Al, V, Nb, Ta… Több-Titánötvözetek elem partneratlasza: Hogyan érik el az 60+ elemek teljesítményt az -igény szerinti testreszabással?(I)

A titánötvözetek egyedülálló helyet foglalnak el a szerkezeti anyagokban. A tiszta titán kiváló korrózióállósága és biokompatibilitása ellenére csak mérsékelt szilárdságot kínál (kb. 240-550 MPa szakítószilárdság). A titán átalakulása kereskedelmileg tiszta fémből nagy -teljesítményű mérnöki anyaggá-, amely 1500+ MPa folyáshatárra- képes, teljes mértékben a periódusos rendszerből származó ötvözőelemekkel való kölcsönhatásában rejlik.

Ellentétben az acél- vagy alumíniumötvözetekkel, ahol az erősítő mechanizmusok gyakran egy szűk elemkészletre támaszkodnak, a titán szokatlanul széles ötvözési környezetet képvisel. Több mint 60 elem jelentősen módosítja a titán fázisegyensúlyát, transzformációs kinetikáját és mechanikai reakcióját. Ezeket az elemeket nem véletlenszerűen választják ki; szerepüket az alapvető krisztallográfiai kompatibilitás, az elektronszerkezet, valamint a periódusos rendszerben elfoglalt titánhoz viszonyított helyzetük határozza meg.

Ez a cikk szisztematikus vizsgálatot ad arról, hogy ez a „több{0}}elemes partner” család hogyan teszi lehetővé a teljesítmény „igény szerinti testreszabását”- az Al-V kombinációtól, amely a domináns repülőgép-alkalmazásokban van, a tűzálló fémadalékokig, amelyek az üzemi hőmérsékletet 600 fok fölé emelik.

A titán sokoldalúsága allotróp átalakulásából ered. 882 fok alatt a tiszta titán hatszögletű zárt -csomagolt (HCP) szerkezetben kristályosodik ki, amelyet -Ti-nek nevezünk. Ezen hőmérséklet felett test{5}}központú köbökké (BCC) -Ti alakul át.

Ezt az átalakulási hőmérsékletet-és az egyes fázisok stabilitását-az ötvöző adalékok jelentősen megváltoztatják. A -transzus hőmérsékletét növelő elemek kiterjesztik a -fázismezőt, és -stabilizátoroknak nevezik őket. Azok az elemek, amelyek csökkentik a -transzus hőmérsékletét, kiterjesztik a -fázismezőt, és -stabilizátoroknak nevezik őket. A harmadik kategória, a semleges elemek minimális hatást gyakorolnak az átalakulási hőmérsékletre.

Ez a fázisstabilitási keret lehetővé teszi a mikroszerkezeti tervezést több skálán: elsődleges szemcseméret, másodlagos lécvastagság, szemcsemorfológia és intermetallikus vegyületek eloszlása.

A titán allotróp átalakulásával való kölcsönhatásuk alapján az ötvözőelemek négy funkcionális kategóriába sorolhatók:

Az 1. ábra szemlélteti az egyes kategóriák bináris fázisdiagram-jellemzőit, bemutatva, hogy az ötvözőadalékok hogyan alakítják át a fázishatárokat, és hogyan tesznek lehetővé különböző mikroszerkezeti eredményeket.

Az alumínium a titán legszélesebb körben használt ötvözőeleme, amely szinte minden kereskedelmi forgalomban kapható ötvözetben megtalálható, a Ti-6Al-4V-tól a magas hőmérsékletű, közel ötvözetekig. Dominanciája több hozzájárulásból fakad:

·Szilárd oldat erősítése: Az Al elsősorban a -fázisban oldódik, helyettesítő helyeket foglalva el a HCP-rácson belül. Ez két erősítő hatást eredményez: (1) a rácstorzítás, amely növeli a diszlokációs mozgással szembeni ellenállást, és (2) a -fázis halmozási hiba energiájának módosítása.

· Sűrűségcsökkentés: 2,7 g/cm³ mellett az Al jelentősen csökkenti az ötvözet sűrűségét. Minden 1 tömeg% Al-adagolás körülbelül 1,5%-kal csökkenti a sűrűséget, ami kritikus előny az űrrepülési alkalmazásoknál, ahol a fajlagos szilárdság határozza meg az alkatrész tervezését.

· Rendezési potenciál: Kb. 8 tömeg%-ot meghaladó koncentrációban az Al elősegíti a rendezett 2 (Ti3Al) csapadék képződését. Bár ezek rideggé tehetik az ötvözetet, ha durván eloszlanak, a szabályozott csapadék további erősítő utakat kínál.

Huang és munkatársai legújabb munkái. kimutatták, hogy az Al-adalékok alapvetően megváltoztatják a titán diszlokációs viselkedését. A bináris Ti-6Al ötvözetekben az Al elnyomja a deformáció ikerkeverését, és módosítja a kritikus oldott nyírófeszültséget (CRSS) több csúszási rendszer esetén. Ez az erősítés kompromisszumokkal jár: miközben a folyáshatár nő, a hajlékonyság és az ütésállóság jellemzően csökken.

Az oxigén, a nitrogén és a szén a titánrácson belüli intersticiális helyeket foglalják el, és alacsony koncentrációknál kivételesen hatékony erősítést eredményeznek. Minden 0,1 tömeg% O körülbelül 150-200 MPa-val növeli a folyáshatárt.

·Oxigén: A leggyakoribb közbeiktatott anyagként az O egyben erősítő lehetőség és szennyeződési aggodalomra ad okot. Az oxigén stabilizálja a -fázist, megemeli a -transzus hőmérsékletét, és jelentős szilárd oldat erősítést biztosít. Körülbelül 0,3–0,4 tömeg% O túllépése azonban súlyos ridegséget idéz elő a képlékeny deformációs mechanizmusok elnyomása révén.

·Nitrogén: A közelmúltbeli fejlesztések újragondolták N szerepét. Zhang és mtsai. kimutatták, hogy a szabályozott N-adagolás (0,17–0,40 tömeg%) szemcsehatár-tervezéssel kombinálva kivételes szilárdság-{4}}hajlékonysági kombinációkat eredményezhet. Ti-1800-as ötvözetük (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N) 1800 MPa folyáshatárt ért el az elsődleges, másodlagos és ultrafinom-Widmanstätten csapadékok hierarchikus szerkezete révén.

· Szén: 0,05–0,2 tömeg% C hozzáadása elősegíti a TiC képződését. Ezek a karbidok kettős funkciót látnak el: (1) szemcsehatárok rögzítése a magas hőmérsékletű feldolgozás során, finomítják a végső mikrostruktúrát, és (2) heterogén gócképző helyként működnek a kicsapódáshoz. Az így létrejövő mikrostruktúra finomabb szemcséket és véletlenszerűbb lécorientációt mutat.

A B-vel (0,01–0,2 tömeg%) mikroötvözéssel TiB borostyánok keletkeznek, amelyek lényegesen finomítják a korábbi szemcseméretet. A TA6.5 ötvözetekben a 0,2 tömeg% B a durva Widmanstätten mikrostruktúrát finomított kosár{5}}szövésűvé alakította, csökkentve a telepek méretét, és javítva a szobahőmérsékletet és a 650 fokos szakítószilárdságot egyaránt.

 Folytatás...

Lépjen kapcsolatba most