Al, V, Nb, Ta… Πολλαπλοί-Άτλας συνεργατών για κράματα τιτανίου: Πώς τα 60+ στοιχεία επιτυγχάνουν απόδοση κατά-Προσαρμογή απαίτησης;(I)

Τα κράματα τιτανίου κατέχουν μοναδική θέση στα δομικά υλικά. Το καθαρό τιτάνιο, παρά την εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και τη βιοσυμβατότητά του, προσφέρει μόνο μέτρια αντοχή (περίπου 240–550 MPa αντοχή σε εφελκυσμό). Ο μετασχηματισμός του τιτανίου από ένα εμπορικά καθαρό μέταλλο σε ένα-μηχανικό υλικό υψηλής απόδοσης-με δυνατότητα 1500+ αντοχής διαρροής MPa-βρίσκεται εξ ολοκλήρου στην αλληλεπίδρασή του με στοιχεία κράματος από όλο τον περιοδικό πίνακα .

Σε αντίθεση με τα κράματα χάλυβα ή αλουμινίου, όπου οι μηχανισμοί ενίσχυσης συχνά βασίζονται σε ένα στενό σύνολο στοιχείων, το τιτάνιο παρουσιάζει ένα ασυνήθιστα ευρύ τοπίο κραμάτων. Πάνω από 60 στοιχεία τροποποιούν σημαντικά τις ισορροπίες φάσης του τιτανίου, την κινητική μετασχηματισμού και τη μηχανική απόκριση. Αυτά τα στοιχεία δεν επιλέγονται τυχαία. Οι ρόλοι τους καθορίζονται από τη θεμελιώδη κρυσταλλογραφική συμβατότητα, την ηλεκτρονική δομή και τη θέση τους σε σχέση με το τιτάνιο στον περιοδικό πίνακα.

Αυτό το άρθρο παρέχει μια συστηματική εξέταση του τρόπου με τον οποίο αυτή η οικογένεια "πολλών-συνεργαζόμενων στοιχείων" επιτρέπει την απόδοση "-προσαρμογή κατ' απαίτηση"-από τον συνδυασμό Al-V που κυριαρχεί στις αεροδιαστημικές εφαρμογές έως προσθήκες πυρίμαχων μετάλλων που ωθούν τις θερμοκρασίες εξυπηρέτησης πέρα ​​από τους 600 βαθμούς .

Η ευελιξία του τιτανίου προέρχεται από τον αλλοτροπικό μετασχηματισμό του. Κάτω από τις 882 μοίρες, το καθαρό τιτάνιο κρυσταλλώνεται σε μια εξαγωνική δομή κλειστού-συσκευασμένου (HCP), που ορίζεται ως -Ti. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, μετατρέπεται σε κυβικό-κεντρικό σώμα (BCC) -Ti .

Αυτή η θερμοκρασία μετασχηματισμού-και η σταθερότητα κάθε φάσης-αλλάζει βαθιά από τις προσθήκες κράματος. Τα στοιχεία που αυξάνουν τη -θερμοκρασία transus διευρύνουν το -πεδίο φάσης και ονομάζονται -σταθεροποιητές. Τα στοιχεία που πιέζουν τη -θερμοκρασία transus διευρύνουν το -πεδίο φάσης και ονομάζονται -σταθεροποιητές . Μια τρίτη κατηγορία, τα ουδέτερα στοιχεία, ασκούν ελάχιστη επίδραση στη θερμοκρασία μετασχηματισμού.

Αυτό το πλαίσιο σταθερότητας φάσης επιτρέπει τη μικροδομική μηχανική σε πολλαπλές κλίμακες: μέγεθος πρωτογενούς κόκκου, δευτερεύον πάχος πηχάκι, μορφολογία κόκκων και κατανομή διαμεταλλικών ενώσεων.

Με βάση την αλληλεπίδρασή τους με τον αλλοτροπικό μετασχηματισμό του τιτανίου, τα στοιχεία κράματος χωρίζονται σε τέσσερις λειτουργικές κατηγορίες:

Το σχήμα 1 απεικονίζει τα χαρακτηριστικά του διαγράμματος δυαδικής φάσης για κάθε κατηγορία, δείχνοντας πώς οι προσθήκες κραμάτων αναδιαμορφώνουν τα όρια φάσης και επιτρέπουν διαφορετικά μικροδομικά αποτελέσματα .

Το αλουμίνιο είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο στοιχείο κράματος στο τιτάνιο, το οποίο υπάρχει σε όλα σχεδόν τα εμπορικά κράματα από Ti-6Al-4V έως κράματα υψηλής θερμοκρασίας κοντά σε κράματα. Η κυριαρχία του πηγάζει από πολλαπλές συνεισφορές:

·Ενίσχυση στερεού διαλύματος: Το Al διαλύεται κατά προτίμηση στη -φάση, καταλαμβάνοντας θέσεις υποκατάστασης εντός του πλέγματος HCP. Αυτό παράγει δύο φαινόμενα ενίσχυσης: (1) παραμόρφωση πλέγματος που αυξάνει την αντίσταση στην κίνηση εξάρθρωσης και (2) τροποποίηση της ενέργειας σφάλματος στοίβαξης φάσης -.

