Titaanisulamite arendamine ja rakendamine: alates Ti-6Al-4V kuni peaaegu alfa- ja beetaklassideni

Titaanisulamite ajalugu on olnud kahe piiri üheaegse väljapoole lükkamise ajalugu: temperatuur, mille juures komponent võib töötada ilma liigse roomamiseta, ja tugevuse{0}}ja sitkuse tasakaal, mida struktuur talub. Esimene tehniline sulam Ti-6Al-4V töötati välja Ameerika Ühendriikides 1954. aastal ja see on siiani võrdluspunkt, mille alusel iga hilisemat klassi hinnatakse. Alumiinium stabiliseerib alfafaasi ning suurendab tugevust ja võimet taluda kõrget temperatuuri; vanaadium stabiliseerib beetat ja parandab plastilisust ilma alfavõre c/a suhet tõstmata, mistõttu paar töötab koos nii hästi.

Alfa{0}}beetatööhobune

Ti-6Al-4V kuulub alfa-beeta perekonda ja on kaetud sepistatud varda spetsifikatsiooniga ASTM B348 ning ribade, lehtede ja plaatide spetsifikatsiooniga ASTM B265, kusjuures lennundusklassid on välja antud AMS 4928 varda ja AMS 4911 alusel. Selle nimikoostis on 6 protsenti alumiiniumi ja 4 protsenti vanaadiumi, kusjuures standardklassi rauasisaldus on 0,30 protsenti ja hapnik 0,20 protsenti. Lõõmutatud varda minimaalsed toatemperatuuri omadused on 895 MPa tõmbetugevus, 828 MPa saagis 0,2% nihkega ja 10% pikenemine. Toatemperatuuril lõõmutatud mikrostruktuur sisaldab ligikaudu 10–15 protsenti beetafaasi, mis annab sulamile selle toimiva tugevuse ja kuumvormitavuse kombinatsiooni.

Ti-6Al-4V kasutustemperatuuriks on pikaajaliste ehitustööde puhul tavaliselt märgitud 300–350 kraadi Celsiuse järgi. See lagi, mitte kulu, on see, mis lükkas arengut edasi.

Lähedal-alfasulamid 400–550 kraadi sagedusala jaoks

Väikeste koguste räni, tsirkooniumi, tina ja molübdeeni lisamine, säilitades samal ajal alumiiniumi ekvivalendi kõrgel tasemel, annab peaaegu{0}}alfasulameid, millel on palju parem roomamiskindlus. Selle rühma klassikaline sulam on Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, sageli kirjutatud Ti-6242, mis on ette nähtud kompressori ketaste ja labade jaoks, mis töötavad vahemikus 450–520 kraadi. Selle kõrge molübdeenisisaldusega suhteline Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-6246, pikendab kasulikku tugevust ligikaudu 500 kraadini, jäädes samas sepistatavaks. Räni lisandid 0,1–0,5 protsenti suurendavad roomamiskindlust veelgi, moodustades peeneid silitsiidsademeid, mis fikseerivad temperatuuril dislokatsiooni liikumise.

Paralleelne sulamite rida liigub tiheduse suhtes vastupidises suunas: metallidevahelisel gammafaasil põhinevad TiAl perekonna titaanaluminiidid on ligikaudu poole nikli supersulamite tihedusest ja neid kasutatakse madalrõhuga turbiini labade jaoks, kus eritugevus 650–750 kraadi juures on olulisem kui absoluutne vastupidavus.

Beeta- ja metastabiilsed beetasulamid tugevuse ja vormitavuse tagamiseks

Beeta-stabiliseerivad lisandid, nagu molübdeen, nioobium, vanaadium ja kroom, võimaldavad sulamitel säilitada kustutamisel keha-keskse-kuupilise beetafaasi, mis on palju paremini vormitav kui alfafaas ja mida saab vanandada väga tugevaks. Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al on metastabiilne beetasulam, mida kasutatakse külmvaltsitud riba- ja lehtdetailide jaoks lennunduses, kus on vaja keerulisi kujundeid toatemperatuuril; Ti-10V-2Fe-3Al kasutatakse suurte sepistete, näiteks teliku komponentide jaoks. Need sulamid ühendavad 1100–1250 MPa vanandatud tõmbetugevuse võimalusega töödelda ja vormida lahusega töödeldud olekus ning seejärel vanandada pärast valmistamist.

