آلیاژهای تیتانیوم جایگاه منحصر به فردی در مواد ساختاری دارند. تیتانیوم خالص، علیرغم مقاومت در برابر خوردگی و زیست سازگاری عالی، تنها استحکام متوسطی را ارائه می دهد (تقریباً 240 تا 550 مگاپاسکال استحکام کششی). تبدیل تیتانیوم از یک فلز خالص تجاری به یک-مواد مهندسی با کارایی بالا-با قابلیت 1500+ قدرت تسلیم مگاپاسکال-کاملاً در تعامل آن با عناصر آلیاژی از سراسر جدول تناوبی است.
بر خلاف فولاد یا آلیاژهای آلومینیوم، که مکانیسمهای تقویت اغلب به مجموعهای از عناصر باریک متکی هستند، تیتانیوم یک چشمانداز آلیاژی غیرمعمول گستردهای را ارائه میکند. بیش از 60 عنصر به طور قابل توجهی تعادل فاز تیتانیوم، سینتیک تبدیل و پاسخ مکانیکی را تغییر می دهند. این عناصر به طور تصادفی انتخاب نشده اند. نقش آنها توسط سازگاری کریستالوگرافی بنیادی، ساختار الکترونیکی و موقعیت آنها نسبت به تیتانیوم در جدول تناوبی تعیین می شود.
این مقاله بررسی سیستماتیکی را ارائه میکند که چگونه این خانواده «شریک چند عنصری» عملکرد «-سفارشیسازی بر اساس تقاضا»-از ترکیب Al-V غالب بر کاربردهای هوافضا گرفته تا فلزات نسوز که دمای خدمات را به بیش از 600 درجه میرسانند، ارائه میکند.
چارچوب متالورژی: چرا تیتانیوم به بسیاری از عناصر پاسخ می دهد؟
1.1 تبدیل آلوتروپیک به عنوان یک متغیر طراحی
تطبیق پذیری تیتانیوم از تبدیل آلوتروپیک آن ناشی می شود. زیر 882 درجه، تیتانیوم خالص در یک ساختار بسته شش ضلعی بسته-(HCP) که به عنوان -Ti نامگذاری شده است، متبلور می شود. بالاتر از این دما، به جسم-مکعب مرکزی (BCC) -Ti .
این دمای تبدیل-و پایداری هر فاز- عمیقاً با افزودنهای آلیاژی تغییر میکند. عناصری که -دمای ترانسوس را افزایش میدهند، میدان فاز را گسترش میدهند و -تثبیتکننده نامیده میشوند. عناصری که -دمای transus را کاهش میدهند، میدان فاز را گسترش میدهند و -تثبیتکننده نامیده میشوند. دسته سوم، عناصر خنثی، کمترین تأثیر را بر دمای تبدیل دارند.
این چارچوب پایداری فاز، مهندسی ریزساختار را در مقیاسهای چندگانه امکانپذیر میسازد: اندازه دانه اولیه، ضخامت لایه ثانویه، مورفولوژی دانه و توزیع ترکیبات بین فلزی.
1.2 سیستم طبقه بندی
عناصر آلیاژی بر اساس برهمکنش آنها با تبدیل آلوتروپیک تیتانیوم به چهار دسته عملکردی تقسیم می شوند:
| دسته بندی | عناصر |
تأثیر بر -Transus |
محدوده غلظت معمولی |
| -تثبیت کننده ها | Al، Ga، Ge، B، O، N، C | افزایش دهید |
l: 2-7 درصد وزنی؛ O: 0.1-0.3 درصد وزنی |
| -تثبیت کننده ها (ایزومورف) | Mo، V، Nb، Ta، W | کاهش دهد |
V: 2-15 درصد وزنی؛ Nb: 10-40 درصد وزنی |
| -تثبیت کننده ها (یوتکتوئید) | آهن، کروم، نیکل، مس، سی، H | کاهش دهد |
V: 2-15 درصد وزنی؛ Nb: 10-40 درصد وزنی |
| عناصر خنثی | Zr، Hf، Sn | حداقل تغییر |
Zr: 1-8 درصد وزنی؛ Sn: 2-5 درصد وزنی |
شکل 1 ویژگیهای نمودار فاز دودویی را برای هر دسته نشان میدهد و نشان میدهد که چگونه افزودههای آلیاژی مرزهای فاز را تغییر میدهند و نتایج ریزساختاری متفاوتی را ممکن میسازند.
