Al, V, Nb, Ta… Več{0}}elementni partnerski atlas titanovih zlitin: Kako 60+ elementi dosegajo učinkovitost pri-prilagajanju na zahtevo? (Ⅱ)

Izomorfni β-stabilizatorji imajo skupno BCC kristalno strukturo titana in kažejo popolno trdno topnost v β-fazi. Ti elementi-Mo, V, Nb, Ta, W-tvorijo hrbtenico α+β in β-titanovih zlitin.

V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50 % svetovne porabe titana. V dodatki 4 masnih % dovolj zmanjšajo β-transus, da omogočijo dvo-fazne mikrostrukture s približno 10–50 % β-faze pri sobni temperaturi.

V ponuja več kritičnih funkcij:

Zadrževanje β: Omogoča mikrostrukturni nadzor s toplotno obdelavo

Trdnost brez krhkosti: V nasprotju z intersticijskimi utrditvami V ohranja duktilnost, hkrati pa prispeva h krepitvi trdne raztopine

Možnost izdelave: dvo{0}}fazna mikrostruktura ponuja optimalno ravnotežje med vročo obdelavo in končnimi mehanskimi lastnostmi

Mo je približno dvakrat bolj učinkovit kot V pri stabilizaciji β-faze, kvantificirano s konceptom ekvivalence molibdena ([Mo]eq). Vsak 1 masni % Mo zagotavlja β-stabilizacijsko moč, enakovredno približno 2 masnim % V .

Nadzor faze: v zlitinah, kot je Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,2Si (ki se uporablja za pritrdilne elemente visoke trdnosti v vesolju), Mo omogoča popolno zadrževanje β pri kaljenju, čemur sledi nadzorovano obarjanje α med staranjem.

Odpornost proti koroziji: dodatki Mo povečajo pasivnost v reducirajočih kislinskih okoljih. Zlitine Ti-Mo tvorijo pasivne filme, ki vsebujejo MoO₃, pomešan s TiO₂, kar zagotavlja večjo stabilnost v raztopinah HCl v primerjavi z nelegiranim titanom.

Nedavni napredek: Zhang et al. dokazali, da zlitine, ki vsebujejo Mo-, z nadzorovanimi dodatki N dosegajo izjemne lastnosti s pomočjo heterogenih lamelnih struktur. Njihova zlitina Ti-2,8Cr-4,5Zr-5,2Al-0,4N je dosegla mejo tečenja 1532 MPa z 10,2-odstotnim enakomernim raztezkom, kar jo uvršča med najboljše kombinacije, poročane za titanove zlitine.

Nb in Ta sta postala pomembna v biomedicinskih aplikacijah, kjer je bistvena-dolgoročna biokompatibilnost. Za razliko od V, ki vzbuja pomisleke glede citotoksičnosti, sta Nb in Ta fiziološko inertna.

Zasnova z nizkim modulom: dodatki Nb omogočajo β-titanove zlitine z elastičnimi moduli pod 50 GPa-, ki se približajo 10–30 GPa kosti in daleč pod 110 GPa Ti-6Al-4V. Zlitine Ti-35Nb-7Zr-5Ta ponazarjajo ta pristop, saj združujejo Nb z Zr in Ta za zmanjšanje napetostne zaščite v ortopedskih vsadkih.

Izboljšanje pasivnega filma: Nb in Ta oksidi se vključijo v površinski pasivni film, kar poveča njegovo stabilnost in odpornost proti koroziji. V okoljih,-ki vsebujejo klorid, Nb-modificirani pasivni filmi kažejo zmanjšano gostoto točkastih napak in povečano odpornost na lokalizirano razgradnjo.

Nedavne sistematične študije Gautierja et al. preučil dodatke W, Ta in Hf za-aplikacije pri visokih temperaturah. Po 5000 h izpostavljenosti pri 650 °C na zraku je W pokazal najbolj izrazito zmanjšanje kinetike oksidacije.

Mehanizem: W spodbuja tvorbo Ti₂N na vmesniku oksid/kovina, kar ustvarja z dušikom -bogato plast, ki zmanjša raztapljanje kisika v masi zlitine. Ternarna zlitina Ti-10Al-2W (at%) je bila boljša od komercialne visokotemperaturne zlitine Ti6242S glede odpornosti proti oksidaciji.

Kompromis-: W je gost (19,3 g/cm³), težki dodatki pa izničijo prednost titana glede gostote. Izziv je določiti minimalne koncentracije (običajno<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.

Evtektoid-tvorni elementi-Fe, Cr, Ni, Cu, Si-prav tako zavirajo β-transus, vendar se od izomorfnih stabilizatorjev razlikujejo po svoji sposobnosti tvorbe intermetalnih spojin z evtektoidnim razpadom.
 

Fe je močan in poceni β-stabilizator. Njegova hitra stopnja difuzije omogoča hiter odziv na toplotno obdelavo, hkrati pa spodbuja segregacijo med strjevanjem. Zlitine, ki vsebujejo Fe-, zahtevajo skrbno obdelavo, da bi se izognili β-lokaliziranim-območjem obogatenega β-stabilizatorja, ki povzročajo ne-enotne mehanske lastnosti.
 

Dodatki silicija 0,1–0,5 mas. % so standardni v skoraj-α visoko{3}}temperaturnih zlitinah (npr. Ti-6242S, IMI 834). Si prinaša dve prednosti:

Ojačitev trdne raztopine: Si v raztopini ovira vzpenjanje dislokacij pri povišanih temperaturah

Obarjanje silicida: Fini (Ti,Zr)₅Si₃ obarja meje zrn in pod{0}}meje, kar zavira deformacijo pri lezenju

Nedavno delo Gautierja et al. potrdili, da silicij v kombinaciji z ognjevzdržnimi elementi zagotavlja sinergistične izboljšave v odpornosti proti lezenju in oksidaciji pri 600–650 °C.
 

Zr, Hf in Sn imajo minimalen vpliv na β-transus temperaturo, vendar zagotavljajo znatno utrjevanje trdne raztopine v fazah α in β.

Zr se popolnoma meša s Ti v fazah α in β-, kar je edinstvena značilnost, ki izhaja iz njihovih položajev v skupini IVB periodnega sistema. Ta popolna topnost omogoča:

Okrepitev brez fazne nestabilnosti: dodatki Zr povečajo trdnost prek mehanizmov trdne raztopine brez spreminjanja faznega ravnovesja, kar poenostavi oblikovanje zlitine.

Izboljšanje korozije: V morskem okolju zlitine, ki vsebujejo Zr-, tvorijo bolj stabilne pasivne filme. ZrO₂ se vključi v plast TiO₂, zmanjša koncentracijo kisikovih prostih mest in poveča odpornost proti napadu klorida.

Najnovejše ugotovitve: Študije o zlitinah Ti575 (Ti-5Al-7,5V-0,5Si), ki so primerjale dodatke Mo in Zr, so pokazale, da medtem ko Zr zagotavlja manjše prečiščevanje α kot Mo, spodbuja obarjanje silicida z zmanjšanjem nukleacijskih ovir.

Sn zagotavlja utrjevanje trdne raztopine brez bistvenega spreminjanja fazne stabilnosti. Pri visoko{1}}temperaturnih zlitinah (Ti-6242, Ti-1100) Sn prispeva k odpornosti proti lezenju z učinki trdne raztopine in s spreminjanjem obnašanja pri izločanju silicida.

   Nadaljevanje ...

Kontaktirajte zdaj