Al, V, Nb, Ta… Multi-Element Partner Atlas of Titanium Alloys: Kuinka 60+ Elements saavuttaa suorituskykyä-tarpeen mukauttamisen?(I)

Titaaniseokset ovat ainutlaatuinen asema rakennemateriaaleissa. Puhdas titaani tarjoaa erinomaisesta korroosionkestävyydestään ja biologisesta yhteensopivuudestaan ​​huolimatta vain kohtalaisen lujuuden (noin 240–550 MPa vetolujuus). Titaanin muuttuminen kaupallisesti puhtaasta metallista -suorituskykyiseksi tekniseksi materiaaliksi-, joka kykenee 1500+ MPa:n myötölujuuteen-, johtuu kokonaan sen vuorovaikutuksesta jaksollisesta taulukosta peräisin olevien seosaineiden kanssa.

Toisin kuin teräs- tai alumiiniseokset, joissa vahvistusmekanismit usein riippuvat kapeasta elementtijoukosta, titaani tarjoaa epätavallisen laajan seostusmaiseman. Yli 60 elementtiä muokkaa merkittävästi titaanin faasitasapainoa, muunnoskinetiikkaa ja mekaanista vastetta. Näitä elementtejä ei valita satunnaisesti; niiden roolit määräytyvät kristallografisen yhteensopivuuden, elektronisen rakenteen ja niiden aseman suhteessa titaaniin jaksollisessa taulukossa.

Tässä artikkelissa tarkastellaan systemaattisesti, kuinka tämä "multi{0}}element partner" -perhe mahdollistaa suorituskyvyn "tarpeen mukauttamisen"-Al-V-yhdistelmästä, joka hallitsee ilmailu- ja avaruussovelluksia, tulenkestäviä metallilisäaineita, jotka nostavat käyttölämpötiloja yli 600 astetta.

Titaanin monipuolisuus johtuu sen allotrooppisesta muutoksesta. Alle 882 astetta puhdas titaani kiteytyy kuusikulmainen tiiviisti -pakattu (HCP) rakenne, jota kutsutaan nimellä -Ti. Tämän lämpötilan yläpuolella se muuttuu kehon{5}}keskipisteeksi kuutioksi (BCC) -Ti .

Tämä muunnoslämpötila-ja kunkin vaiheen stabiilisuus-muuttuvat perusteellisesti seosainelisäyksillä. Elementit, jotka nostavat -transuslämpötilaa, laajentavat -vaihekenttää ja niitä kutsutaan -stabilisaattoreiksi. -Transuksen lämpötilaa alentavat elementit laajentavat -vaihekenttää ja niitä kutsutaan -stabilisaattoreiksi . Kolmas luokka, neutraalit elementit, vaikuttavat minimaalisesti muunnoslämpötilaan.

Tämä faasistabiilisuuskehys mahdollistaa mikrorakennesuunnittelun useissa mittakaavaissa: primaarisen raekoon, sekundaarisen säleen paksuuden, raemorfologian ja metallien välisten yhdisteiden jakautumisen.

Perustuen vuorovaikutukseen titaanin allotrooppisen muunnoksen kanssa seosaineet jaetaan neljään toiminnalliseen luokkaan:

Kuva 1 havainnollistaa kunkin luokan binäärivaihekaavion ominaisuuksia ja näyttää, kuinka seostuslisäykset muokkaavat vaiherajoja ja mahdollistavat erilaisia ​​mikrorakenteisia tuloksia.

Alumiini on titaanin yleisimmin käytetty seosaine, jota esiintyy lähes kaikissa kaupallisissa seoksissa Ti-6Al-4V korkean lämpötilan lähes seoksiin. Sen määräävä asema johtuu useista tekijöistä:

· Kiinteän liuoksen vahvistaminen: Al liukenee ensisijaisesti --vaiheessa ja miehittää korvauskohdat HCP-hilassa. Tämä tuottaa kaksi vahvistavaa vaikutusta: (1) hilavääristymä, joka lisää vastustusta dislokaatioliikkeelle, ja (2) -vaiheen pinoamisvikaenergian muutos.

·Tiheyden vähentäminen: 2,7 g/cm³:ssa Al alentaa merkittävästi lejeeringin tiheyttä. Jokainen 1 paino-%:n Al-lisäys vähentää tiheyttä noin 1,5 %, mikä on kriittinen etu ilmailusovelluksissa, joissa ominaislujuus määrää komponenttien suunnittelun.

· Järjestäytymispotentiaali: Konsentraatioissa, jotka ylittävät noin 8 paino-%, Al edistää järjestetyn 2 (Ti3Al) saostuman muodostumista. Vaikka nämä voivat hauraita seoksen, jos ne jakautuvat karkeasti, hallittu sade tarjoaa lisää vahvistusreittejä.

Huang et al. osoittivat, että Al-lisäykset muuttavat perusteellisesti titaanin dislokaatiokäyttäytymistä. Binäärisissä Ti-6Al-seoksissa Al estää muodonmuutosten muodostumista ja muuttaa useiden liukujärjestelmien kriittistä erotettua leikkausjännitystä (CRSS). Vahvistamiseen liittyy kompromissi: kun myötöraja kasvaa, sitkeys ja iskusitkeys tyypillisesti heikkenevät.

Happi, typpi ja hiili vievät titaanihilan välikohtia, mikä tuottaa poikkeuksellisen tehokkaan vahvistuksen alhaisilla pitoisuuksilla. Jokainen 0,1 painoprosenttia O lisää myötölujuutta noin 150–200 MPa.

·Happi: Yleisin välimainos O on sekä vahvistava mahdollisuus että saastumisongelma. Happi stabiloi -vaiheen, nostaa -transuslämpötilaa ja vahvistaa merkittävästi kiinteää liuosta. Kuitenkin noin 0,3–0,4 paino-% O:n ylittäminen aiheuttaa vakavaa haurautta tukahduttamalla sitkeitä muodonmuutosmekanismeja.

·Typpi: Viimeaikaiset edistysaskeleet ovat miettineet uudelleen N:n roolia. Zhang et ai. osoitti, että kontrolloidut typen lisäykset (0,17–0,40 paino-%) yhdistettynä raerajasuunnitteluun voivat tuottaa poikkeuksellisia lujuus{4}}muovattavuusyhdistelmiä. Niiden Ti-1800-lejeerinki (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N) saavutti 1800 MPa myötölujuuden primäärisen, sekundaarisen ja ultrahienojen -Widmanstätten-sakkojen hierarkkisen rakenteen ansiosta.

·Hiili: 0,05–0,2 paino-% C:n lisäykset edistävät TiC:n muodostumista. Näillä karbidilla on kaksi tehtävää: (1) kiinnittävät rakeiden rajoja korkean lämpötilan käsittelyn aikana, jalostavat lopullista mikrorakennetta ja (2) toimivat heterogeenisina ytimen muodostumispaikkoina saostumiseen. Tuloksena oleva mikrorakenne näyttää hienojakoisempia rakeita ja satunnaisempia säleitä.

Mikroseos B:llä (0,01–0,2 painoprosenttia) tuottaa TiB-viikset, jotka jalostavat huomattavasti aikaisempaa raekokoa. TA6.5-seoksissa 0,2 painoprosenttia B muutti mikrorakenteen karkeasta Widmanstättenistä hienostuneeksi korikudoksen morfologiaksi, mikä pienensi pesäkkeiden kokoa ja paransi sekä huoneen lämpötilaa että 650 asteen veto-ominaisuuksia.

 Jatkuu...

Ota yhteyttä nyt