Titaani jõudluse taga olev kristallstruktuur

Puhas titaan läbib allotroopse transformatsiooni temperatuuril 882 kraadi (1620 kraadi F).

Alla 882 kraadi → titaan eksisteerib kui -Ti (alfatitaan)

Üle 882 kraadi → titaan muundub -Ti-ks (beeta-titaan)

See faasimuutus on üks olulisemaid põhjuseid, miks titaanisulameid saab konstrueerida dramaatiliselt erinevate tugevuse, plastilisuse, väsimuskindluse ja kuumakindluse kombinatsioonide jaoks.

Faas (alfa-titaan): stabiilne,{0}}korrosioonikindel, keevitatav

Alfa-titaanil on kuusnurkne tihedalt{0}}pakitud (HCP) kristallstruktuur.

Peamised eelised

Suurepärane korrosioonikindlus

Suurepärane keevitatavus

Silmapaistev libisemiskindlus

Hea kõrge{0}}temperatuuri stabiilsus

Suurepärane biosobivus

Piirangud

Kuumtöötlusega oluliselt tugevdada ei saa

Mõõdukas tugevus võrreldes täiustatud sulamitega

Tüüpilised rakendused

Keemilise töötlemise seadmed

Merevee soojusvahetid

Meditsiiniseadmed

Magestamissüsteemid

Levinud alfasulamid

1. klassi titaan

2. klassi titaan

7. klassi titaan (Pd-täiustatud korrosioonikindlus)

Faas (beeta-titaan): vormitav, kuumtöödeldav, ülitugev{0}}

Beeta-titaanil on keha{0}}keskne kuubikujuline (BCC) kristallstruktuur.

Peamised eelised

Suurepärane külmvormitavus

Sügav karastatavus

Kuum{0}}töötluse reaktsioon

Väga kõrge tugevuspotentsiaal

Madalam elastsusmoodul teatud biomeditsiiniliste rakenduste jaoks

Piirangud

Termiliselt vähem stabiilne kui alfasulamid

Legeerivate lisandite tõttu kallim

Tüüpilised rakendused

Lennukiruumi kinnitusdetailid

Ortodontilised juhtmed

Teliku komponendid

Väga{0}}tugevad vedrud

Levinud beetasulamid

Beeta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)

Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al

Ti-5553

Ti-10V-2Fe-3Al

+ Titaanisulamid: mõlema maailma parim

Kõige laialdasemalt kasutatavad titaanisulamid sisaldavad nii alfa- kui ka beetafaasi.

Need sulamid ühendavad:

Kõrge tugevus

Suurepärane väsimuskindlus

Hea keevitatavus

Silmapaistev korrosioonikindlus

Kuum{0}}töötlemise võimalus

Kõige populaarsem sulam: Ti-6Al-4V (klass 5 / TC4)

Ti-6Al-4V moodustab suurema osa ülemaailmsest titaanisulami tarbimisest.

Alumiinium (Al) stabiliseerib faasi

Vanaadium (V) stabiliseerib faasi

Rakendused

Lennuki konstruktsiooniosad

Turbiini komponendid

Ortopeedilised implantaadid

Meresõidukite riistvara

3D prinditud titaanist osad

Meditsiiniline variant

Ti-6Al-4V ELI (23. klass, ASTM F136)

Legeerivad elemendid: kes mida stabiliseerib?

Stabilisaatorid

Need tõstavad alfa{0}}beeta--muundamise temperatuuri.

Alumiinium (Al)

Hapnik (O)

Lämmastik (N)

Süsinik (C)

Stabilisaatorid

Need alandavad muundamistemperatuuri ja võivad säilitada beetafaasi toatemperatuuril.

Isomorfsed beeta stabilisaatorid

Vanaadium (V)

Molübdeen (Mo)

nioobium (Nb)

tantaal (Ta)

Eutectoid beeta stabilisaatorid

raud (Fe)

Kroom (Cr)

Mangaan (Mn)

Neutraalsed elemendid

Tsirkoonium (Zr)

Tina (Sn)

Need parandavad üldisi mehaanilisi omadusi ilma faasitasakaalu tugevalt nihutamata.

Titaanisulamite klassifikatsioon

Alfa sulamid

Näited: TA1, TA2, 1. klass, 2. klass

Omadused:

Suurepärane korrosioonikindlus

Suurepärane keevitatavus

Stabiilne mikrostruktuur

Alfa{0}}beetasulamid

Näited: TC4, Ti-6Al-4V, Ti-6242

Omadused:

Tasakaalustatud tugevus ja sitkus

Kuumtöödeldud

Laialdaselt kasutatav kosmose- ja meditsiinisektoris

Beetasulamid

Näited: TB5, Ti-5553, beeta C

Omadused:

Üli-tugev

Suurepärane külmvormitavus

Täiustatud kosmoserakendused

Miks on alfa- ja beetafaasid 3D-printimisel olulised?

Laserpulberkihti liitmise (LPBF) ja elektronkiire sulatamise (EBM) puhul mõjutavad jahutuskiirused tugevalt alfa{0}}beetafaasi evolutsiooni.

Tootjad kasutavad:

Lahendusravi ja vananemine

Kuum isostaatiline pressimine (HIP)

Stressi leevendav lõõmutamine

kontrollida:

Martensiitne transformatsioon

Väsimuse jõudlus

Jääk stress

Mikrostruktuuri ühtlus

See on kosmoselennunduse{0}}sertifitseeritud ja implantaadi{1}}klassi lisandite tootmise jaoks ülioluline.

Miks need on meditsiiniliste implantaatide puhul olulised?

Kaasaegsed implantaadidisainerid kasutavad üha enam beeta-titaanisulameid, kuna need pakuvad:

Madalam elastsusmoodul

Vähendatud stressikaitse

Parem luuintegratsioon

MRI ühilduvus

Suurepärane biosobivus

Populaarsed biomeditsiinilised sulamid on järgmised:

Ti-6Al-4V ELI

Ti-13Nb-13Zr

Ti-24Nb-4Zr-8Sn

Miks need on kosmosevaldkonnas olulised?

Lennundusinsenerid kohandavad faasitasakaalu, et optimeerida:

Spetsiifiline tugevus

Väsimuskindlus

Murde sitkus

Pugemiskindlus

Kahjustuse taluvus

Näited:

Ti-6Al-4V lennukiraamidele

Ti-6242 kompressori komponentide jaoks

Ti-17 ja Ti-5553 teliku ja konstruktsiooni sepistamiseks

Lihtne kokkuvõte

Alfa ja beeta on kristallstruktuurid, mitte eraldiseisvad metallid.

882 kraadi on puhta titaani faasimuutuse temperatuur.

Alfafaas pakub stabiilsust, korrosioonikindlust ja keevitatavust.

Beetafaas pakub vormitavust ja ülimalt{0}}kuumtöödeldavat-tugevust.

Alfa{0}}beetasulamid, nagu Ti-6Al-4V, tagavad parima üldise jõudluse.

Faasikontroll on titaanisulami disaini alus kosmose-, meditsiini-, mere- ja lisaainete tootmises.