Al, V, Nb, Ta… Multi-Element Partner Atlas ของ Titanium Alloys: 60+ Elements บรรลุประสิทธิภาพตาม-การปรับแต่งความต้องการได้อย่างไร (I)

โลหะผสมไทเทเนียมครองตำแหน่งที่เป็นเอกลักษณ์ในวัสดุโครงสร้าง ไทเทเนียมบริสุทธิ์ แม้จะมีความต้านทานการกัดกร่อนและความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีเยี่ยม แต่ก็มีความแข็งแรงปานกลางเท่านั้น (ความต้านทานแรงดึงประมาณ 240–550 MPa) การเปลี่ยนแปลงของไทเทเนียมจากโลหะบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์ไปเป็น-วัสดุทางวิศวกรรมสมรรถนะสูง-ที่มีความสามารถในการ 1500+ กำลังรับผลผลิต MPa- ทั้งหมดอยู่ที่ปฏิสัมพันธ์กับธาตุผสมจากทั่วทั้งตารางธาตุ

ซึ่งแตกต่างจากเหล็กหรืออลูมิเนียมอัลลอยด์ที่กลไกการเสริมความแข็งแกร่งมักจะอาศัยชุดองค์ประกอบที่แคบ ไทเทเนียมนำเสนอภูมิทัศน์โลหะผสมที่กว้างผิดปกติ องค์ประกอบมากกว่า 60 รายการปรับเปลี่ยนสมดุลเฟสของไททาเนียม จลนศาสตร์ของการเปลี่ยนแปลง และการตอบสนองทางกลอย่างมีนัยสำคัญ องค์ประกอบเหล่านี้ไม่ได้ถูกเลือกแบบสุ่ม บทบาทถูกกำหนดโดยความเข้ากันได้ทางผลึกศาสตร์ขั้นพื้นฐาน โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ และตำแหน่งที่สัมพันธ์กับไทเทเนียมในตารางธาตุ

บทความนี้นำเสนอการตรวจสอบอย่างเป็นระบบว่ากลุ่ม "พันธมิตร-องค์ประกอบหลายองค์ประกอบ" นี้เปิดใช้งานประสิทธิภาพ "การปรับแต่งตามความต้องการ"- ได้อย่างไรจากชุดค่าผสม Al-V ที่มีอิทธิพลเหนือการใช้งานด้านการบินและอวกาศไปจนถึงการเติมโลหะทนไฟที่ดันอุณหภูมิบริการให้เกิน 600 องศา

ความเก่งกาจของไทเทเนียมมาจากการเปลี่ยนแปลงแบบ allotropic ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 882 องศา ไทเทเนียมบริสุทธิ์จะตกผลึกในโครงสร้างบรรจุปิด-หกเหลี่ยม (HCP) ซึ่งกำหนดให้เป็น -Ti เมื่อสูงกว่าอุณหภูมินี้ จะแปลงเป็นลูกบาศก์ศูนย์กลางของร่างกาย (BCC) -Ti

อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงนี้-และความเสถียรของแต่ละเฟส-ได้รับการเปลี่ยนแปลงอย่างมากโดยการเติมอัลลอยด์ องค์ประกอบที่เพิ่ม - อุณหภูมิของทรานส์ซัสจะขยาย - เฟสฟิลด์ และเรียกว่า - สารทำให้คงตัว องค์ประกอบที่กด - อุณหภูมิของทรานส์ซัส จะขยาย - เฟสฟิลด์ และเรียกว่า - สารทำให้คงตัว ประเภทที่สาม องค์ประกอบที่เป็นกลาง มีอิทธิพลน้อยที่สุดต่ออุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง

กรอบงานความเสถียรของเฟสนี้ช่วยให้วิศวกรรมโครงสร้างจุลภาคในหลายระดับได้: ขนาดเกรนหลัก, ความหนาของไม้ระแนงทุติยภูมิ, สัณฐานวิทยาของเกรน และการกระจายตัวของสารประกอบระหว่างโลหะ

จากการโต้ตอบกับการเปลี่ยนแปลงแบบ allotropic ของไททาเนียม องค์ประกอบโลหะผสมแบ่งออกเป็นสี่ประเภทการทำงาน:

รูปที่ 1 แสดงคุณลักษณะไดอะแกรมเฟสไบนารี่สำหรับแต่ละหมวดหมู่ โดยแสดงให้เห็นว่าการเติมอัลลอยด์จะปรับรูปร่างขอบเขตของเฟสและทำให้เกิดผลลัพธ์ทางโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกันได้อย่างไร

อลูมิเนียมเป็นธาตุโลหะผสมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในไทเทเนียม โดยมีอยู่ในโลหะผสมเชิงพาณิชย์เกือบทั้งหมดตั้งแต่ Ti-6Al-4V ไปจนถึงโลหะผสมใกล้อุณหภูมิสูง การครอบงำของมันเกิดจากการมีส่วนร่วมหลายประการ:

