Al, V, Nb, Ta… Multi-Atlas Rakan Kongsi Elemen Aloi Titanium: Bagaimanakah Elemen 60+ Mencapai Prestasi Atas-Penyesuaian Permintaan?(Ⅱ)

Penstabil β-isomorfus berkongsi struktur kristal BCC titanium dan mempamerkan keterlarutan pepejal lengkap dalam fasa β-. Unsur ini-Mo, V, Nb, Ta, W-membentuk tulang belakang aloi α+β dan β-titanium.

V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50% daripada penggunaan titanium global. Penambahan V sebanyak 4 wt% menekan β-transus secukupnya untuk mendayakan dua-struktur mikro dengan lebih kurang 10–50% β-fasa pada suhu bilik .

V menyediakan beberapa fungsi kritikal:

pengekalan β: Membolehkan kawalan mikrostruktur melalui rawatan haba

Kekuatan tanpa rapuh: Tidak seperti pengukuhan interstisial, V mengekalkan kemuluran sambil menyumbang kepada pengukuhan larutan pepejal

Kebolehkerjaan: Struktur mikro dua-fasa menawarkan keseimbangan optimum kebolehkerjaan panas dan sifat mekanikal akhir

Mo adalah kira-kira dua kali lebih berkesan daripada V dalam menstabilkan fasa β-, dikira melalui konsep kesetaraan molibdenum ([Mo]eq). Setiap 1 wt% Mo memberikan β-kuasa penstabilan bersamaan dengan lebih kurang 2 wt% V .

Kawalan fasa: Dalam aloi seperti Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si (digunakan untuk pengikat aeroangkasa berkekuatan tinggi), Mo mendayakan pengekalan β yang lengkap pada pelindapkejutan, diikuti dengan pemendakan α terkawal semasa penuaan .

Rintangan kakisan: Penambahan Mo meningkatkan kepasifan dalam mengurangkan persekitaran asid. Aloi Ti-Mo membentuk filem pasif yang mengandungi MoO₃ bercampur dengan TiO₂, memberikan kestabilan unggul dalam larutan HCl berbanding titanium tanpa aloi .

Kemajuan terkini: Zhang et al. menunjukkan bahawa Mo-yang mengandungi aloi dengan penambahan N terkawal mencapai sifat luar biasa melalui struktur lamella heterogen. Aloi Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N mereka mencapai kekuatan hasil 1532 MPa dengan pemanjangan seragam 10.2% meletakkannya antara kombinasi terbaik yang dilaporkan untuk aloi titanium .

Nb dan Ta telah mendapat perhatian dalam aplikasi bioperubatan yang -biokompatibiliti jangka panjang adalah penting. Tidak seperti V, yang menimbulkan kebimbangan sitotoksisiti, Nb dan Ta secara fisiologi tidak aktif.

Reka bentuk modulus rendah: Penambahan Nb mendayakan aloi β-titanium dengan moduli elastik di bawah 50 GPa-menghampiri 10–30 GPa tulang dan jauh di bawah 110 GPa Ti-6Al-4V. Aloi Ti-35Nb-7Zr-5Ta menjadi contoh pendekatan ini, menggabungkan Nb dengan Zr dan Ta untuk mengurangkan perlindungan tekanan dalam implan ortopedik.

Peningkatan filem pasif: Nb dan Ta oksida digabungkan ke dalam filem pasif permukaan, meningkatkan kestabilan dan rintangan kakisannya. Dalam persekitaran yang mengandungi-klorida, filem pasif Nb-yang diubah suai menunjukkan ketumpatan kecacatan titik berkurangan dan rintangan dipertingkatkan terhadap pecahan setempat .

Kajian sistematik terkini oleh Gautier et al. memeriksa tambahan W, Ta dan Hf untuk-aplikasi suhu tinggi. Selepas pendedahan 5000 jam pada 650°C di udara, W menunjukkan pengurangan paling ketara dalam kinetik pengoksidaan.

Mekanisme: W menggalakkan pembentukan Ti₂N pada antara muka oksida/logam, mewujudkan lapisan kaya nitrogen-yang mengurangkan pelarutan oksigen ke dalam aloi pukal. Aloi terner Ti-10Al-2W (pada%) mengatasi prestasi aloi suhu tinggi komersial Ti6242S dalam rintangan pengoksidaan .

Tukar ganti-: W adalah padat (19.3 g/cm³), dan penambahan berat menafikan kelebihan ketumpatan titanium. Cabarannya terletak pada mengenal pasti kepekatan minimum (biasanya<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.

Eutectoid-elemen pembentuk-Fe, Cr, Ni, Cu, Si-juga menekan β-transus tetapi berbeza daripada penstabil isomorf dalam keupayaannya untuk membentuk sebatian antara logam melalui penguraian eutektoid.
 

Fe ialah penstabil β-yang mujarab dan murah. Kadar resapan pantasnya membolehkan tindak balas pantas terhadap rawatan haba, tetapi juga menggalakkan pengasingan semasa pemejalan. Aloi yang mengandungi-Fe memerlukan pemprosesan yang teliti untuk mengelakkan β-ketulan-kawasan setempat penstabil β{-yang menghasilkan sifat mekanikal tidak-seragam.
 

Penambahan Si sebanyak 0.1–0.5 wt% adalah standard dalam aloi suhu hampir-α tinggi-(cth, Ti-6242S, IMI 834). Si memberikan dua faedah:

Pengukuhan larutan pepejal: Si dalam larutan menghalang pendakian kehelan pada suhu tinggi

Kerpasan silisid: Halus (Ti,Zr)₅Si₃ mendakan sempadan butiran pin dan sub-sempadan, melambatkan ubah bentuk rayapan

Kerja terbaru oleh Gautier et al. mengesahkan bahawa Si, digabungkan dengan unsur refraktori, memberikan penambahbaikan sinergistik dalam kedua-dua rayapan dan rintangan pengoksidaan pada 600–650°C .
 

Zr, Hf dan Sn memberikan pengaruh yang minimum pada β-suhu transus tetapi memberikan pengukuhan larutan pepejal yang besar dalam kedua-dua fasa α dan β.

Zr boleh bercampur sepenuhnya dengan Ti dalam kedua-dua fasa α dan β-ciri unik yang timbul daripada kedudukan mereka dalam Kumpulan IVB jadual berkala. Keterlarutan lengkap ini membolehkan:

Pengukuhan tanpa ketidakstabilan fasa: Penambahan Zr meningkatkan kekuatan melalui mekanisme penyelesaian pepejal tanpa mengubah keseimbangan fasa, memudahkan reka bentuk aloi .

Peningkatan kakisan: Dalam persekitaran marin, Zr-yang mengandungi aloi membentuk filem pasif yang lebih stabil. ZrO₂ bergabung ke dalam lapisan TiO₂, mengurangkan kepekatan kekosongan oksigen dan meningkatkan ketahanan terhadap serangan klorida .

Penemuan terkini: Kajian terhadap aloi Ti575 (Ti-5Al-7.5V-0.5Si) membandingkan penambahan Mo dan Zr menunjukkan bahawa walaupun Zr memberikan kurang penapisan α daripada Mo, ia menggalakkan pemendakan silisid dengan mengurangkan halangan nukleasi .

Sn menyediakan pengukuhan penyelesaian pepejal tanpa mengubah kestabilan fasa dengan ketara. Dalam aloi-suhu tinggi (Ti-6242, Ti-1100), Sn menyumbang kepada rintangan rayapan melalui kesan larutan pepejal dan dengan mengubah suai gelagat pemendakan silisid.

   Bersambung...

Hubungi sekarang