta on saavutanud silmapaistvuse biomeditsiinilistes rakendustes, kus pikaajaline{0}}bioloogiline ühilduvus on hädavajalik. Erinevalt V-st, mis tekitab tsütotoksilisuse probleeme, on Nb ja Ta füsioloogiliselt inertsed .

Madala mooduliga disain: Nb lisandid võimaldavad β-titaanisulamid elastsusmoodulitega alla 50 GPa-, mis lähenevad luu 10–30 GPa ja palju alla 110 GPa Ti-6Al-4V. Selle lähenemisviisi näideteks on Ti-35Nb-7Zr-5Ta sulamid, mis kombineerivad Nb-d Zr-i ja Ta-ga, et vähendada ortopeediliste implantaatide pingevarjestust.

Passiivse kile täiustamine: Nb- ja Ta-oksiidid lisatakse passiivse pinnakihi sisse, suurendades selle stabiilsust ja korrosioonikindlust. Kloriidi-sisaldavates keskkondades on Nb-modifitseeritud passiivkiledel väiksem punktdefektide tihedus ja suurem vastupidavus lokaalsele lagunemisele.

Hiljutised süstemaatilised uuringud Gautier jt poolt. uuris W, Ta ja Hf lisandeid kõrgel temperatuuril{1}}. Pärast 5000-tunnist kokkupuudet temperatuuril 650 °C õhus näitas W oksüdatsioonikineetika kõige märgatavamat vähenemist.

Mehhanism: W soodustab Ti₂N moodustumist oksiidi/metalli liidesel, luues lämmastiku-rikka kihi, mis vähendab hapniku lahustumist sulamis. Kolmekomponentne Ti-10Al-2W (at%) sulam ületas oksüdatsioonikindluse poolest kaubanduslikku kõrgtemperatuurilist sulamit Ti6242S.

Vahend-: W on tihe (19,3 g/cm³) ja suured lisandid muudavad titaani tiheduse eelise olematuks. Väljakutse seisneb minimaalsete kontsentratsioonide tuvastamises (tavaliselt<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.

Eutektoide{0}}moodustavad elemendid-Fe, Cr, Ni, Cu, Si-surutavad samuti β-transust, kuid erinevad isomorfsetest stabilisaatoritest oma võime poolest moodustada intermetallilisi ühendeid eutektoidse lagunemise kaudu.
 

Fe on tugev ja odav β-stabilisaator. Selle kiire difusioonikiirus võimaldab kiiret reageerimist kuumtöötlemisele, kuid soodustab ka segregatsiooni tahkumise ajal. Fe-sisaldavad sulamid nõuavad hoolikat töötlemist, et vältida rikastatud β-stabilisaatori β-plekkimist-lokaliseeritud piirkondi, mis tekitavad ebaühtlased mehaanilised omadused.
 

Si-lisandid 0,1–0,5 massiprotsenti on standardsed peaaegu -α-kõrge temperatuuriga sulamites (nt Ti-6242S, IMI 834). Si annab kaks eelist:

Tahke lahuse tugevnemine: lahuses sisalduv Si takistab dislokatsiooni tõusu kõrgel temperatuuril

Silitsiidsade: peen (Ti,Zr)₅Si₃ sadestab tihvti tera piirid ja -alapiirid, pidurdades roomamise deformatsiooni

Gautier jt hiljutine töö. kinnitas, et Si koos tulekindlate elementidega parandab sünergistlikult nii roomamis- kui ka oksüdatsioonikindlust temperatuuril 600–650 °C.
 

Zr, Hf ja Sn avaldavad β-transuse temperatuurile minimaalset mõju, kuid tagavad olulise tahke lahuse tugevdamise nii α- kui ka β-faasis.

Zr seguneb täielikult Ti-ga nii α kui ka β faasis -ainulaadne omadus, mis tuleneb nende positsioonidest perioodilisuse tabeli IVB rühmas. See täielik lahustuvus võimaldab:

Tugevdamine ilma faasi ebastabiilsuseta: Zr lisandid suurendavad tugevust tahkete lahuste mehhanismide kaudu, muutmata faaside tasakaalu, lihtsustades sulami disaini.

Korrosiooni suurendamine: merekeskkonnas moodustavad Zr{0}}sisaldavad sulamid stabiilsema passiivse kile. ZrO₂ liitub TiO₂ kihti, vähendades hapniku vabade töökohtade kontsentratsiooni ja suurendades vastupidavust kloriidide rünnakule.

Hiljutised leiud: Ti575 sulamite (Ti-5Al-7,5V-0,5Si) uuringud, milles võrreldi Mo ja Zr lisamist, näitasid, et kuigi Zr annab vähem α rafineerimist kui Mo, soodustab see silitsiidide sadestumist, vähendades tuumade moodustumise barjääre.

Sn tagab tahke lahuse tugevdamise ilma faasi stabiilsust oluliselt muutmata. Kõrgetemperatuurilistes sulamites (Ti-6242, Ti-1100) aitab Sn kaasa roomamiskindlusele tahke lahuse mõju ja silitsiidide sadestumise käitumise muutmise kaudu.

   Jätkub...

Võtke kohe ühendust