Titaanisulamite perekondade võrdlus

Kus iga perekonda tegelikult kasutatakse

Kommertslennukid tarbivad kõige rohkem alfa-beetatoodet, peamiselt sepistatud konstruktsiooni ja lehe kujul, kusjuures peaaegu-alfa-sulamid on reserveeritud kuumema kompressori astme jaoks. Keemia- ja magestamistehastes domineerivad legeerimata klassid, kuna nõuded on korrosioonikindluse, mitte tugevuse suhtes. Meditsiiniseadmete tootmine nõuab implantaatide jaoks eriti-madalat-interstitsiaalset alfa-beetamaterjali, mille puhul vähendatud hapnikupiirang 0,13 protsenti suurendab väsimustugevust ja kahjustuste taluvust. Auto- ja tarbeelektroonikas kasutatakse Ti-6Al-4V väljalaskekomponentide, kepsu poltide ja õhukeseseinaliste konstruktsiooniraamide jaoks. Krüogeensed rakendused, sealhulgas veeldatud maagaasi käitlemine, kasutavad ära asjaolu, et titaanisulamid suurendavad temperatuuri langedes tugevust ja säilitavad sitkuse, erinevalt ferriitterastest, mis muutuvad rabedaks.

Töötlemispiirangud, mis kujundavad sulami valikut

Titaanisulamid on temperatuuril reageerivad, seetõttu sulatatakse vaakum- või elektronkiirega ahjudes ning kuumtöötlemine peab toimuma kontrollitud atmosfääris või hoolika pinnatöötlusega. Beetasulamid taluvad külmvormimist; peaaegu-alfa-sulamid vajavad kuumtöötlemist ja neid on üldse raske külmvormida. Keevitamine eelistab alfa- ja alfa-beetaklassi, kus inertgaasi varjestus on otstarbekas, samas kui suure tugevusega beetasulamid nõuavad tavaliselt vaakum- või elektronkiirprotsesse. Töötlemiskulud on kogu peres märkimisväärsed, kuna soojusjuhtivus on madal, umbes 7 W kelvini meetri kohta Ti-6Al-4V puhul, nii et soojus koondub kiibi voolamise asemel lõikeserva.

Korduma kippuvad küsimused

Q:Kas Ti-6Al-4V on sama mis klass 5?
V: Jah. 5. klass on UNS R56400 tähistus Ti-6Al-4V standardse vaheversiooni jaoks. Eriti -madala vahekihiga versioon, mille hapnikusisaldus on piiratud 0,13 protsendiga, on klass 23, UNS R56407 ja need kaks ei ole väsimuskriitilistes rakendustes omavahel asendatavad.

Q:Miks on peaaegu{0}}alfa-sulamite puhul pigem roomamiskindlus kui tõmbetugevus?
V. Üle 400 kraadi Celsiuse järgi veedavad komponendid, nagu kompressorikettad, tunde koormuse all ja aeglane deformatsioon, mitte lühiajaline tugevus, määrab, kas vahed jäävad tolerantsi piiridesse. Räni-alfa-{4}}lähedased sulamid peavad aeglustavaks deformatsiooniks palju paremini vastu kui sarnase ruumitemperatuuri -tugevusega alfa-beetasulamid.

Q:Mis piirab titaanisulami kasutamist temperatuuril üle 600 kraadi Celsiuse järgi?
V: Hapniku difusioon pinnale moodustab kõva, rabeda alfa-korpuse ja roomamiskiirus tõuseb kiiresti. Praktiline vastus mootori konstrueerimisel on olnud üle minna intermetallilistele titaanaluminiididele või nikli{1}}põhistele sulamitele, selle asemel et jätkata tavapärase titaani legeerimist.

Q:Kas beetasulameid saab pärast vananemist keevitada?
V: Suure -tugevusega beetasulamid keevitatakse tavaliselt lahusega töödeldud olekus ja seejärel vanandatakse, kuna täielikult vananenud konstruktsiooni keevitamine halvendab tugevust kuumus{2}}mõjutatud tsoonis. Kui keevitamine on pärast vananemist vältimatu, nõutakse konkreetse sulami ja vuugi konstruktsiooni jaoks protsessi kvalifikatsiooni.

Q:Millist titaanisulamit tuleks valida merevee soojusvaheti jaoks?
V: legeerimata mark, nagu klass 2, või pallaadiumi{1}}modifitseeritud mark, mille puhul on oht pragukorrosiooni tekkeks. Sulami tugevus ei anna merevee soojusvahetile midagi juurde ning kõrgem -klassi alfa-beetamaterjal suurendab kulusid ja vähendab toru paisumisvõimet.

Q:Kuidas mõjutab madal soojusjuhtivus tootmise planeerimist?
V: See vähendab lõikekiirust, koondab kuumuse tööriista servale ja muudab kuumtöötluse reaktsiooni sektsiooni paksuse suhtes tundlikuks. Nii töötlemis- kui ka keevitusprotseduurid tuleb kvalifitseerida tegeliku sulami ja paksuse järgi, mitte üle kanda terase praktikast.