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

Isomorfisilla β--stabilisaattoreilla on sama titaanin BCC-kiderakenne, ja niillä on täydellinen kiinteän aineen liukoisuus β--vaiheessa. Nämä alkuaineet-Mo, V, Nb, Ta, W-muodostavat α+β- ja β-titaaniseosten rungon.

V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50 % maailman titaanin kulutuksesta. V lisäykset 4 painoprosenttia painavat β-transusta riittävästi mahdollistaakseen kaksivaiheiset mikrorakenteet noin 10–50 % β--faasilla huoneenlämpötilassa.

V tarjoaa useita kriittisiä toimintoja:

β-retentio: Mahdollistaa mikrorakenteen hallinnan lämpökäsittelyn avulla

Lujuus ilman haurastumista: Toisin kuin interstitiaaliset vahvistukset, V säilyttää taipuisuuden ja edistää samalla kiinteän liuoksen vahvistumista

Valmistettavuus: Kaksivaiheinen{0}}mikrorakenne tarjoaa optimaalisen tasapainon kuumatyöstettävyyden ja lopullisten mekaanisten ominaisuuksien välillä

Mo on noin kaksi kertaa tehokkaampi kuin V stabiloimaan β--vaihetta molybdeenin ekvivalenssikonseptin ([Mo]eq) avulla mitattuna. Jokainen 1 paino-% Mo tarjoaa β--stabiloivan tehon, joka vastaa noin 2 paino-% V.

Vaiheenhallinta: Seoksissa, kuten Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si (käytetään erittäin lujissa ilmailu-avaruuskiinnittimissä), Mo mahdollistaa täydellisen β-retention sammuttamisen aikana, minkä jälkeen hallitun α-saostumisen vanhenemisen aikana.

Korroosionkestävyys: Mo-lisäykset lisäävät passiivisuutta happamien ympäristöjen vähentämisessä. Ti-Mo-seokset muodostavat passiivisia kalvoja, jotka sisältävät MoO3:a sekoitettuna TiO2:n kanssa, mikä tarjoaa ylivoimaisen stabiilisuuden HCl-liuoksissa verrattuna seostamattomaan titaaniin.

Viimeaikaiset edistysaskeleet: Zhang et ai. osoittivat, että Mo-pitoiset seokset, joissa on kontrolloituja N-lisäyksiä, saavuttavat poikkeuksellisia ominaisuuksia heterogeenisten lamellirakenteiden ansiosta. Niiden Ti-2,8Cr-4,5Zr-5,2Al-0,4N-lejeeringillä saavutettiin 1532 MPa myötöraja ja 10,2 % tasainen venymä ja se asetti sen parhaiden yhdistelmien joukkoon titaaniseosten osalta.

Nb ja Ta ovat nousseet näkyvästi biolääketieteellisissä sovelluksissa, joissa pitkäaikainen{0}}bioyhteensopivuus on välttämätöntä. Toisin kuin V, joka aiheuttaa sytotoksisuusongelmia, Nb ja Ta ovat fysiologisesti inerttejä.

Matalamoduulirakenne: Nb-lisäykset mahdollistavat β-titaaniseokset, joiden kimmomoduuli on alle 50 GPa-, jotka lähestyvät luun 10–30 GPa:ta ja paljon alle Ti-6Al-4V:n 110 GPa:n. Ti-35Nb-7Zr-5Ta-lejeeringit ovat esimerkki tästä lähestymistavasta, jossa Nb yhdistetään Zr:n ja Ta:n kanssa vähentääkseen ortopedisten implanttien rasitussuojausta.

Passiivisen kalvon tehostaminen: Nb- ja Ta-oksidit sisällytetään passiiviseen pintakalvoon, mikä lisää sen vakautta ja korroosionkestävyyttä. Kloridi-pitoisissa ympäristöissä Nb-muokatuilla passiivikalvoilla on pienempi pistevikojen tiheys ja parempi vastustuskyky paikallista hajoamista vastaan.

