Al, V, Nb, Ta… Багато-партнерський атлас титанових сплавів: як 60+ елементи досягають ефективності-налаштування на вимогу?(Ⅱ)

Ізоморфні β-стабілізатори мають спільну кристалічну структуру BCC титану та виявляють повну тверду розчинність у β-фазі. Ці елементи-Mo, V, Nb, Ta, W-створюють основу α+β і β-титанових сплавів.

V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50% світового споживання титану. V додавання 4 мас.% пригнічує β-трансус достатньо, щоб створити дво-фазну мікроструктуру з приблизно 10–50% β-фази при кімнатній температурі.

V забезпечує кілька важливих функцій:

Збереження β: забезпечує мікроструктурний контроль за допомогою термічної обробки

Міцність без крихкості: на відміну від інтерстиціального зміцнення, V зберігає пластичність, одночасно сприяючи зміцненню твердого розчину

Виготовлюваність: дво{0}}фазна мікроструктура забезпечує оптимальний баланс придатності до гарячої обробки та кінцевих механічних властивостей

Молібден приблизно вдвічі ефективніший за V у стабілізації β-фази, кількісно визначеної за допомогою концепції еквівалентності молібдену ([Mo]eq). Кожен 1 мас.% Mo забезпечує β-стабілізувальну потужність, еквівалентну приблизно 2 мас.% V .

Контроль фази: у таких сплавах, як Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,2Si (використовуються для високоміцних аерокосмічних кріплень), Mo забезпечує повне β-утримання під час загартування з подальшим контрольованим α-осадженням під час старіння.

Стійкість до корозії: добавки Mo підвищують пасивність у відновлюючих кислотних середовищах. Сплави Ti-Mo утворюють пасивні плівки, що містять MoO₃ у суміші з TiO₂, забезпечуючи кращу стабільність у розчинах HCl порівняно з нелегованим титаном.

Останні досягнення: Zhang et al. продемонстрували, що Mo-вмісні сплави з контрольованими добавками N досягають виняткових властивостей завдяки неоднорідним структурам пластин. Їхній сплав Ti-2,8Cr-4,5Zr-5,2Al-0,4N досяг межі текучості 1532 МПа з рівномірним подовженням 10,2%, що робить його одним із найкращих поєднань для титанових сплавів.

Nb і Ta набули популярності в біомедичних застосуваннях, де довгострокова біосумісність є важливою. На відміну від V, який викликає занепокоєння щодо цитотоксичності, Nb і Ta є фізіологічно інертними.

Конструкція з низьким модулем пружності: додавання Nb дозволяє створювати β-титанові сплави з модулями пружності нижче 50 ГПа-, що наближаються до 10–30 ГПа кістки та значно нижчі за 110 ГПа Ti-6Al-4V. Прикладом цього підходу є сплави Ti-35Nb-7Zr-5Ta, які поєднують Nb із Zr і Ta для зменшення екранування напруги в ортопедичних імплантатах.

Покращення пасивної плівки: оксиди Nb і Ta входять до поверхневої пасивної плівки, підвищуючи її стабільність і стійкість до корозії. У середовищах, що містять-хлориди, модифіковані Nb- пасивні плівки демонструють знижену щільність точкових дефектів і підвищену стійкість до локального руйнування.

Недавні систематичні дослідження Gautier et al. перевірив добавки W, Ta та Hf для застосування при високих-температурах. Після 5000 годин витримки при 650°C на повітрі W продемонстрував найбільш виражене зниження кінетики окиснення.

Механізм: W сприяє утворенню Ti₂N на межі оксид/метал, утворюючи -багатий азотом шар, який зменшує розчинення кисню в об’ємному сплаві. Потрійний сплав Ti-10Al-2W (at%) перевершив комерційний високотемпературний сплав Ti6242S за стійкістю до окислення.

Компроміс-: W має щільність (19,3 г/см³), і важкі добавки зводять нанівець перевагу титану щодо щільності. Проблема полягає у визначенні мінімальних концентрацій (зазвичай<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.

Евтектоїдні -елементи-Fe, Cr, Ni, Cu, Si-також пригнічують β-трансус, але відрізняються від ізоморфних стабілізаторів своєю здатністю утворювати інтерметалічні сполуки шляхом евтектоїдного розкладання.
 

Fe є потужним і недорогим β-стабілізатором. Його висока швидкість дифузії забезпечує швидку реакцію на термічну обробку, але також сприяє сегрегації під час затвердіння. Fe-вмісні сплави вимагають ретельної обробки, щоб уникнути β-утворення плям-локалізованих областей збагаченого β-стабілізатора, які створюють неоднорідні-механічні властивості.
 

Додавання кремнію 0,1–0,5 мас.% є стандартним для сплавів із високими-α-α-температурами (наприклад, Ti-6242S, IMI 834). Si надає дві переваги:

Зміцнення твердого розчину: Si в розчині перешкоджає сходженню дислокацій при підвищених температурах

Силіцидне осадження: дрібнодисперсний (Ti,Zr)₅Si₃ осідає штифтові межі зерен і суб-межі, сповільнюючи деформацію повзучості

Остання робота Готьє та ін. підтверджено, що кремній у поєднанні з вогнетривкими елементами забезпечує синергетичні покращення повзучості та стійкості до окислення при 600–650°C.
 

Zr, Hf і Sn мінімально впливають на температуру переходу β-, але забезпечують значне зміцнення твердого розчину як в α-, так і в β-фазах.

Zr повністю змішується з Ti як в α-, так і в β-фазах-унікальна характеристика, яка виникає через їх положення в групі IVB періодичної таблиці. Ця повна розчинність дозволяє:

Зміцнення без фазової нестабільності: добавки Zr підвищують міцність через механізми твердого розчину без зміни фазового балансу, спрощуючи конструкцію сплаву.

Посилення корозії: у морському середовищі сплави, що містять Zr-, утворюють більш стабільні пасивні плівки. ZrO₂ з’єднується з шаром TiO₂, зменшуючи концентрацію кисневих вакансій і підвищуючи стійкість до впливу хлоридів.

Останні відкриття: дослідження сплавів Ti575 (Ti-5Al-7,5V-0,5Si), що порівнюють додавання Mo та Zr, показали, що, хоча Zr забезпечує меншу α-розчинність, ніж Mo, він сприяє осадженню силіцидів шляхом зменшення бар’єрів зародження.

Sn забезпечує зміцнення твердого розчину без істотної зміни фазової стабільності. У високотемпературних-сплавах (Ti-6242, Ti-1100) Sn сприяє опору повзучості через вплив твердого розчину та модифікацію поведінки виділення силіцидів.

   Продовження...

Зв'язатися зараз