Titaniumlegering: Seks store egenskaber, ingeniører bør kende

Hvad definerer en titaniumlegering

En titanlegering er titanium legeret med elementer som aluminium, vanadium, molybdæn, tin og zirconium for at justere styrke, krybemodstand og korrosionsadfærd. Urenhedskontrol er central: oxygen, nitrogen, kulstof og brint er mellemliggende elementer, hvis indhold, angivet som maksimum i ASTM B265 og GB/T 3621, flytter balancen mellem styrke og duktilitet. Seks egenskaber dominerer tekniske beslutninger, og hver har en designkonsekvens.

1. Høj specifik styrke

Titaniumlegeringer har en densitet på omkring 4,43-4,51 g/cm3, ca. 60 % af stål, mens højstyrkekvaliteter overstiger trækstyrken for mange konstruktionsstål. Ti-6Al-4V i udglødet tilstand viser en minimumstrækstyrke på 895 MPa og et udbytte på 828 MPa pr. ASTM B265. Styrke-til-densitet-forholdet ligger over aluminiumlegeringer og de fleste stål, hvilket er grunden til, at titanium bruges til flymotordele, rammer, skind, fastgørelsesanordninger og landingsstel, hvor hvert kilogram er budgetteret.

2. Termisk styrke

Titaniumlegeringer bevarer nyttig styrke ved temperaturer, hvor aluminiumslegeringer blødgøres. Alfa-beta-legeringer såsom Ti-6Al-4V bruges op til omkring 350-400 grader i langvarig drift, og nær-alfa-legeringer såsom Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo fungerer ved 450-540 grader. Aluminiumslegeringer mister deres fordel over 150 grader, så kompressor- og udstødningskomponenter i motorer flytter til titanium- eller nikkellegeringer, efterhånden som driftstemperaturen stiger.

3. Korrosionsbestandighed

Titanium danner en tæt, selvreparerende-oxidfilm, der passiverer overfladen i oxiderende, neutrale og mildt reducerende medier. Det modstår havvand, chlorider, salpetersyre, organiske syrer og alkalier bedre end rustfrit stål i de fleste kloridmiljøer, og det lider ikke under det grube- og sprækkeangreb, der begrænser austenitisk rustfrit stål i skibsfart. Filmen regenererer inden for millisekunder, når den beskadiges, hvilket er grunden til, at titaniumudstyr i klor-alkali- og afsaltningsanlæg kører i årtier. Undtagelsen er reducerende medier såsom varm salt- eller svovlsyre, hvor palladium-holdige (Grade 7) eller molybdæn-nikkel (Grade 12) legeringer er specificeret.

4. Lav-temperatursejhed

I modsætning til kulstofstål bliver titanium ikke skørt ved lav temperatur. Alfa-legeringer med lavt interstitielt indhold, såsom Ti-5Al-2.5Sn, bevarer duktilitet og sejhed ned til -253 grader, og titanium er et standardmateriale til kryogeniske fartøjer, LNG-udstyr og raketdrivmiddeltanke. Designere bruger den samme legeringsfamilie ved -253 grader og ved 500 grader, hvilket forenkler kvalifikationen.

5. Høj kemisk reaktivitet

Titanium er kemisk aktivt ved forhøjet temperatur: over omkring 600 grader absorberer det ilt og nitrogen fra luften og danner et hårdt, skørt alfahus; brintopsamling forårsager hydridskørhed. Konsekvenser for fremstilling er beton: varmbearbejdning og svejsning kræver kontrollerede atmosfærer eller vakuum, bearbejdning skal fjerne alfa-huset før service, og slibende gnister af titanium kan antændes. Disse begrænsninger, ikke materialeprisen, driver en stor del af titanium-delens omkostninger.

6. Lav termisk ledningsevne og elastikmodul

Titanium leder varme ved omkring 15-17 W/(m·K) ved stuetemperatur, omkring en-femtedel af jern og en-fjortendedel af aluminium, og dets elasticitetsmodul er omkring halvdelen af ​​stål. Den lave ledningsevne koncentrerer skærevarme ved værktøjskanten, hvilket kræver hårdmetalværktøj og kølevæske; det lave modul betyder højere tilbagespring i formningen og lavere stivhed i slanke komponenter. Designere kompenserer med sektionsgeometri i stedet for at antage stållignende adfærd.

FAQ

Hvad er smeltepunktet for titanium?

Rent titanium smelter ved 1668 grader. Legeringselementer forskyder solidus lidt; Ti-6Al-4V smelter over et område omkring 1600-1660 grader, så smeltning og svejsning er defineret et godt stykke under disse temperaturer.

Hvorfor er titanium dyrt at bearbejde?

Dens lave varmeledningsevne fanger varme ved skærkanten, den arbejder-hærder, og den reagerer med værktøjsmaterialer ved høj temperatur. Dette fremtvinger langsomme skærehastigheder, stive maskiner, oversvømmelse af kølevæske og hyppige værktøjsskift.

Korroderer titanium i havvand?

Nej. Den passive oxidfilm gør titanium effektivt immunt over for havvandskorrosion, herunder grubetæring og sprækkeangreb ved omgivelsestemperatur, hvorfor det er standard for marine varmevekslere og offshore rør.

Hvad er alfa-sagen i titanium?

Alfa-tilfældet er et ilt-- og nitrogen--beriget hårdt overfladelag, der dannes, når titanium opvarmes i luften til over ca. 600 grader. Den er skør og skal fjernes ved bearbejdning eller kemisk fræsning, før delen tages i brug.

Hvilke standarder specificerer titanlegeringsegenskaber?

De almindelige specifikationer er ASTM B265 (plade, strimmel og plade), ASTM B348 (stang og billet), ASTM B338 og B861 (rør og rør), GB/T 3621 (kinesisk plade og plade) og ISO 5832 for implantatlegeringer, hver med kemi- og træktabeller for hver kvalitet.