Al, V, Nb, Ta... Atlas ta' Msieħba ta' Multi-Element ta' Ligi tat-Titanju: Kif 60+ Elementi Jikseb Prestazzjoni fuq-Personalizzazzjoni tad-Demand?(I)

Ligi tat-titanju jokkupaw pożizzjoni unika fil-materjali strutturali. It-titanju pur, minkejja r-reżistenza għall-korrużjoni u l-bijokompatibilità eċċellenti tiegħu, joffri biss saħħa moderata (madwar 240-550 MPa saħħa tat-tensjoni). It-trasformazzjoni tat-titanju minn metall kummerċjalment pur għal-materjal ta' inġinerija ta' prestazzjoni għolja-kapaċi ta' 1500+ saħħa ta' rendiment MPa- tinsab kompletament fl-interazzjoni tagħha ma' elementi ta' liga minn madwar it-tabella perjodika .

B'differenza mill-azzar jew il-ligi ta 'l-aluminju, fejn il-mekkaniżmi tat-tisħiħ spiss jiddependu fuq sett dejjaq ta' elementi, it-titanju jippreżenta pajsaġġ ta 'liga mhux tas-soltu wiesa'. Aktar minn 60 element jimmodifikaw b'mod sinifikanti l-ekwilibriji tal-fażi tat-titanju, il-kinetika tat-trasformazzjoni u r-rispons mekkaniku. Dawn l-elementi mhumiex magħżula bl-addoċċ; ir-rwoli tagħhom huma determinati minn kompatibilità kristallografika fundamentali, struttura elettronika, u l-pożizzjoni tagħhom relattiva għat-titanju fit-tabella perjodika.

Dan l-artikolu jipprovdi eżami sistematiku ta' kif din il-familja "imsieħeb b'ħafna-element" tippermetti prestazzjoni "-adattament fuq talba"-mill-kombinazzjoni Al-V li tiddomina l-applikazzjonijiet aerospazjali għal żidiet ta' metall refrattorju li jimbuttaw it-temperaturi tas-servizz lil hinn minn 600 grad .

Il-versatilità tat-titanju toriġina mit-trasformazzjoni allotropika tiegħu. Taħt 882 grad , titanju pur jikkristallizza fi struttura eżagonali ippakkjata mill-qrib-(HCP), indikata bħala -Ti. 'l fuq minn din it-temperatura, tittrasforma f'korp-kubu ċċentrata (BCC) -Ti .

Din it-temperatura ta' trasformazzjoni-u l-istabbiltà ta' kull fażi-hija mibdula profondament b'żidiet ta' liga. Elementi li jżidu t-temperatura -transus jespandu l--kamp tal-fażi u jissejħu -stabilizzaturi. Elementi li jbaxxu t-temperatura -transus jespandu l--kamp tal-fażi u jissejħu -stabilizzaturi . It-tielet kategorija, elementi newtrali, jeżerċitaw influwenza minima fuq it-temperatura tat-trasformazzjoni.

Dan il-qafas ta 'stabbiltà tal-fażi jippermetti inġinerija mikrostrutturali fuq skali multipli: daqs tal-qamħ primarju, ħxuna tal-lath sekondarja, morfoloġija tal-qamħ, u d-distribuzzjoni ta' komposti intermetalliċi.

Ibbażat fuq l-interazzjoni tagħhom mat-trasformazzjoni allotropika tat-titanju, l-elementi tal-liga jinqasmu f'erba 'kategoriji funzjonali:

Il-Figura 1 turi l-karatteristiċi tad-dijagramma tal-fażi binarja għal kull kategorija, li turi kif iż-żidiet tal-liga jfasslu mill-ġdid il-konfini tal-fażi u jippermettu riżultati mikrostrutturali differenti.

L-aluminju huwa l-element tal-liga l-aktar użat fit-titanju, preżenti fi kważi l-ligi kummerċjali kollha minn Ti-6Al-4V għal ligi qrib it-temperatura għolja. Id-dominanza tagħha ġejja minn kontribuzzjonijiet multipli:

·Tisħiħ tas-soluzzjoni solida: Al jinħall preferenzjali fil-fażi -, u jokkupa siti sostituzzjonali fi ħdan il-kannizzata HCP. Dan jipproduċi żewġ effetti ta 'tisħiħ: (1) distorsjoni tal-kannizzata li żżid ir-reżistenza għall-moviment ta' dislokazzjoni, u (2) modifika tal--enerġija tal-ħsara tal-istivar tal-fażi.

