Titano lydiniai užima unikalią vietą konstrukcinėse medžiagose. Grynas titanas, nepaisant puikaus atsparumo korozijai ir biologinio suderinamumo, pasižymi tik vidutinio stiprumo (maždaug 240–550 MPa tempimo stipriu). Titano pavertimas iš komerciškai gryno metalo į didelio -našumo inžinerinę medžiagą-, galinčią pasiekti 1500+ MPa takumo ribą-, visiškai priklauso nuo jo sąveikos su legiruojančiais elementais iš visos periodinės lentelės.
Skirtingai nuo plieno ar aliuminio lydinių, kur stiprinimo mechanizmai dažnai remiasi siauru elementų rinkiniu, titanas yra neįprastai platus legiravimo vaizdas. Daugiau nei 60 elementų reikšmingai keičia titano fazių pusiausvyrą, transformacijos kinetiką ir mechaninį atsaką. Šie elementai nėra pasirinkti atsitiktinai; jų vaidmenis lemia esminis kristalografinis suderinamumas, elektroninė struktūra ir jų padėtis titano atžvilgiu periodinėje lentelėje.
Šiame straipsnyje pateikiama sisteminė analizė, kaip ši „kelių{0}}elementų partnerio“ šeima įgalina našumą „pagal poreikį tinkinti“-nuo Al-V derinio, dominuojančio kosminėje erdvėje, iki ugniai atsparių metalų priedų, kurių eksploatavimo temperatūra viršija 600 laipsnių.
Metalurgijos sistema: kodėl titanas reaguoja į tiek daug elementų
1.1 Allotropinė transformacija kaip projektavimo kintamasis
Titano universalumas kyla dėl jo alotropinės transformacijos. Žemiau 882 laipsnių grynas titanas kristalizuojasi šešiakampėje sandarioje -supakuotoje (HCP) struktūroje, pažymėtoje -Ti. Virš šios temperatūros jis virsta kūno -centruotu kubu (BCC) -Ti .
Šią transformacijos temperatūrą-ir kiekvienos fazės stabilumą-labai pakeičia legiravimo priedai. Elementai, didinantys -transuso temperatūrą, išplečia -fazės lauką ir yra vadinami -stabilizatoriais. Elementai, mažinantys -transuso temperatūrą, išplečia -fazės lauką ir yra vadinami -stabilizatoriais . Trečioji kategorija, neutralūs elementai, turi minimalų poveikį transformacijos temperatūrai.
Ši fazės stabilumo sistema leidžia atlikti mikrostruktūrų inžineriją įvairiose skalėse: pirminio grūdelių dydžio, antrinio sluoksnio storio, grūdelių morfologijos ir intermetalinių junginių pasiskirstymo.
1.2 Klasifikavimo sistema
Remiantis jų sąveika su titano alotropine transformacija, legiravimo elementai skirstomi į keturias funkcines kategorijas:
| Kategorija | Elementai |
Poveikis -Transus |
Tipiškas koncentracijos diapazonas |
| -stabilizatoriai | Al, Ga, Ge, B, O, N, C | Padidinti |
l: 2–7 masės %; O: 0,1–0,3 masės % |
| -stabilizatoriai (izomorfiniai) | Mo, V, Nb, Ta, W | Sumažėti |
V: 2–15 masės %; Nb: 10–40 masės % |
| -stabilizatoriai (eutektoidai) | Fe, Cr, Ni, Cu, Si, H | Sumažėti |
V: 2–15 masės %; Nb: 10–40 masės % |
| Neutralūs elementai | Zr, Hf, Sn | Minimalus pokytis |
Zr: 1–8 masės %; Sn: 2–5 masės % |
1 paveiksle pavaizduotos dvejetainės fazės diagramos charakteristikos kiekvienai kategorijai, parodančios, kaip legiravimo priedai keičia fazių ribas ir įgalina skirtingus mikrostruktūrinius rezultatus.
