Как различните елементи влияят на титана?

Чистият титан има добра пластичност, но ниска якост и слаба топлоустойчивост, поради което не успява да отговори на високите -изисквания на аерокосмическата промишленост, медицинските грижи, морското инженерство и други области. Чрез добавяне на различни легиращи елементи, микроструктурата и свойствата на титана могат да бъдат прецизно регулирани, за да се образуват титанови сплави с превъзходна производителност.

 

Ключът къмтитанови сплависе крие в използването на алотропната трансформация на титана при 882 градуса. Посредством три вида легиращи елементи- -стабилизиращи елементи, -стабилизиращи елементи и неутрални елементи-съотношението на и фазите се регулира, за да се персонализират свойства като здравина, топлоустойчивост и издръжливост, като по този начин отговарят на строгите изисквания за обслужване в различни области.

 

 

 

-стабилизиращите елементи функционират главно за повишаване на -трансус температурата на титана и разширяване на -фазовия регион, което позволява на сплавта да поддържа стабилна структура при стайна и висока температура, като по този начин подобрява-високотемпературната якост, устойчивостта на корозия и заваряемостта.

 

Алуминият е най-критичният -стабилизиращ елемент и се съдържа в почти всички титанови сплави, известен като „усилвател на сърцевината“. Повишава здравината чрез укрепване на твърдия разтвор и постига лек дизайн поради ниската си плътност (2,7g/cm³). Въпреки това, съдържание на алуминий, надвишаващо 7% тегловни, има тенденция да образува крехка Ti₃Al фаза и да намали пластичността, така че обикновено се контролира на 5%–6%.

 

Борът, кислородът и азотът също принадлежат към -стабилизиращите елементи. Борът е като "витамин". Следи от количество могат да рафинират зърната и да подобрят обработваемостта. Кислородът и азотът могат да укрепят титана, но драстично да намалят неговата пластичност, което ги прави примеси, които изискват строг контрол. Контролът на съдържанието на водород е необходим по време на топенето, за да се предотврати водородната крехкост.

 

 

Противно на -стабилизиращите елементи, -стабилизиращите елементи понижават -температурата на трансус и разширяват -фазовия регион, което позволява на сплавта да запази стабилна фаза след охлаждане. Те значително подобряват здравината чрез третиране с разтвор и стареене, като същевременно осигуряват пластичност, издръжливост и обработваемост. Те са разделени на две категории: изоморфни и евтектоидни -стабилизиращи елементи.

 

Изоморфни -стабилизиращи елементи

Молибденът има забележителен укрепващ ефект, подобрява устойчивостта при стайна/висока-температура, закаляването и термичната стабилност и се използва широко в титанови сплави при високи-температури.

 

Ванадият образува Ti6Al4V с титан и алуминий, което представлява повече от 50% от пазара на титанови сплави. Тази сплав има висока якост, устойчивост на корозия и заваряемост и се прилага в космическото, корабостроенето и други области.

 

Ниобият упражнява лек укрепващ ефект и значително подобрява пластичността и здравината, което го прави обичаен избор за медицински титанови сплави.

Танталът има слаб укрепващ ефект и висока плътност, подобрява устойчивостта на окисление и корозия и се използва само в малки количества в-сплави от висок клас.

 

Евтектоидни -стабилизиращи елементи

Хромът предлага висока якост и висока пластичност. Може да бъде подсилен чрез термична обработка и се използва в -структурни компоненти с висока якост.

 

Желязото, силен -стабилизиращ елемент с ниска цена, може да замени ванадия, но има слаба термична стабилност и е склонно към сегрегация.

 

Силицият, добавка в следи, може да подобри термичната якост и топлоустойчивостта и се използва най-вече във високо{0}}температурни компоненти на авио-двигатели.

 

 

Неутралните елементи имат малък ефект върху -трансус температурата на титана. Техният атомен размер и свойства са близки до тези на титана, което позволява безкраен твърд разтвор в двете фази. Те основно балансират характеристиките на сплавта и подобряват висока-температурна якост, без да променят основните характеристики на титана. Цирконият и калайът са най-често използваните.

 

Цирконият има изключително сходни свойства с титана, със слаб укрепващ ефект при стайна-температура, но може значително да подобри термичната якост и стабилност при високи температури и се използва широко в титанови сплави при високи-температури.

Калайът има още по-слаб ефект на укрепване на стайната{0}}температура и може да подобри термичната якост. Когато се комбинира с алуминий, той може допълнително да оптимизира ефективността при високи-температури.

 

 

При практически приложения един елемент трудно може да отговори на изискванията на сложни условия на работа. Повечето практични титанови сплави приемат много-елементен синергичен дизайн за постигане на допълнителни предимства чрез прецизно пропорциониране.

Ti6Al4V е класически представител. Комбиниран с алуминий и ванадий, той образува +дуплексна структура, интегрираща здравина, пластичност, издръжливост и заваряемост.

 

Високотемпературните титанови сплави, например Ti60 и Ti65, постигат синергия чрез елементи, включително алуминий, цирконий и молибден, с добавяне на редкоземни елементи. Те могат да се използват над 600 градуса, нарушавайки чуждия технологичен монопол.

 

Медицинската сплав Ti29Nb13Ta4.6Zr се състои главно от -стабилизиращи елементи като ниобий и тантал. Има модул на еластичност, близък до този на човешките кости и отлична биосъвместимост и се използва широко в импланти като изкуствени стави и костни нокти.

Сплави като IMI834 и Ti1100 за ави-двигатели се отличават с прецизно съотношение на алуминий, калай, молибден и силиций, запазвайки отлична устойчивост на пълзене при 600 градуса и са ключови материали за лопатките и дисковете на компресора.