·Tnaqqis tad-densità: F'2.7 g/cm³, Al inaqqas b'mod sinifikanti d-densità tal-liga. Kull żieda ta '1 wt% Al tnaqqas id-densità b'madwar 1.5%, vantaġġ kritiku għal applikazzjonijiet aerospazjali fejn is-saħħa speċifika tiddetta d-disinn tal-komponent.

· Potenzjal ta 'ordni: F'konċentrazzjonijiet li jaqbżu madwar 8% wt, Al jippromwovi l-formazzjoni ta' preċipitati ordnati ₂ (Ti₃Al). Filwaqt li dawn jistgħu jiffrankaw il-liga jekk jitqassmu b'mod oħxon, il-preċipitazzjoni kkontrollata toffri mogħdijiet ta 'tisħiħ addizzjonali.

Xogħol reċenti minn Huang et al. wera li ż-żidiet Al jibdlu b'mod fundamentali l-imġieba tad-dislokazzjoni fit-titanju. F'ligi binarji Ti-6Al, Al irażżan il-ġemellaġġ tad-deformazzjoni u jimmodifika l-istress ta' shear riżolut kritiku (CRSS) għal sistemi ta' żlieq multipli. Dan it-tisħiħ jiġi ma 'kompromess: filwaqt li s-saħħa ta' rendiment tiżdied, id-duttilità u t-toughness tal-impatt tipikament jonqsu.

L-ossiġnu, in-nitroġenu u l-karbonju jokkupaw siti interstizjali fi ħdan il-kannizzata tat-titanju, u jipproduċu tisħiħ eċċezzjonalment effiċjenti f'konċentrazzjonijiet baxxi. Kull 0.1 wt% O iżid is-saħħa tal-produzzjoni b'madwar 150-200 MPa.

·Ossiġenu: Bħala l-aktar interstizjali komuni, O hija kemm opportunità ta 'tisħiħ kif ukoll tħassib dwar il-kontaminazzjoni. L-ossiġnu jistabbilizza l--fażi, jgħolli t-temperatura -transus, u jipprovdi tisħiħ sostanzjali tas-soluzzjoni solida. Madankollu, li jaqbeż bejn wieħed u ieħor 0.3–0.4 wt% O jinduċi fraġilità severa permezz ta 'soppressjoni ta' mekkaniżmi ta 'deformazzjoni duttili.

·Nitroġenu: L-avvanzi reċenti qiesu mill-ġdid ir-rwol ta 'N. Zhang et al. wera li żidiet kkontrollati ta 'N (0.17–0.40 wt%) flimkien ma' inġinerija tal-konfini tal-qamħ jistgħu jipproduċu kombinazzjonijiet ta 'saħħa-duttilità eċċezzjonali. Il-liga tagħhom Ti-1800 (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N) kisbet saħħa ta 'rendiment ta' 1800 MPa permezz ta 'struttura ġerarkika ta' preċipitati primarji, sekondarji u ultrafini -Widmanstätten.

·Karbonju: Żidiet ta '0.05–0.2 wt% C jippromwovu l-formazzjoni ta' TiC. Dawn il-karburi jaqdu funzjonijiet doppji: (1) li jpinnu l-konfini tal-qamħ matul l-ipproċessar ta'-temperatura għolja, jirfinaw il-mikrostruttura finali, u (2) jaġixxu bħala siti ta' nukleazzjoni eteroġeni għall-preċipitazzjoni. Il-mikrostruttura li tirriżulta turi ħbub ifjen u orjentazzjonijiet tal-latti aktar każwali.

Mikroliga b'B (0.01–0.2 wt%) tipproduċi whiskers TiB li jirfinaw sostanzjalment id-daqs tal-qamħ ta 'qabel. Fil-ligi TA6.5, 0.2 wt% B ttrasforma l-mikrostruttura minn Widmanstätten oħxon għal basket-rfinat morfoloġija tan-nisġa, tnaqqas id-daqs tal-kolonja u ttejjeb kemm it-temperatura tal-kamra kif ukoll il-proprjetajiet tat-tensjoni ta '650 grad .

 Tkompli...

Ikkuntattja issa