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

สารคงตัว β-แบบไอโซมอร์ฟัสใช้โครงสร้างผลึก BCC ของไทเทเนียมร่วมกัน และแสดงความสามารถในการละลายของแข็งได้อย่างสมบูรณ์ในเฟส β- องค์ประกอบเหล่านี้-Mo, V, Nb, Ta, W-ก่อให้เกิดแกนหลักของโลหะผสมไทเทเนียม α+β และ β-

V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50% ของการบริโภคไทเทเนียมทั่วโลก การเพิ่ม V 4 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักจะกด β- transus อย่างเพียงพอเพื่อให้โครงสร้างจุลภาคสอง- เฟสมีเฟสประมาณ 10–50% β- ที่อุณหภูมิห้อง

V มีฟังก์ชันที่สำคัญหลายประการ:

β การเก็บรักษา: ช่วยให้สามารถควบคุมโครงสร้างจุลภาคผ่านการบำบัดความร้อน

ความแข็งแกร่งที่ไม่มีการเปราะ: แตกต่างจากการเสริมความแข็งแกร่งของคั่นระหว่างหน้า V รักษาความเหนียวในขณะที่มีส่วนช่วยในการเสริมความแข็งแกร่งของสารละลายที่เป็นของแข็ง

ความสามารถในการประกอบ: โครงสร้างจุลภาคสอง-มีความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความสามารถในการขึ้นรูปขณะร้อนและคุณสมบัติทางกลขั้นสุดท้าย

Mo มีประสิทธิผลประมาณสองเท่าของ V ในการรักษาเสถียรภาพ β- โดยวัดปริมาณผ่านแนวคิดการเทียบเท่าโมลิบดีนัม ([Mo]eq) แต่ละ 1 wt% Mo ให้พลังงานเสถียรภาพ β- เทียบเท่ากับประมาณ 2 wt% V

การควบคุมเฟส: ในโลหะผสม เช่น Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si (ใช้สำหรับตัวยึดสำหรับการบินและอวกาศที่มีความแข็งแรงสูง) Mo ช่วยให้สามารถกักเก็บ β ได้อย่างสมบูรณ์ในการชุบแข็ง ตามด้วยการตกตะกอนของ α ที่ควบคุมในระหว่างการบ่ม

ความต้านทานการกัดกร่อน: การเติม Mo ช่วยเพิ่มความเฉื่อยในการลดสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด โลหะผสม Ti-Mo จะสร้างฟิล์มแบบพาสซีฟที่มี MoO₃ ผสมกับ TiO₂ ซึ่งให้ความเสถียรที่เหนือกว่าในสารละลาย HCl เมื่อเปรียบเทียบกับไทเทเนียมที่ไม่มีการเจือ

ความก้าวหน้าล่าสุด: Zhang และคณะ แสดงให้เห็นว่า Mo- ที่ประกอบด้วยโลหะผสมที่มีการเติม N แบบควบคุมบรรลุคุณสมบัติพิเศษผ่านโครงสร้างลาเมลลาที่ต่างกัน โลหะผสม Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N ของพวกเขาได้รับความแข็งแรงของผลผลิต 1532 MPa โดยมีการยืดตัวสม่ำเสมอ 10.2% ซึ่งถือเป็นส่วนผสมที่ดีที่สุดที่รายงานสำหรับโลหะผสมไทเทเนียม

Nb และ Ta ได้รับความโดดเด่นในการใช้งานด้านชีวการแพทย์ซึ่งจำเป็นต้องมี-ความเข้ากันได้ทางชีวภาพในระยะยาว ซึ่งแตกต่างจาก V ซึ่งทำให้เกิดความกังวลต่อความเป็นพิษต่อเซลล์ Nb และ Ta มีความเฉื่อยทางสรีรวิทยา

การออกแบบโมดูลัสต่ำ: การเติม Nb จะทำให้โลหะผสมไทเทเนียม-มีโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำกว่า 50 GPa- ซึ่งเข้าใกล้ 10–30 GPa ของกระดูกและต่ำกว่า 110 GPa ของ Ti-6Al-4V มาก โลหะผสม Ti-35Nb-7Zr-5Ta เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของแนวทางนี้ โดยผสมผสาน Nb กับ Zr และ Ta เพื่อลดการป้องกันความเครียดในการปลูกถ่ายกระดูก

การปรับปรุงฟิล์มแบบพาสซีฟ: Nb และ Ta ออกไซด์รวมเข้ากับฟิล์มแบบพาสซีฟที่พื้นผิว เพิ่มความเสถียรและความต้านทานการกัดกร่อน ในสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์- ฟิล์มพาสซีฟที่ได้รับการปรับแต่ง Nb- จะแสดงความหนาแน่นของจุดบกพร่องที่ลดลง และเพิ่มความต้านทานต่อการสลายเฉพาะจุด

การศึกษาเชิงระบบล่าสุดโดย Gautier และคณะ ตรวจสอบการเติม W, Ta และ Hf สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง- หลังจากการเปิดรับแสงที่อุณหภูมิ 650°C ในอากาศเป็นเวลา 5,000 ชั่วโมง W แสดงให้เห็นถึงการลดจลนศาสตร์ของการเกิดออกซิเดชันที่เด่นชัดที่สุด

