Al, V, Nb, Ta… Atlas partnera s više-elemenata legura titana: Kako 60+ elementi postižu performanse na-prilagodbi zahtjeva?(Ⅱ)

Izomorfni β-stabilizatori dijele BCC kristalnu strukturu titana i pokazuju potpunu čvrstu topljivost u β-fazi. Ovi elementi-Mo, V, Nb, Ta, W-tvore okosnicu α+β i β-titanovih legura.

V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50% globalne potrošnje titana. Dodaci V od 4 tež.% smanjuju β-transus dovoljno da omoguće dvo-fazne mikrostrukture s približno 10–50% β-faze na sobnoj temperaturi.

V pruža nekoliko kritičnih funkcija:

β zadržavanje: Omogućuje kontrolu mikrostrukture toplinskom obradom

Čvrstoća bez krtosti: Za razliku od međuprostornih ojačanja, V održava duktilnost dok pridonosi ojačavanju čvrste otopine

Mogućnost izrade: dvo{0}}fazna mikrostruktura nudi optimalnu ravnotežu obradivosti u vrućem stanju i konačnih mehaničkih svojstava

Mo je približno dvostruko učinkovitiji od V u stabilizaciji β-faze, kvantificirano pomoću koncepta ekvivalentnosti molibdena ([Mo]eq). Svaki 1 wt% Mo daje β-stabilizirajuću snagu ekvivalentnu približno 2 wt% V .

Kontrola faze: u legurama kao što je Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,2Si (koja se koristi za pričvršćivače visoke čvrstoće u svemiru), Mo omogućuje potpuno β-zadržavanje pri kaljenju, nakon čega slijedi kontrolirano taloženje α tijekom starenja.

Otpornost na koroziju: dodaci Mo povećavaju pasivnost u redukcijski kiselim sredinama. Ti-Mo legure tvore pasivne filmove koji sadrže MoO₃ pomiješan s TiO₂, pružajući vrhunsku stabilnost u otopinama HCl u usporedbi s nelegiranim titanijem.

Nedavni napredak: Zhang et al. pokazao je da legure koje sadrže Mo- s kontroliranim dodacima dušika postižu iznimna svojstva putem heterogenih struktura lamela. Njihova legura Ti-2,8Cr-4,5Zr-5,2Al-0,4N postigla je granicu razvlačenja od 1532 MPa s 10,2% ravnomjernog istezanja, što ju je svrstalo među najbolje kombinacije zabilježene za legure titana.

Nb i Ta postali su istaknuti u biomedicinskim primjenama gdje je dugoročna biokompatibilnost ključna. Za razliku od V, koji izaziva zabrinutost zbog citotoksičnosti, Nb i Ta su fiziološki inertni.

Dizajn s niskim modulom: dodaci Nb omogućuju β-legure titana s modulima elastičnosti ispod 50 GPa-približujući se koštanom 10–30 GPa i daleko ispod 110 GPa Ti-6Al-4V. Ti-35Nb-7Zr-5Ta legure primjer su ovog pristupa, kombinirajući Nb sa Zr i Ta kako bi se smanjila zaštita od naprezanja u ortopedskim implantatima.

Poboljšanje pasivnog filma: Nb i Ta oksidi se ugrađuju u površinski pasivni film, povećavajući njegovu stabilnost i otpornost na koroziju. U okruženjima koja-sadrže klorid, Nb-modificirani pasivni filmovi pokazuju smanjenu gustoću točkastih defekata i povećanu otpornost na lokalizirani kvar.

Nedavne sustavne studije Gautiera i sur. ispitivao je dodatke W, Ta i Hf za primjene na visokim-temperaturama. Nakon 5000 sati izlaganja na 650°C na zraku, W je pokazao najizraženije smanjenje kinetike oksidacije.

Mehanizam: W potiče stvaranje Ti₂N na granici oksid/metal, stvarajući sloj-bogat dušikom koji smanjuje otapanje kisika u masi legure. Ternarna legura Ti-10Al-2W (at%) nadmašila je komercijalnu leguru za visoke temperature Ti6242S u otpornosti na oksidaciju.

Kompromis-: W je gust (19,3 g/cm³), a teški dodaci negiraju prednost titana u gustoći. Izazov leži u identificiranju minimalnih koncentracija (obično<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.

Elementi-koji tvore eutektoide-Fe, Cr, Ni, Cu, Si-također potiskuju β-transus, ali se razlikuju od izomorfnih stabilizatora po svojoj sposobnosti stvaranja intermetalnih spojeva eutektoidnom razgradnjom.
 

Fe je moćan i jeftin β-stabilizator. Njegova velika brzina difuzije omogućuje brzi odgovor na toplinsku obradu, ali također potiče segregaciju tijekom skrućivanja. Legure koje sadrže Fe- zahtijevaju pažljivu obradu kako bi se izbjegle β-flekaste-lokalizirane regije obogaćenog β-stabilizatora koji proizvode ne-ujednačena mehanička svojstva.
 

Dodaci silicija od 0,1–0,5 tež. % standardni su u legurama pri blizu-α visokim-temperaturama (npr. Ti-6242S, IMI 834). Si donosi dvije prednosti:

Ojačanje čvrste otopine: Si u otopini sprječava penjanje dislokacija na povišenim temperaturama

Taloženje silicida: Fini (Ti,Zr)₅Si₃ taloži granice i pod-granice zrna, usporavajući deformaciju puzanja

Nedavni rad Gautier et al. potvrdio je da silicij, u kombinaciji s vatrostalnim elementima, osigurava sinergistička poboljšanja otpornosti na puzanje i oksidaciju na 600–650°C.
 

Zr, Hf i Sn imaju minimalan utjecaj na β-transus temperaturu, ali osiguravaju značajno jačanje čvrste otopine u α i β fazama.

Zr se potpuno miješa s Ti u α i β fazi-jedinstvena karakteristika koja proizlazi iz njihovog položaja u skupini IVB periodnog sustava elemenata. Ova potpuna topljivost omogućuje:

Ojačanje bez fazne nestabilnosti: dodaci Zr povećavaju čvrstoću kroz mehanizme čvrste otopine bez mijenjanja fazne ravnoteže, pojednostavljujući dizajn legure.

Poboljšanje korozije: U morskom okruženju, legure koje sadrže Zr- stvaraju stabilnije pasivne filmove. ZrO₂ ugrađuje se u sloj TiO₂, smanjujući koncentraciju slobodnih mjesta kisika i povećavajući otpornost na napad klorida.

Najnovija otkrića: Studije o legurama Ti575 (Ti-5Al-7,5V-0,5Si) uspoređujući dodatke Mo i Zr pokazale su da, iako Zr pruža manje α pročišćavanja od Mo, potiče taloženje silicida smanjujući barijere nukleacije.

Sn osigurava jačanje čvrste otopine bez značajnog mijenjanja stabilnosti faze. U-legurama za visoke temperature (Ti-6242, Ti-1100), Sn doprinosi otpornosti na puzanje kroz učinke čvrste otopine i modificiranjem ponašanja taloženja silicida.

   Nastavak...

Kontaktirajte odmah