Al, V, Nb, Ta… Vairāki-Titāna sakausējumu elementu partneru atlants: kā 60+ elementi nodrošina veiktspēju pēc-pielāgošanas pieprasījuma?(I)

Titāna sakausējumi strukturālos materiālos ieņem unikālu vietu. Tīrs titāns, neskatoties uz tā lielisko izturību pret koroziju un bioloģisko saderību, piedāvā tikai mērenu izturību (aptuveni 240–550 MPa stiepes izturība). Titāna pārveide no komerciāli tīra metāla par augstas veiktspējas inženiertehnisko materiālu-, kas spēj sasniegt 1500+ MPa tecēšanas robežu-, ir pilnībā saistīta ar tā mijiedarbību ar leģējošiem elementiem no visas periodiskās tabulas.

Atšķirībā no tērauda vai alumīnija sakausējumiem, kur stiprināšanas mehānismi bieži balstās uz šauru elementu kopu, titānam ir neparasti plaša sakausējuma ainava. Vairāk nekā 60 elementi būtiski maina titāna fāzes līdzsvaru, transformācijas kinētiku un mehānisko reakciju. Šie elementi nav izvēlēti nejauši; to lomu nosaka fundamentālā kristalogrāfiskā savietojamība, elektroniskā struktūra un stāvoklis attiecībā pret titānu periodiskajā tabulā.

Šajā rakstā ir sniegta sistemātiska izpēte par to, kā šī "vairāku{0}}elementu partneru" saime nodrošina veiktspēju "pēc-pielāgošanu pēc pieprasījuma"-no Al-V kombinācijas, kas dominē kosmosa lietojumos, līdz ugunsizturīgo metālu piedevām, kas paaugstina ekspluatācijas temperatūru virs 600 grādiem.

Titāna daudzpusība izriet no tā alotropās transformācijas. Zem 882 grādiem tīrs titāns kristalizējas sešstūrainā ciešā-pakotā (HCP) struktūrā, kas apzīmēta kā -Ti. Virs šīs temperatūras tas pārvēršas par ķermeņa -centrētu kubiku (BCC) -Ti .

Šo transformācijas temperatūru-un katras fāzes stabilitāti- būtiski maina sakausējuma piedevas. Elementi, kas paaugstina -transusa temperatūru, paplašina -fāzes lauku un tiek saukti par -stabilizatoriem. Elementi, kas samazina -transusa temperatūru, paplašina -fāzes lauku un tiek saukti par -stabilizatoriem . Trešā kategorija, neitrālie elementi, minimāli ietekmē transformācijas temperatūru.

Šis fāzes stabilitātes ietvars nodrošina mikrostruktūras inženieriju vairākos mērogos: primārais graudu izmērs, sekundārā līstes biezums, graudu morfoloģija un intermetālisko savienojumu sadalījums.

Pamatojoties uz to mijiedarbību ar titāna alotropo transformāciju, leģējošie elementi tiek iedalīti četrās funkcionālās kategorijās:

1. attēlā ir parādīti katras kategorijas binārās fāzes diagrammas raksturlielumi, parādot, kā sakausējuma papildinājumi pārveido fāžu robežas un nodrošina dažādus mikrostrukturālus rezultātus.

Alumīnijs ir visplašāk izmantotais titāna sakausējuma elements, kas atrodas gandrīz visos komerciālajos sakausējumos, sākot no Ti-6Al-4V līdz augstas temperatūras gandrīz sakausējumiem. Tā dominējošo stāvokli nosaka vairāki ieguldījumi:

·Cieta šķīduma stiprināšana: Al galvenokārt izšķīst -fāzē, aizņemot aizvietošanas vietas HCP režģī. Tas rada divus pastiprinošus efektus: (1) režģa kropļojumu, kas palielina pretestību dislokācijas kustībai, un (2) -fāzes sakraušanas bojājuma enerģijas izmaiņas.

·Blīvuma samazināšana: pie 2,7 g/cm³ Al ievērojami samazina sakausējuma blīvumu. Katrs 1 masas % Al pievienojums samazina blīvumu par aptuveni 1,5 %, kas ir būtiska priekšrocība kosmosa lietojumos, kur īpašā stiprība nosaka komponentu dizainu.

· Sakārtotības potenciāls: Koncentrācijā, kas pārsniedz aptuveni 8 masas%, Al veicina sakārtotu ₂ (Ti3Al) nogulšņu veidošanos. Lai gan tie var sabojāt sakausējumu, ja tie ir rupji sadalīti, kontrolēti nokrišņi piedāvā papildu stiprināšanas ceļus.

Jaunākie Huang et al. parādīja, ka Al papildinājumi būtiski maina dislokācijas uzvedību titānā. Binārajos Ti-6Al sakausējumos Al nomāc deformācijas sadrumstalošanos un maina kritisko bīdes spriegumu (CRSS) vairākām slīdēšanas sistēmām. Šis stiprinājums ir saistīts ar kompromisu: lai gan tecēšanas robeža palielinās, plastiskums un triecienizturība parasti samazinās.

Skābeklis, slāpeklis un ogleklis aizņem intersticiālas vietas titāna režģī, radot ārkārtīgi efektīvu stiprinājumu zemās koncentrācijās. Katrs 0,1 masas % O palielina tecēšanas robežu par aptuveni 150–200 MPa.

·Skābeklis: kā visizplatītākā starpposma reklāma, O ir gan stiprināšanas iespēja, gan piesārņojuma problēma. Skābeklis stabilizē -fāzi, paaugstina -transusa temperatūru un nodrošina būtisku cietā šķīduma stiprināšanu. Tomēr, pārsniedzot aptuveni 0, 3–0, 4 masas % O, tas izraisa nopietnu trauslumu, nomācot plastiskos deformācijas mehānismus.

· Slāpeklis: nesenie sasniegumi ir pārskatījuši N lomu. Džans et al. pierādīja, ka kontrolētas N pievienošanas (0,17–0,40 masas%) apvienojumā ar graudu robežu inženieriju var radīt izcilas izturības -elastības kombinācijas. Viņu Ti-1800 sakausējums (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N) sasniedza 1800 MPa tecēšanas robežu, izmantojot hierarhisku primāro, sekundāro un īpaši smalko - Widmanstätten nogulšņu struktūru.

·Ogleklis: 0,05–0,2 masas % C piedevas veicina TiC veidošanos. Šie karbīdi pilda divas funkcijas: (1) nostiprina graudu robežas augstas temperatūras apstrādes laikā, uzlabo galīgo mikrostruktūru un (2) darbojas kā neviendabīgas kodolu veidošanās vietas nokrišņiem. Iegūtā mikrostruktūra parāda smalkākus graudus un nejaušākas līstes orientācijas.

Mikrosakausēšana ar B (0,01–0,2 masas%) rada TiB ūsas, kas būtiski uzlabo iepriekšējo graudu izmēru. TA6.5 sakausējumos 0,2 masas % B pārveidoja mikrostruktūru no rupjas Vidmanštetenas uz izsmalcinātu groza{5}}ausuma morfoloģiju, samazinot kolonijas lielumu un uzlabojot gan telpas-temperatūras, gan 650 grādu stiepes īpašības.

 Turpinās...

Sazinieties tagad