กลไก: W ส่งเสริมการก่อตัวของ Ti₂N ที่ส่วนต่อประสานออกไซด์/โลหะ ทำให้เกิดชั้นไนโตรเจน-ที่อุดมไปด้วยซึ่งจะลดการละลายของออกซิเจนลงในโลหะผสมขนาดใหญ่ โลหะผสม Ti-10Al-2W (at%) มีประสิทธิภาพเหนือกว่าโลหะผสม Ti6242S ที่มีอุณหภูมิสูงเชิงพาณิชย์ในด้านความต้านทานออกซิเดชัน

หักล้าง-: W มีความหนาแน่น (19.3 g/cm³) และการเติมในปริมาณมากจะลบล้างข้อได้เปรียบด้านความหนาแน่นของไทเทเนียม ความท้าทายอยู่ที่การระบุความเข้มข้นขั้นต่ำ (โดยทั่วไป<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.

ธาตุยูเทคตอย-ที่ก่อตัว-Fe, Cr, Ni, Cu, Si-ยังกดทรานสซัส β-ด้วย แต่แตกต่างจากสารเพิ่มความคงตัวแบบไอโซมอร์ฟัสตรงที่ความสามารถในการสร้างสารประกอบระหว่างโลหะผ่านการสลายตัวของยูเทคตอยด์
 

Fe เป็นตัวทำให้เสถียร β-ที่ทรงพลังและราคาไม่แพง อัตราการแพร่กระจายที่รวดเร็วช่วยให้ตอบสนองต่อการบำบัดความร้อนได้อย่างรวดเร็ว แต่ยังส่งเสริมการแยกตัวระหว่างการแข็งตัว โลหะผสมที่มี Fe- จำเป็นต้องมีการประมวลผลอย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยง β-การหลุดล่อน-บริเวณที่มีการแปลเฉพาะจุดของสารทำให้เสถียร β- ที่ได้รับการเสริมสมรรถนะ ซึ่งผลิต-คุณสมบัติทางกลที่ไม่สม่ำเสมอ
 

การเติม Si 0.1–0.5 % โดยน้ำหนักเป็นมาตรฐานในโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงใกล้-α- (เช่น Ti-6242S, IMI 834) ศรีให้ประโยชน์สองประการ:

การเสริมความแข็งแกร่งให้กับสารละลายที่เป็นของแข็ง: สารละลาย Si ในอุปสรรคขัดขวางการไต่ระดับที่อุณหภูมิสูง

การตกตะกอนของซิลิไซด์: ละเอียด (Ti,Zr)₅Si₃ ตกตะกอนขอบเขตของเกรนของพินและขอบเขตย่อย- ซึ่งช่วยชะลอการเปลี่ยนรูปของการคืบ

ผลงานล่าสุดโดย Gautier และคณะ ยืนยันว่า Si เมื่อรวมกับองค์ประกอบทนไฟ ให้การปรับปรุงการทำงานร่วมกันทั้งในการต้านทานการคืบและการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิ 600–650°C
 

Zr, Hf และ Sn มีอิทธิพลเพียงเล็กน้อยต่ออุณหภูมิทรานสซัส β- แต่ให้สารละลายของแข็งที่สำคัญซึ่งเสริมกำลังทั้งในเฟส α และ β

Zr สามารถผสมกับ Ti ได้ทั้งในเฟส α และ β -ซึ่งเป็นคุณลักษณะเฉพาะที่เกิดขึ้นจากตำแหน่งในกลุ่ม IVB ของตารางธาตุ ความสามารถในการละลายที่สมบูรณ์นี้ช่วยให้:

การเสริมความแข็งแกร่งโดยไม่มีความไม่เสถียรของเฟส: การเติม Zr จะเพิ่มความแข็งแกร่งผ่านกลไกการแก้ปัญหาแบบแข็งโดยไม่ต้องเปลี่ยนสมดุลของเฟส ทำให้การออกแบบโลหะผสมง่ายขึ้น

การปรับปรุงการกัดกร่อน: ในสภาพแวดล้อมทางทะเล โลหะผสมที่มี Zr- จะทำให้เกิดฟิล์มเฉื่อยที่เสถียรมากขึ้น ZrO₂ รวมเข้ากับชั้น TiO₂ ซึ่งช่วยลดความเข้มข้นของตำแหน่งออกซิเจนที่ว่าง และเพิ่มความต้านทานต่อการโจมตีของคลอไรด์

การค้นพบล่าสุด: การศึกษาเกี่ยวกับโลหะผสม Ti575 (Ti-5Al-7.5V-0.5Si) เปรียบเทียบการเติม Mo และ Zr แสดงให้เห็นว่าแม้ Zr ให้การปรับแต่ง α น้อยกว่า Mo แต่ก็ส่งเสริมการตกตะกอนของซิลิไซด์โดยการลดอุปสรรคในการเกิดนิวเคลียส

Sn ให้สารละลายที่แข็งแกร่งโดยไม่เปลี่ยนแปลงความเสถียรของเฟสอย่างมีนัยสำคัญ ในโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง- (Ti-6242, Ti-1100) Sn มีส่วนช่วยในการต้านทานการคืบผ่านผลของสารละลายที่เป็นของแข็ง และโดยการปรับเปลี่ยนพฤติกรรมการตกตะกอนของซิลิไซด์

   ดำเนินการต่อ...

ติดต่อได้เลย