·การเสริมสารละลายที่เป็นของแข็ง: Al จะละลายเป็นพิเศษในช่วง - โดยครอบครองตำแหน่งทดแทนภายในโครงตาข่าย HCP สิ่งนี้ทำให้เกิดเอฟเฟกต์เสริมกำลังสองประการ: (1) การบิดเบือนของโครงตาข่ายเพิ่มความต้านทานต่อการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ และ (2) การเปลี่ยนแปลง -พลังงานข้อบกพร่องของการซ้อนเฟส

·การลดความหนาแน่น: ที่ 2.7 ก./ซม.³ Al จะลดความหนาแน่นของโลหะผสมลงอย่างมาก การเติม Al 1% โดยน้ำหนักแต่ละครั้งจะช่วยลดความหนาแน่นลงประมาณ 1.5% ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศที่ความแข็งแรงเฉพาะกำหนดการออกแบบส่วนประกอบ

·ศักยภาพในการสั่งซื้อ: ที่ความเข้มข้นเกินประมาณ 8 โดยน้ำหนัก Al จะส่งเสริมการก่อตัวของตะกอน ₂ (Ti₃Al) ที่ได้รับคำสั่ง แม้ว่าสิ่งเหล่านี้จะทำให้อัลลอยด์เปราะได้หากมีการกระจายตัวแบบหยาบ การตกตะกอนที่ควบคุมได้จะให้เส้นทางการเสริมกำลังเพิ่มเติม

ผลงานล่าสุดโดย Huang และคณะ แสดงให้เห็นว่าการเติมอัลจะเปลี่ยนพฤติกรรมความคลาดเคลื่อนในไทเทเนียมโดยพื้นฐาน ในโลหะผสม Ti-6Al แบบไบนารี Al จะยับยั้งการจับคู่การเสียรูปและแก้ไขความเค้นเฉือนที่ได้รับการแก้ปัญหาวิกฤต (CRSS) สำหรับระบบสลิปหลายระบบ การเสริมความแข็งแกร่งนี้มาพร้อมกับข้อเสีย: ในขณะที่ความแข็งแรงของผลผลิตเพิ่มขึ้น โดยทั่วไปความเหนียวและความทนทานต่อแรงกระแทกจะลดลง

ออกซิเจน ไนโตรเจน และคาร์บอนครอบครองตำแหน่งคั่นระหว่างหน้าภายในโครงตาข่ายไทเทเนียม ทำให้เกิดการเสริมกำลังที่มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษที่ความเข้มข้นต่ำ แต่ละ 0.1 wt% O จะเพิ่มความแข็งแรงของผลผลิตประมาณ 150–200 MPa

·ออกซิเจน: เนื่องจากเป็นสิ่งของคั่นระหว่างหน้าที่พบบ่อยที่สุด O จึงเป็นทั้งโอกาสในการเสริมสร้างความเข้มแข็งและความกังวลเกี่ยวกับการปนเปื้อน ออกซิเจนทำให้เฟส - คงที่ เพิ่ม - อุณหภูมิของทรานสซัส และเสริมสารละลายของแข็งอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม เกินประมาณ 0.3–0.4 wt% O ทำให้เกิดการเปราะอย่างรุนแรงผ่านการปราบปรามกลไกการเปลี่ยนรูปแบบเหนียว

·ไนโตรเจน: ความก้าวหน้าล่าสุดได้พิจารณาบทบาทของ N ใหม่อีกครั้ง จางและคณะ แสดงให้เห็นว่าการเพิ่ม N แบบควบคุม (0.17–0.40 wt%) รวมกับวิศวกรรมขอบเขตของเกรนสามารถทำให้เกิดการผสมผสานความเหนียวที่มีความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ- อัลลอยด์ Ti-1800 ของพวกมัน (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N) ได้รับความแข็งแกร่งของผลผลิต 1,800 MPa ผ่านโครงสร้างลำดับชั้นของตะกอนปฐมภูมิ ทุติยภูมิ และอุลตร้าไฟน์ -Widmanstätten

·คาร์บอน: การเติม 0.05–0.2 wt% C ส่งเสริมการเกิด TiC คาร์ไบด์เหล่านี้ทำหน้าที่สองอย่าง: (1) การตรึงขอบเขตของเกรนระหว่างการประมวลผลที่อุณหภูมิสูง- การขัดเกลาโครงสร้างจุลภาคขั้นสุดท้าย และ (2) ทำหน้าที่เป็นตำแหน่งนิวเคลียสที่ต่างกันสำหรับการตกตะกอน โครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้นจะแสดงเกรนที่ละเอียดกว่าและการวางแนวของไม้ระแนงแบบสุ่มมากขึ้น

ไมโครอัลลอยด์ที่มี B (0.01–0.2 wt%) ทำให้เกิดหนวด TiB ที่ปรับแต่งขนาดเกรนก่อนหน้าได้อย่างมาก ในโลหะผสม TA6.5 นั้น 0.2 wt% B เปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคจาก Widmanstätten แบบหยาบเป็น-สัณฐานวิทยาแบบสานตะกร้าที่ผ่านการขัดเกลา ลดขนาดโคโลนีและปรับปรุงทั้งอุณหภูมิห้อง-และคุณสมบัติแรงดึง 650 องศา

 ดำเนินการต่อ...

ติดต่อได้เลย