·Μείωση πυκνότητας: Στα 2,7 g/cm³, το Al μειώνει σημαντικά την πυκνότητα του κράματος. Κάθε προσθήκη Al 1 wt% μειώνει την πυκνότητα κατά περίπου 1,5%, ένα κρίσιμο πλεονέκτημα για αεροδιαστημικές εφαρμογές όπου η ειδική αντοχή υπαγορεύει το σχεδιασμό των εξαρτημάτων.

·Δυνατότητα παραγγελίας: Σε συγκεντρώσεις που υπερβαίνουν περίπου το 8 wt%, το Al προάγει τον σχηματισμό διατεταγμένων ιζημάτων 2 (Ti3Al). Ενώ αυτά μπορούν να ευθραυστούν το κράμα εάν διανεμηθούν χονδροειδή, η ελεγχόμενη κατακρήμνιση προσφέρει πρόσθετες οδούς ενίσχυσης.

Πρόσφατη εργασία των Huang et al. απέδειξε ότι οι προσθήκες Al αλλάζουν θεμελιωδώς τη συμπεριφορά εξάρθρωσης στο τιτάνιο. Στα δυαδικά κράματα Ti-6Al, το Al καταστέλλει τη διδυμοποίηση παραμόρφωσης και τροποποιεί την κρίσιμη διατμητική τάση (CRSS) για συστήματα πολλαπλής ολίσθησης. Αυτή η ενίσχυση συνοδεύεται από ένα συμβιβασμό: ενώ η αντοχή διαρροής αυξάνεται, η ολκιμότητα και η αντοχή στην κρούση συνήθως μειώνονται.

Το οξυγόνο, το άζωτο και ο άνθρακας καταλαμβάνουν ενδιάμεσες θέσεις εντός του πλέγματος τιτανίου, παράγοντας εξαιρετικά αποτελεσματική ενίσχυση σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Κάθε 0,1 wt% O αυξάνει την αντοχή διαρροής κατά περίπου 150–200 MPa.

·Οξυγόνο: Ως το πιο κοινό διάμεσο, το O είναι ταυτόχρονα μια ευκαιρία ενίσχυσης και μια ανησυχία μόλυνσης. Το οξυγόνο σταθεροποιεί τη -φάση, αυξάνει τη -θερμοκρασία transus και παρέχει σημαντική ενίσχυση του στερεού διαλύματος. Ωστόσο, η υπέρβαση περίπου του 0,3–0,4 wt% O προκαλεί σοβαρή ευθραυστότητα μέσω της καταστολής των όλκιμων μηχανισμών παραμόρφωσης.

·Άζωτο: Οι πρόσφατες εξελίξεις έχουν επανεξετάσει τον ρόλο του Ν. Οι Zhang et al. απέδειξε ότι οι ελεγχόμενες προσθήκες Ν (0,17–0,40 wt%) σε συνδυασμό με τη μηχανική ορίων κόκκων μπορούν να παράγουν εξαιρετικούς συνδυασμούς αντοχής-ολκιμότητας. Το κράμα Ti{14}}1800 τους (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N) πέτυχε ισχύ διαρροής 1800 MPa μέσω μιας ιεραρχικής δομής πρωτογενούς, δευτερεύοντος και εξαιρετικά λεπτού -Widmanstätten ιζήματος.

·Άνθρακας: Προσθήκες 0,05–0,2 wt% C προωθούν το σχηματισμό TiC. Αυτά τα καρβίδια έχουν διπλές λειτουργίες: (1) στερέωση ορίων κόκκων κατά την επεξεργασία σε υψηλές{{4} θερμοκρασίες, εξευγενισμός της τελικής μικροδομής και (2) ενεργώντας ως ετερογενείς θέσεις πυρήνων για καθίζηση. Η προκύπτουσα μικροδομή δείχνει λεπτότερους κόκκους και πιο τυχαίους προσανατολισμούς πηχάκι.

Η μικροκράμα με Β (0,01–0,2 wt%) παράγει μουστάκια TiB που βελτιώνουν σημαντικά το προηγούμενο μέγεθος κόκκου. Στα κράματα TA6.5, το 0,2 wt% B μετέτρεψε τη μικροδομή από χοντρό Widmanstätten σε εκλεπτυσμένη μορφολογία ύφανσης καλαθιού-, μειώνοντας το μέγεθος της αποικίας και βελτιώνοντας τη θερμοκρασία δωματίου-και τις ιδιότητες εφελκυσμού 650 μοιρών .

 Συνέχεια...

Επικοινωνήστε τώρα