Jak různé prvky ovlivňují titan?

Čistý titan má dobrou plasticitu, ale nízkou pevnost a špatnou tepelnou odolnost, takže nesplňuje náročné-požadavky leteckého průmyslu, lékařské péče, námořního inženýrství a dalších oborů. Přidáním různých legujících prvků lze mikrostrukturu a vlastnosti titanu přesně regulovat, aby se vytvořily slitiny titanu s vynikajícím výkonem.

 

Klíč kslitiny titanuspočívá ve využití alotropní transformace titanu při 882 stupních. Pomocí tří typů legujících prvků- -stabilizačních prvků, -stabilizačních prvků a neutrálních prvků- se poměr a fáze přizpůsobují vlastnostem, jako je pevnost, tepelná odolnost a houževnatost, a splňují tak přísné požadavky na služby v různých oblastech.

 

 

 

-Stabilizační prvky fungují hlavně tak, že zvyšují -transusovou teplotu titanu a rozšiřují -fázovou oblast, což umožňuje slitině udržet si stabilní strukturu při pokojových a vysokých teplotách, čímž se zlepšuje pevnost při vysokých-teplotách, odolnost proti korozi a svařitelnost.

 

Hliník je nejdůležitějším -stabilizačním prvkem a je obsažen téměř ve všech slitinách titanu, známých jako „ztužovač jádra“. Zvyšuje pevnost zpevněním tuhým roztokem a díky nízké hustotě (2,7 g/cm³) dosahuje lehké konstrukce. Avšak obsah hliníku přesahující 7 % hmotn. má tendenci vytvářet křehkou Ti3Al fázi a snižovat plasticitu, takže je obecně řízen na 5 % až 6 %.

 

Mezi -stabilizační prvky patří také bor, kyslík a dusík. Bór je jako „vitamín“. Stopové množství může zjemnit zrna a zlepšit zpracovatelnost. Kyslík a dusík mohou zpevnit titan, ale drasticky snížit jeho plasticitu, což z nich dělá nečistoty, které vyžadují přísnou kontrolu. Během tavení je vyžadována kontrola obsahu vodíku, aby se zabránilo vodíkové křehkosti.

 

 

Na rozdíl od -stabilizačních prvků -stabilizační prvky snižují -teplotu transusu a rozšiřují -fázovou oblast, což umožňuje slitině zachovat si stabilní fázi po kalení. Výrazně zlepšují pevnost ošetřením roztokem a stárnutím a zároveň zajišťují plasticitu, houževnatost a zpracovatelnost. Dělí se do dvou kategorií: izomorfní a eutektoidní -stabilizační prvky.

 

Izomorfní -stabilizační prvky

Molybden má pozoruhodný zpevňující účinek, zlepšuje pevnost za pokojové/vysoké{0}}teploty, prokalitelnost a tepelnou stabilitu a je široce používán ve vysokoteplotních- slitinách titanu.

 

Vanad tvoří Ti6Al4V s titanem a hliníkem, což představuje více než 50 % trhu s titanovými slitinami. Tato slitina má vysokou pevnost, odolnost proti korozi a svařitelnost a používá se v letectví, stavbě lodí a dalších oborech.

 

Niob má mírný zpevňující účinek a výrazně zlepšuje plasticitu a houževnatost, což z něj činí běžnou volbu pro lékařské slitiny titanu.

Tantal má slabý zpevňující účinek a vysokou hustotu, zlepšuje odolnost proti oxidaci a korozi a používá se pouze v malých množstvích ve špičkových- slitinách.

 

Eutektoidní -stabilizační prvky

Chrom nabízí vysokou pevnost a vysokou plasticitu. Lze jej zpevnit tepelným zpracováním a používá se ve vysoce-pevnostních konstrukčních prvcích.

 

Železo, silný -stabilizační prvek s nízkou cenou, může nahradit vanad, ale má špatnou tepelnou stabilitu a je náchylné k segregaci.

 

Křemík, stopový přídavek, může zlepšit tepelnou pevnost a tepelnou odolnost a většinou se používá ve vysokoteplotních -součástích leteckých- motorů.

 

 

Neutrální prvky mají malý vliv na -transusovou teplotu titanu. Jejich atomová velikost a vlastnosti se blíží vlastnostem titanu, což umožňuje nekonečný pevný roztok v obou fázích a fázích. Především vyvažují vlastnosti slitiny a zlepšují pevnost při vysokých-teplotách, aniž by se změnily charakteristiky jádra titanu. Nejčastěji se používají zirkonium a cín.

 

Zirkonium má extrémně podobné vlastnosti jako titan, se slabým zpevňovacím účinkem za pokojové-teploty, ale může výrazně zlepšit tepelnou pevnost a stabilitu při vysokých teplotách a je široce používán ve vysokoteplotních slitinách titanu.

Cín má ještě slabší posilující účinek-při pokojové teplotě a může zvýšit tepelnou pevnost. V kombinaci s hliníkem může dále optimalizovat-výkon při vysokých teplotách.

 

 

V praktických aplikacích může jediný prvek stěží splnit požadavky složitých pracovních podmínek. Většina praktických titanových slitin využívá víceprvkový synergický design, aby bylo dosaženo doplňkových výhod díky přesnému proporci.

Ti6Al4V je klasický zástupce. V kombinaci s hliníkem a vanadem tvoří + duplexní strukturu integrující pevnost, plasticitu, houževnatost a svařitelnost.

 

Vysokoteplotní slitiny titanu, například Ti60 a Ti65, dosahují synergie prostřednictvím prvků, jako je hliník, zirkonium a molybden, s přídavkem vzácných zemin. Mohou být použity nad 600 stupňů, čímž se prolomí zahraniční technologický monopol.

 

Lékařská slitina Ti29Nb13Ta4.6Zr se skládá hlavně ze -stabilizačních prvků, jako je niob a tantal. Má modul pružnosti blízký modulu lidských kostí a vynikající biokompatibilitu a je široce používán v implantátech, jako jsou umělé klouby a kostní nehty.

Slitiny jako IMI834 a Ti1100 pro letecké-motory se vyznačují přesným dávkováním hliníku, cínu, molybdenu a křemíku, zachovávají si vynikající odolnost proti tečení při 600 stupních a jsou klíčovými materiály pro lopatky a disky kompresorů.