Legura titanijuma: šest glavnih osobina koje bi inženjeri trebali znati

Šta definiše leguru titanijuma

Titanijumska legura je titan legiran elementima kao što su aluminijum, vanadijum, molibden, kalaj i cirkonijum za podešavanje čvrstoće, otpornosti na puzanje i korozivnog ponašanja. Kontrola nečistoća je centralna: kiseonik, azot, ugljenik i vodonik su međuprostorni elementi čiji sadržaj, specificiran kao maksimum u ASTM B265 i GB/T 3621, pomera ravnotežu između čvrstoće i duktilnosti. Šest svojstava dominira inženjerskim odlukama, a svaka nosi posljedicu dizajna.

1. Visoka specifična čvrstoća

Legure titana imaju gustinu od oko 4,43-4,51 g/cm3, otprilike 60% čelika, dok visoke{10}}vrste čvrstoće premašuju vlačnu čvrstoću mnogih konstrukcijskih čelika. Ti-6Al-4V u žarenom stanju pokazuje minimalnu vlačnu čvrstoću od 895 MPa i prinos od 828 MPa po ASTM B265. Odnos čvrstoće i gustine je iznad legura aluminijuma i većine čelika, zbog čega se titanijum koristi za delove motora aviona, okvire, omote, pričvršćivače i stajne trape gde je svaki kilogram predviđen u budžetu.

2. Termička čvrstoća

Legure titanijuma zadržavaju korisnu čvrstoću na temperaturama gde legure aluminijuma omekšaju. Alfa-beta legure kao što je Ti-6Al-4V se koriste do oko 350-400 stepeni u dugotrajnom radu, a skoro alfa legure kao što je Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo rade na 450-540 stepeni. Aluminijske legure gube svoju prednost iznad 150 stepeni, pa se komponente kompresora i izduvnih gasova u motorima prelaze na legure titana ili nikla kako se radna temperatura penje.

3. Otpornost na koroziju

Titanijum formira gust, samopopravljajući oksidni film koji pasivizira površinu u oksidirajućem, neutralnom i blago redukujućem mediju. Otporan je na morsku vodu, hloride, dušičnu kiselinu, organske kiseline i lužine bolje od nehrđajućeg čelika u većini hloridnih okruženja, i ne trpi udare udubljenja i pukotina koji ograničavaju austenitni nehrđajući čelik u pomorskoj upotrebi. Film se regeneriše u roku od milisekundi kada je oštećen, zbog čega oprema od titanijuma u hlor-alkalnim postrojenjima i postrojenjima za desalinizaciju radi decenijama. Izuzetak su redukcijski mediji kao što su vruća hlorovodonična ili sumporna kiselina, gdje su specificirane legure koje sadrže paladijum-(Grade 7) ili molibden-nikl (Grade 12).

4. Nisko{1}}Temperaturna žilavost

Za razliku od ugljičnog čelika, titan ne postaje lomljiv na niskim temperaturama. Alfa legure sa niskim sadržajem intersticija, kao što je Ti-5Al-2.5Sn, zadržavaju duktilnost i žilavost do -253 stepena, a titanijum je standardni materijal za kriogene posude, LNG opremu i rezervoare za raketno gorivo. Dizajneri koriste istu porodicu legura na -253 stepeni i na 500 stepeni, što pojednostavljuje kvalifikaciju.

5. Visoka hemijska reaktivnost

Titanijum je hemijski aktivan na povišenoj temperaturi: iznad oko 600 stepeni apsorbuje kiseonik i azot iz vazduha, formirajući tvrdo, krto alfa kućište; Prikupljanje vodonika uzrokuje krtost hidrida. Posljedice za proizvodnju su beton: vruća obrada i zavarivanje zahtijevaju kontroliranu atmosferu ili vakuum, strojna obrada mora ukloniti alfa kućište prije servisiranja, a iskre od brušenja titanijuma mogu se zapaliti. Ova ograničenja, a ne cijena materijala, pokreću veliki dio cijene dijelova od titanijuma.

6. Niska toplotna provodljivost i modul elastičnosti

Titanijum provodi toplotu na oko 15-17 W/(m·K) na sobnoj temperaturi, otprilike jednu-petinu gvožđa i jednu-četrnaestinu aluminijuma, a njegov modul elastičnosti je otprilike polovina od čelika. Niska provodljivost koncentriše reznu toplotu na ivici alata, zahtevajući alate od karbida i rashladno sredstvo; nizak modul znači veći povratni povrat u oblikovanju i manju krutost u vitkim komponentama. Dizajneri kompenziraju geometrijom presjeka umjesto da pretpostavljaju ponašanje poput čelika.

FAQ

Koja je tačka topljenja titanijuma?

Čisti titanijum se topi na 1668 stepeni. Legirajući elementi lagano pomiču solidus; Ti-6Al-4V se topi u rasponu od 1600-1660 stepeni, tako da je praksa topljenja i zavarivanja definisana znatno ispod ovih temperatura.

Zašto je titanijum skup za mašinsku obradu?

Njegova niska toplotna provodljivost zadržava toplinu na oštrici, radi-očvršćava i reaguje sa materijalima alata na visokoj temperaturi. Ovo uzrokuje male brzine rezanja, krute mašine, poplavu rashladnog sredstva i česte izmjene alata.

Da li titanijum korodira u morskoj vodi?

Ne. Pasivni oksidni film čini titanijum efektivno imunim na koroziju morske vode, uključujući napade udubljenja i pukotina na temperaturi okoline, zbog čega je standard za brodske izmenjivače toplote i cevovode na moru.

Šta je alfa kućište u titanijumu?

Alfa kućište je tvrdi površinski sloj obogaćen kiseonikom- i azotom- koji nastaje kada se titanijum zagreje na vazduhu iznad otprilike 600 stepeni. Krt je i mora se ukloniti mašinskom obradom ili hemijskim mlevenjem pre nego što deo uđe u upotrebu.

Koji standardi određuju svojstva legure titanijuma?

Uobičajene specifikacije su ASTM B265 (lim, traka i ploča), ASTM B348 (šip i gredica), ASTM B338 i B861 (cijev i cijev), GB/T 3621 (kineska ploča i lim) i ISO 5832 za legure implantata, svaki sa tablicama hemije i zatezanja za svaki razred.