Al, V, Nb, Ta… Atlas stopów tytanu składający się z wielu-elementów: w jaki sposób elementy 60+ zapewniają wydajność na-dostosowaniu na żądanie?(Ⅱ)

Izomorficzne stabilizatory β- mają taką samą strukturę krystaliczną tytanu BCC i wykazują całkowitą rozpuszczalność w postaci stałej w fazie β-. Te pierwiastki-Mo, V, Nb, Ta, W-tworzą szkielet stopów α+β i β-tytanu.

V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50% światowego zużycia tytanu. Dodatki V w ilości 4% wag. obniżają β-transus wystarczająco, aby umożliwić utworzenie mikrostruktury dwu-fazowej z około 10–50% fazy β-w temperaturze pokojowej.

V zapewnia kilka krytycznych funkcji:

Retencja β: Umożliwia kontrolę mikrostruktury poprzez obróbkę cieplną

Wytrzymałość bez kruchości: W przeciwieństwie do wzmocnień śródmiąższowych, V utrzymuje ciągliwość, przyczyniając się jednocześnie do wzmocnienia roztworu stałego

Możliwość obróbki: dwu-fazowa mikrostruktura zapewnia optymalną równowagę między podatnością na obróbkę na gorąco i końcowymi właściwościami mechanicznymi

Mo jest w przybliżeniu dwa razy skuteczniejszy niż V w stabilizowaniu fazy β-, co określa się ilościowo za pomocą koncepcji równoważności molibdenu ([Mo]eq). Każdy 1% wag. Mo zapewnia β-moc stabilizującą równoważną w przybliżeniu 2% wag. V.

Kontrola fazy: W stopach takich jak Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,2Si (stosowanych w wysokowytrzymałych elementach złącznych w przemyśle lotniczym) Mo umożliwia całkowitą retencję β podczas hartowania, po której następuje kontrolowane wytrącanie α podczas starzenia.

Odporność na korozję: Dodatki Mo zwiększają pasywność w redukujących środowiskach kwaśnych. Stopy Ti-Mo tworzą pasywne warstwy zawierające MoO₃ zmieszane z TiO₂, zapewniające doskonałą stabilność w roztworach HCl w porównaniu z niestopowym tytanem.

Najnowsze osiągnięcia: Zhang i in. wykazali, że stopy zawierające Mo-z kontrolowanymi dodatkami N osiągają wyjątkowe właściwości dzięki heterogenicznym strukturom lamelowym. Ich stop Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N osiągnął granicę plastyczności 1532 MPa przy równomiernym wydłużeniu 10,2%, co plasuje go wśród najlepszych kombinacji zgłoszonych dla stopów tytanu.

Nb i Ta zyskały na znaczeniu w zastosowaniach biomedycznych, gdzie-niezbędna jest długoterminowa biokompatybilność. W przeciwieństwie do V, który budzi obawy związane z cytotoksycznością, Nb i Ta są fizjologicznie obojętne.

Konstrukcja o niskim module: dodatki Nb umożliwiają tworzenie stopów β-tytanu o modułach sprężystości poniżej 50 GPa-zbliżonych do 10–30 GPa kości i znacznie poniżej 110 GPa Ti-6Al-4V. Przykładem tego podejścia są stopy Ti-35Nb-7Zr-5Ta, łączące Nb z Zr i Ta w celu zmniejszenia osłony naprężeniowej w implantach ortopedycznych.

Wzmocnienie warstwy pasywnej: Tlenki Nb i Ta włączają się do powierzchniowej warstwy pasywnej, zwiększając jej stabilność i odporność na korozję. W środowiskach zawierających chlorki-modyfikowane Nb{2}}folie pasywne wykazują zmniejszoną gęstość defektów punktowych i zwiększoną odporność na miejscowe przebicie.

