Hoe beïnvloeden verschillende elementen titanium?

Zuiver titanium heeft een goede plasticiteit, maar een lage sterkte en een slechte hittebestendigheid, waardoor het niet voldoet aan de hoge- eisen van de lucht- en ruimtevaart, medische zorg, scheepsbouw en andere gebieden. Door verschillende legeringselementen toe te voegen, kunnen de microstructuur en eigenschappen van titanium nauwkeurig worden geregeld om titaniumlegeringen met superieure prestaties te vormen.

 

De sleutel tottitanium legeringenligt in het gebruik van de allotrope transformatie van titanium bij 882 graden. Door middel van drie soorten legeringselementen- -stabiliserende elementen, -stabiliserende elementen en neutrale elementen-worden de verhoudingen en fasen aangepast om eigenschappen zoals sterkte, hittebestendigheid en taaiheid aan te passen, waardoor wordt voldaan aan de strenge servicevereisten van verschillende vakgebieden.

 

 

 

-stabiliserende elementen dienen hoofdzakelijk om de -transustemperatuur van titanium te verhogen en het -fasegebied uit te breiden, waardoor de legering een stabiele structuur kan behouden bij kamer- en hoge temperaturen, waardoor de sterkte, de corrosieweerstand en de lasbaarheid bij hoge- temperaturen worden verbeterd.

 

Aluminium is het meest kritische -stabiliserende element en zit in bijna alle titaniumlegeringen, ook wel de 'kernversterker' genoemd. Het verbetert de sterkte door middel van solide oplossingsversterking en bereikt een lichtgewicht ontwerp dankzij de lage dichtheid (2,7 g/cm³). Een aluminiumgehalte van meer dan 7 gew.% heeft echter de neiging een broze Ti₃Al-fase te vormen en de plasticiteit te verminderen, dus wordt het doorgaans op 5%–6% gehouden.

 

Borium, zuurstof en stikstof behoren ook tot -stabiliserende elementen. Borium is als een "vitamine". Een sporenhoeveelheid kan granen verfijnen en de verwerkbaarheid verbeteren. Zuurstof en stikstof kunnen titanium versterken, maar de plasticiteit ervan drastisch verminderen, waardoor het onzuiverheden worden die strikte controle vereisen. De controle van het waterstofgehalte is tijdens het smelten vereist om waterstofverbrossing te voorkomen.

 

 

In tegenstelling tot -stabiliserende elementen verlagen -stabiliserende elementen de -transustemperatuur en breiden ze het -fasegebied uit, waardoor de legering na het blussen een stabiele fase kan behouden. Ze verbeteren de sterkte aanzienlijk door oplossingsbehandeling en veroudering, terwijl ze tegelijkertijd plasticiteit, taaiheid en verwerkbaarheid garanderen. Ze zijn onderverdeeld in twee categorieën: isomorfe en eutectoïde -stabiliserende elementen.

 

Isomorfe -stabiliserende elementen

Molybdeen heeft een opmerkelijk versterkend effect, verbetert de sterkte bij kamer/hoge- temperatuur, de hardbaarheid en thermische stabiliteit, en wordt veel gebruikt in titaniumlegeringen bij hoge- temperaturen.

 

Vanadium vormt Ti6Al4V met titanium en aluminium, goed voor meer dan 50% van de markt voor titaniumlegeringen. Deze legering heeft een hoge sterkte, corrosieweerstand en lasbaarheid en wordt toegepast in de lucht- en ruimtevaart, scheepsbouw en andere gebieden.

 

Niobium heeft een mild versterkend effect en verbetert de plasticiteit en taaiheid aanzienlijk, waardoor het een veel voorkomende keuze is voor medische titaniumlegeringen.

Tantaal heeft een zwak versterkend effect en een hoge dichtheid, verbetert de oxidatie- en corrosieweerstand en wordt slechts in kleine hoeveelheden gebruikt in hoogwaardige legeringen.

 

Eutectoïde -Stabiliserende elementen

Chroom biedt hoge sterkte en hoge plasticiteit. Het kan worden versterkt door warmtebehandeling en wordt gebruikt in structurele componenten met hoge sterkte.

 

IJzer, een sterk -stabiliserend element tegen lage kosten, kan vanadium vervangen, maar heeft een slechte thermische stabiliteit en is gevoelig voor segregatie.

 

Silicium, een toevoeging van sporen, kan de thermische sterkte en hittebestendigheid verbeteren, en wordt meestal gebruikt in hoge--temperatuurcomponenten van vliegtuigmotoren-.

 

 

Neutrale elementen hebben weinig effect op de -transustemperatuur van titanium. Hun atomaire grootte en eigenschappen liggen dicht bij die van titanium, waardoor een oneindige vaste oplossing in beide fasen mogelijk is. Ze brengen voornamelijk de prestaties van de legering in evenwicht en verbeteren de sterkte bij hoge- temperaturen zonder de kerneigenschappen van titanium te veranderen. Zirkonium en tin zijn de meest gebruikte.

 

Zirkonium heeft zeer vergelijkbare eigenschappen als titanium, met een zwak versterkend effect bij kamertemperatuur, maar kan de thermische sterkte en stabiliteit bij hoge temperaturen aanzienlijk verbeteren, en wordt veel gebruikt in titaniumlegeringen bij hoge temperaturen.

Tin heeft een nog zwakker -versterkend effect op de kamertemperatuur en kan de thermische sterkte vergroten. In combinatie met aluminium kan het de prestaties bij hoge- temperaturen verder optimaliseren.

 

 

In praktische toepassingen kan een enkel element nauwelijks voldoen aan de eisen van complexe arbeidsomstandigheden. De meeste praktische titaniumlegeringen hebben een synergetisch ontwerp met meerdere-elementen om complementaire voordelen te bereiken door nauwkeurige dosering.

Ti6Al4V is een klassieke vertegenwoordiger. Gecombineerd met aluminium en vanadium vormt het een duplexstructuur, waarin sterkte, plasticiteit, taaiheid en lasbaarheid worden geïntegreerd.

 

Titaniumlegeringen voor hoge- temperaturen, bijvoorbeeld Ti60 en Ti65, bereiken synergie door elementen als aluminium, zirkonium en molybdeen, met de toevoeging van zeldzame aardmetalen. Ze kunnen boven de 600 graden worden gebruikt, waardoor het buitenlandse technologische monopolie wordt doorbroken.

 

De medische Ti29Nb13Ta4.6Zr-legering bestaat voornamelijk uit -stabiliserende elementen zoals niobium en tantaal. Het heeft een elastische modulus die dicht bij die van menselijke botten ligt en uitstekende biocompatibiliteit, en wordt veel gebruikt in implantaten zoals kunstmatige gewrichten en botnagels.

Legeringen zoals IMI834 en Ti1100 voor vliegtuig-motoren hebben een nauwkeurige verhouding van aluminium, tin, molybdeen en silicium, behouden een uitstekende kruipweerstand bij 600 graden, en zijn belangrijke materialen voor compressorbladen en -schijven.