Gautierin et ai. viimeaikaiset systemaattiset tutkimukset. tutki W-, Ta- ja Hf-lisäyksiä korkean lämpötilan sovelluksissa. 5000 tunnin altistuksen jälkeen 650 °C:ssa ilmassa, W osoitti selkeimmän hapettumiskinetiikan vähenemisen.

Mekanismi: W edistää Ti₂N muodostumista oksidin ja metallin rajapinnassa luoden typpi{0}}rikkaan kerroksen, joka vähentää hapen liukenemista massaseokseen. Kolmiosainen Ti-10Al-2W (at %) -seos ylitti kaupallisen korkean lämpötilan seoksen Ti6242S hapettumisenkestävyyden suhteen.

Kauppa-: W on tiheä (19,3 g/cm³), ja raskaat lisäykset mitätöivät titaanin tiheysedun. Haasteena on vähimmäispitoisuuksien tunnistaminen (tyypillisesti<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.

Eutektoideja-muodostavat alkuaineet-Fe, Cr, Ni, Cu, Si-painaavat myös β-transusta, mutta eroavat isomorfisista stabilisaattoreista kyvyssään muodostaa metallien välisiä yhdisteitä eutektoidin hajoamisen kautta.
 

Fe on tehokas ja halpa β--stabilisaattori. Sen nopea diffuusionopeus mahdollistaa nopean vasteen lämpökäsittelyyn, mutta edistää myös segregaatiota jähmettymisen aikana. Fe-pitoiset seokset vaativat huolellista käsittelyä, jotta vältetään rikastetun β--stabilisaattorin paikalliset alueet, jotka tuottavat epä-tasaisia ​​mekaanisia ominaisuuksia.
 

Si-lisäykset 0,1–0,5 painoprosenttia ovat vakiona lähes -α korkean lämpötilan -seoksissa (esim. Ti-6242S, IMI 834). Si tarjoaa kaksi etua:

Kiinteän liuoksen vahvistuminen: Si liuoksessa estää dislokaatiokiipeämisen korkeissa lämpötiloissa

Silisidisaostuminen: Hieno (Ti,Zr)₅Si3 saostaa tappien rae- ja -alarajoja, mikä hidastaa virumismuodonmuutosta

Gautierin et al. vahvisti, että Si yhdistettynä tulenkestäviin elementteihin tarjoaa synergistisiä parannuksia sekä virumis- että hapettumiskestävyydessä 600–650 °C:ssa.
 

Zr, Hf ja Sn vaikuttavat minimaalisesti β-transuslämpötilaan, mutta ne antavat huomattavan kiinteän liuoksen vahvistuksen sekä α- että β-faasissa.

Zr sekoittuu täysin Ti:n kanssa sekä α- että β-vaiheissa -ainutlaatuinen ominaisuus, joka johtuu niiden asemasta jaksollisen järjestelmän ryhmässä IVB. Tämä täydellinen liukoisuus mahdollistaa:

Vahvistus ilman faasin epävakautta: Zr-lisäykset lisäävät lujuutta kiinteiden liuosmekanismien kautta muuttamatta faasitasapainoa, mikä yksinkertaistaa seoksen suunnittelua.

Korroosion tehostaminen: Meriympäristöissä Zr{0}}-seokset muodostavat vakaampia passiivikalvoja. ZrO₂ sisällyttyy TiO₂-kerrokseen vähentäen tyhjien happipaikkojen pitoisuutta ja parantaen vastustuskykyä kloridihyökkäykselle.

Viimeaikaiset havainnot: Ti575-lejeeringeillä (Ti-5Al-7,5V-0,5Si) tehdyt tutkimukset, joissa verrattiin Mo- ja Zr-lisäyksiä, osoittivat, että vaikka Zr tarjoaa vähemmän α-jalostusta kuin Mo, se edistää silisidin saostumista vähentämällä nukleaatioesteitä.

Sn vahvistaa kiinteää liuosta muuttamatta merkittävästi faasin stabiilisuutta. Korkean lämpötilan seoksissa (Ti-6242, Ti-1100) Sn edistää virumisvastusta kiinteiden liuosvaikutusten ja muuntamalla silisidisaostumiskäyttäytymistä.

   Jatkuu...

Ota yhteyttä nyt