Ostatnie systematyczne badania Gautiera i in. zbadał dodatki W, Ta i Hf do-zastosowań wysokotemperaturowych. Po 5000 godzinach ekspozycji na powietrze w temperaturze 650°C, W wykazał najbardziej wyraźną redukcję kinetyki utleniania.

Mechanizm: W sprzyja tworzeniu się Ti₂N na granicy faz tlenek/metal, tworząc warstwę bogatą w azot-, która ogranicza rozpuszczanie tlenu w stopie w masie. Trójskładnikowy stop Ti-10Al-2W (w%) przewyższał dostępny na rynku stop wysokotemperaturowy Ti6242S pod względem odporności na utlenianie.

Kompromis: W jest gęsty (19,3 g/cm3), a ciężkie dodatki negują przewagę tytanu w zakresie gęstości. Wyzwanie polega na określeniu stężeń minimalnych (zwykle<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.

Eutektoidy-elementy tworzące-Fe, Cr, Ni, Cu, Si-również obniżają transus β-, ale różnią się od stabilizatorów izomorficznych zdolnością do tworzenia związków międzymetalicznych w wyniku rozkładu eutektoidów.
 

Fe jest silnym i niedrogim β-stabilizatorem. Jego duża szybkość dyfuzji umożliwia szybką reakcję na obróbkę cieplną, ale także sprzyja segregacji podczas krzepnięcia. Stopy zawierające Fe-wymagają starannego przetwarzania, aby uniknąć β-plamkowania-zlokalizowanych obszarów wzbogaconego β-stabilizatora, które powodują nie-jednorodne właściwości mechaniczne.
 

Dodatki Si w ilości 0,1–0,5% wag. są standardem w stopach prawie-α-wysokotemperaturowych (np. Ti-6242S, IMI 834). Si zapewnia dwie korzyści:

Wzmocnienie w roztworze stałym: Si w roztworze utrudnia wznoszenie dyslokacyjne w podwyższonych temperaturach

Wytrącanie krzemku: Drobne (Ti, Zr)₅Si₃ wytrącają granice i podgranice ziaren szpilki,-opóźniając deformację pełzania

Niedawna praca Gautiera i in. potwierdzili, że Si w połączeniu z pierwiastkami ogniotrwałymi zapewnia synergiczną poprawę zarówno odporności na pełzanie, jak i utlenianie w temperaturze 600–650°C.
 

Zr, Hf i Sn wywierają minimalny wpływ na temperaturę β-transusu, ale zapewniają znaczne wzmocnienie roztworu stałego zarówno w fazie α, jak i β.

Zr jest całkowicie mieszalny z Ti zarówno w fazie α, jak i β,-jest to unikalna cecha wynikająca z ich pozycji w grupie IVB układu okresowego. Ta całkowita rozpuszczalność umożliwia:

Wzmocnienie bez niestabilności fazowej: Dodatki Zr zwiększają wytrzymałość dzięki mechanizmom stałego roztworu bez zmiany równowagi fazowej, upraszczając konstrukcję stopu.

Wzmocnienie korozji: w środowisku morskim stopy zawierające Zr-tworzą bardziej stabilne powłoki pasywne. ZrO₂ włącza się do warstwy TiO₂, zmniejszając stężenie wolnych miejsc tlenu i zwiększając odporność na atak chlorków.

Ostatnie odkrycia: Badania stopów Ti575 (Ti-5Al-7,5V-0,5Si) porównujące dodatki Mo i Zr wykazały, że chociaż Zr zapewnia mniejsze rozdrobnienie α niż Mo, sprzyja wytrącaniu krzemków poprzez zmniejszenie barier zarodkowania.

Sn zapewnia wzmocnienie roztworu stałego bez znaczącej zmiany stabilności fazowej. W-stopach wysokotemperaturowych (Ti-6242, Ti-1100) Sn zwiększa odporność na pełzanie poprzez działanie roztworu stałego i modyfikację wytrącania się krzemku.

   Kontynuacja...

Skontaktuj się teraz