Kako različiti elementi utiču na titanijum?

Čisti titanijum ima dobru plastičnost, ali nisku čvrstoću i slabu otpornost na toplotu, ne zadovoljava visoke-zahtjeve za avio-svemir, medicinsku njegu, pomorsko inženjerstvo i druge oblasti. Dodavanjem različitih legirajućih elemenata, mikrostruktura i svojstva titanijuma mogu se precizno regulisati kako bi se formirale titanijumske legure sa vrhunskim performansama.

 

Ključ zalegura titanijumaleži u korišćenju titanijumove alotropske transformacije na 882 stepena. Pomoću tri vrste legirajućih elemenata- -stabilizacijskih elemenata, -stabilizacijskih elemenata i neutralnih elemenata-proporcija i faza se prilagođava kako bi se prilagodila svojstva kao što su čvrstoća, otpornost na toplinu i žilavost, čime se ispunjavaju strogi zahtjevi za servisiranje različitih polja.

 

 

 

-stabilizacijski elementi uglavnom funkcioniraju za podizanje -transusne temperature titanijuma i širenje -faznog regiona, omogućavajući leguri da održi stabilnu strukturu na sobnim i visokim temperaturama, čime se poboljšava -čvrstoća na visokim temperaturama, otpornost na koroziju i zavarljivost.

 

Aluminij je najkritičniji -stabilizujući element i sadržan je u gotovo svim titanijumskim legurama, poznatim kao "ojačavač jezgre". Povećava snagu kroz ojačavanje čvrstim rastvorom i postiže lagani dizajn zbog svoje male gustine (2,7 g/cm³). Međutim, sadržaj aluminija koji prelazi 7% teži da formira lomljivu Ti₃Al fazu i smanji plastičnost, tako da se općenito kontrolira na 5%-6%.

 

Bor, kiseonik i azot takođe pripadaju -stabilizujućim elementima. Bor je kao "vitamin". Količina u tragovima može oplemeniti žitarice i poboljšati preradljivost. Kiseonik i dušik mogu ojačati titan, ali drastično smanjiti njegovu plastičnost, čineći ih nečistoćama koje zahtijevaju strogu kontrolu. Kontrola sadržaja vodonika je potrebna tokom topljenja kako bi se spriječilo krhkost vodonika.

 

 

Za razliku od -stabilizujućih elemenata, -stabilizujući elementi snižavaju -transus temperaturu i proširuju -fazni region, omogućavajući leguri da zadrži stabilnu fazu nakon gašenja. Oni značajno poboljšavaju čvrstoću kroz tretman rastvorom i starenje, istovremeno osiguravajući plastičnost, žilavost i obradivost. Podijeljeni su u dvije kategorije: izomorfni i eutektoidni -stabilizujući elementi.

 

Izomorfni -stabilizujući elementi

Molibden ima izvanredan efekat jačanja, poboljšava čvrstoću pri prostornoj/visokoj-temperaturi, otvrdnjavanje i termičku stabilnost, te se široko koristi u visoko{1}}legurama titanijuma na visokim temperaturama.

 

Vanadijum formira Ti6Al4V sa titanijumom i aluminijumom, što čini više od 50% tržišta legura titanijuma. Ova legura ima visoku čvrstoću, otpornost na koroziju i zavarljivost, a primjenjuje se u zrakoplovstvu, brodogradnji i drugim oblastima.

 

Niobij ima blagi efekat jačanja i značajno poboljšava plastičnost i žilavost, što ga čini uobičajenim izborom za medicinske legure titanijuma.

Tantal ima slab efekat jačanja i veliku gustinu, poboljšava otpornost na oksidaciju i koroziju i koristi se samo u malim količinama u visoko{0}}legurama.

 

Eutektoidni -Elementi za stabilizaciju

Krom nudi visoku čvrstoću i visoku plastičnost. Može se ojačati termičkom obradom i koristi se u konstrukcijskim komponentama visoke{1}}kosti.

 

Gvožđe, jak -stabilizujući element sa niskom cijenom, može zamijeniti vanadijum, ali ima lošu termičku stabilnost i sklono je segregaciji.

 

Silicijum, dodatak u tragovima, može poboljšati termičku čvrstoću i otpornost na toplinu, a uglavnom se koristi u visoko{0}}komponentama aero-motora na visokim temperaturama.

 

 

Neutralni elementi imaju mali uticaj na -transus temperaturu titanijuma. Njihova atomska veličina i svojstva su bliski onima titanijuma, omogućavajući beskonačno čvrstu otopinu u oba i fazama. Oni uglavnom uravnotežuju performanse legure i poboljšavaju čvrstoću-pri visokim temperaturama bez promjene osnovnih karakteristika titanijuma. Cirkonijum i kalaj su najčešće korišćeni.

 

Cirkonijum ima izuzetno slična svojstva kao i titanijum, sa slabim efektom jačanja pri sobnoj{0}}temperaturi, ali može značajno poboljšati termičku čvrstoću i stabilnost na visokim temperaturama i široko se koristi u legurama titanijuma na visokim -temperaturama.

Lim ima još slabiji efekat jačanja{0}}pri sobnoj temperaturi i može povećati termičku čvrstoću. U kombinaciji sa aluminijumom, može dodatno optimizirati performanse na visokim{2}}temperaturama.

 

 

U praktičnoj primjeni, jedan element teško može ispuniti zahtjeve složenih radnih uvjeta. Većina praktičnih titanijumskih legura ima sinergijski dizajn sa više-elemenata kako bi se postigle komplementarne prednosti kroz precizno određivanje proporcija.

Ti6Al4V je klasičan predstavnik. U kombinaciji sa aluminijumom i vanadijem, formira + duplex strukturu, integrišući snagu, plastičnost, žilavost i zavarljivost.

 

Legura titana na visokim{0}} temperaturama, na primjer Ti60 i Ti65, postižu sinergiju kroz elemente uključujući aluminijum, cirkonijum i molibden, uz dodatak rijetkih zemalja. Mogu se koristiti iznad 600 stepeni, razbijajući strani tehnološki monopol.

 

Medicinska legura Ti29Nb13Ta4.6Zr uglavnom se sastoji od -stabilizujućih elemenata kao što su niobijum i tantal. Ima modul elastičnosti sličan onom kod ljudskih kostiju i odličnu biokompatibilnost, a široko se koristi u implantatima kao što su umjetni zglobovi i nokti kostiju.

Legure poput IMI834 i Ti1100 za aero{2}}motore karakterišu precizne proporcije aluminijuma, kalaja, molibdena i silicijuma, zadržavajući odličnu otpornost na puzanje na 600 stepeni, i ključni su materijali za lopatice i diskove kompresora.