-تثبیت کننده ها: پایه استحکام و اکسیداسیون
2.1 آلومینیوم: تقویت کننده جهانی
آلومینیوم پرکاربردترین عنصر آلیاژی در تیتانیوم است که تقریباً در تمام آلیاژهای تجاری از Ti-6Al-4V تا آلیاژهای نزدیک به دمای بالا وجود دارد. تسلط آن از مشارکت های متعدد ناشی می شود:
·تقویت محلول جامد: Al ترجیحاً در فاز - حل می شود و مکان های جایگزینی را در شبکه HCP اشغال می کند. این دو اثر تقویت کننده ایجاد می کند: (1) اعوجاج شبکه افزایش مقاومت در برابر حرکت نابجایی، و (2) اصلاح -انرژی خطای انباشته شدن فاز.
·کاهش تراکم: در 2.7 گرم بر سانتی متر مکعب، Al به طور قابل توجهی چگالی آلیاژ را کاهش می دهد. هر افزودن 1 درصد وزنی Al چگالی را تقریباً 1.5 درصد کاهش می دهد، یک مزیت حیاتی برای کاربردهای هوافضا که در آن استحکام خاص طراحی اجزا را تعیین می کند.
· پتانسیل سفارش: در غلظت های بیش از حدود 8 درصد وزنی، Al باعث تشکیل رسوب های مرتب شده 2 (Ti3Al) می شود. در حالی که این آلیاژها در صورت توزیع درشت می توانند آلیاژ را ترد کنند، بارندگی کنترل شده مسیرهای تقویت بیشتری را ارائه می دهد.
کار اخیر هوانگ و همکاران. نشان داد که افزودنهای Al اساساً رفتار نابجایی را در تیتانیوم تغییر میدهند. در آلیاژهای دوتایی Ti-6Al، Al دوقلو شدن تغییر شکل را سرکوب میکند و تنش برشی حل بحرانی (CRSS) را برای سیستمهای لغزش متعدد اصلاح میکند. این استحکام با یک معاوضه همراه است: در حالی که استحکام تسلیم افزایش می یابد، شکل پذیری و چقرمگی ضربه معمولاً کاهش می یابد.
2.2 تقویت کننده های بینابینی: اکسیژن، نیتروژن، کربن
اکسیژن، نیتروژن و کربن مکان های بینابینی را در شبکه تیتانیوم اشغال می کنند و استحکام فوق العاده کارآمدی را در غلظت های پایین ایجاد می کنند. هر 0.1 درصد وزنی O استحکام تسلیم را تقریباً 150-200 مگاپاسکال افزایش می دهد.
· اکسیژن: به عنوان شایع ترین ماده بینابینی، O هم یک فرصت تقویت کننده و هم یک نگرانی آلودگی است. اکسیژن فاز -را تثبیت میکند، دمای -ترانسوس را افزایش میدهد و محلول جامد را تقویت میکند. با این حال، بیش از 0.3-0.4 درصد وزنی O باعث ایجاد شکنندگی شدید از طریق سرکوب مکانیسمهای تغییر شکل شکلپذیر میشود.
· نیتروژن: پیشرفت های اخیر نقش N را مورد بازنگری قرار داده است. ژانگ و همکاران نشان داد که افزودن های N کنترل شده (0.17-0.40 درصد وزنی) همراه با مهندسی مرز دانه می تواند ترکیبات انعطاف پذیری استثنایی را ایجاد کند. آلیاژ Ti{14}}1800 آنها (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N) از طریق ساختار سلسله مراتبی از رسوب اولیه، ثانویه و بسیار ریز -Widmanstätten به استحکام تسلیم 1800 مگاپاسکال دست یافت.
· کربن: افزودن 0.05-0.2 wt٪ C باعث تشکیل TiC می شود. این کاربیدها عملکردهای دوگانه ای دارند: (1) سنجاق کردن مرزهای دانه در هنگام پردازش در دمای بالا، پالایش ریزساختار نهایی، و (2) عمل به عنوان مکان های ناهمگن هسته برای بارش. ریزساختار حاصل دانه های ریزتر و جهت گیری های لت تصادفی تر را نشان می دهد.
2.3 بور: عامل پالایش دانه
میکروآلیاژ کردن با B (0.01-0.2 درصد وزنی) باعث تولید سبیل های TiB می شود که به طور قابل توجهی اندازه دانه قبلی را اصلاح می کند. در آلیاژهای TA6.5، 0.2 درصد وزنی B، ریزساختار را از Widmanstätten درشت به مورفولوژی بافت پالایش شده تبدیل کرد، اندازه کلنی را کاهش داد و هم دمای اتاق و هم خواص کششی 650 درجه را بهبود بخشید.
ادامه...