-Stabilizatoriai: stiprumo ir oksidacijos fondas
2.1 Aliuminis: universalus stiprintuvas
Aliuminis yra plačiausiai naudojamas titano legiravimo elementas, kurio yra beveik visuose komerciniuose lydiniuose nuo Ti-6Al-4V iki aukštos temperatūros beveik lydinių. Jo dominavimas kyla dėl kelių indėlių:
· Kieto tirpalo stiprinimas: Al pirmiausia ištirpsta -fazėje, užimdamas pakaitines vietas HCP gardelės viduje. Tai sukuria du stiprinimo efektus: (1) gardelės iškraipymas, padidinantis atsparumą dislokacijos judėjimui, ir (2) -fazių sudėjimo gedimo energijos modifikavimas.
· Tankio sumažinimas: 2,7 g/cm³ Al žymiai sumažina lydinio tankį. Kiekvienas 1 masės % Al priedas sumažina tankį maždaug 1,5 %, tai yra esminis pranašumas aviacijos ir kosmoso reikmėms, kai specifinis stiprumas lemia komponento dizainą.
· Sutvarkymo potencialas: kai koncentracija viršija maždaug 8 masės %, Al skatina tvarkingų ₂ (Ti3Al) nuosėdų susidarymą. Nors jie gali sutrupinti lydinį, jei yra stambiai pasiskirstę, kontroliuojami krituliai suteikia papildomų sustiprinimo būdų.
Naujausias Huang ir kt. darbas. parodė, kad Al priedai iš esmės keičia titano dislokacijos elgesį. Dvejetainiuose Ti-6Al lydiniuose Al slopina deformacijų susiliejimą ir pakeičia kritinį išspręstą šlyties įtempį (CRSS) kelioms slydimo sistemoms. Šis sutvirtinimas susijęs su kompromisu: nors takumo riba didėja, plastiškumas ir atsparumas smūgiams paprastai mažėja.
2.2 Intersticiniai stiprintuvai: deguonis, azotas, anglis
Deguonis, azotas ir anglis užima intersticines vietas titano gardelės viduje, todėl esant mažoms koncentracijoms susidaro išskirtinai efektyvus stiprinimas. Kiekvienas 0,1 masės % O padidina takumo ribą maždaug 150–200 MPa.
· Deguonis: kaip dažniausiai pasitaikantis tarpinis pranešimas, O yra ir stiprinimo galimybė, ir taršos problema. Deguonis stabilizuoja -fazę, pakelia -transuso temperatūrą ir labai sustiprina kietą tirpalą. Tačiau, viršijant maždaug 0, 3–0, 4 masės % O, slopinamas plastinės deformacijos mechanizmas, sukeliamas didelis trapumas.
·Azotas: naujausi pažanga persvarstė N vaidmenį. Zhang ir kt. parodė, kad kontroliuojami N priedai (0,17–0,40 masės%) kartu su grūdelių ribų inžinerija gali sukurti išskirtinius stiprumo -plastiškumo derinius. Jų Ti-1800 lydinys (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N) pasiekė 1800 MPa takumo ribą dėl hierarchinės pirminių, antrinių ir itin smulkių Widmanstätten nuosėdų struktūros.
·Anglis: 0,05–0,2 masės % C priedai skatina TiC susidarymą. Šie karbidai atlieka dvi funkcijas: (1) sutvirtina grūdelių ribas apdorojant aukštoje -temperatūroje, patobulina galutinę mikrostruktūrą ir (2) veikia kaip nevienalytės branduolių susidarymo vietos krituliams. Gauta mikrostruktūra rodo smulkesnius grūdelius ir atsitiktines juostos orientacijas.
2.3 Boras: grūdų rafinavimo agentas
Mikro legiravimas su B (0,01–0,2 masės%) sukuria TiB ūsus, kurie iš esmės patobulina ankstesnį grūdelių dydį. TA6.5 lydiniuose 0,2 masės % B pakeitė mikrostruktūrą iš stambaus Widmanstätten į rafinuotą krepšelio{5}}pynimo morfologiją, sumažindamas kolonijos dydį ir pagerindamas kambario temperatūrą ir 650 laipsnių tempimo savybes.
Tęsiama...
