Титановый сплав: шесть основных инженеров по свойствам, которые следует знать

Что определяет титановый сплав

Титановый сплав представляет собой сплав титана с такими элементами, как алюминий, ванадий, молибден, олово и цирконий, для регулирования прочности, сопротивления ползучести и коррозионных свойств. Контроль примесей играет центральную роль: кислород, азот, углерод и водород являются элементами внедрения, содержание которых, определенное как максимальное в ASTM B265 и GB/T 3621, меняет баланс между прочностью и пластичностью. Шесть свойств доминируют в инженерных решениях, и каждое имеет последствия для дизайна.

1. Высокая удельная прочность

Титановые сплавы имеют плотность около 4,43-4,51 г/см3, что составляет примерно 60% стали, а высоко-марки прочности превышают предел прочности многих конструкционных сталей. Ti-6Al-4V в отожженном состоянии показывает минимальную прочность на разрыв 895 МПа и предел текучести 828 МПа по ASTM B265. По соотношению прочности к плотности он превосходит алюминиевые сплавы и большинство сталей, поэтому титан используется для изготовления деталей авиационных двигателей, рам, обшивок, крепежных элементов и шасси, где в бюджете предусмотрен каждый килограмм.

2. Термическая прочность

Титановые сплавы сохраняют полезную прочность при температурах, при которых алюминиевые сплавы размягчаются. Альфа---бета-сплавы, такие как Ti-6Al-4V, используются при длительной эксплуатации при температуре примерно до 350-400 градусов, а сплавы, близкие к альфа-версии, такие как Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, работают при температуре 450-540 градусов. Алюминиевые сплавы теряют свои преимущества при температуре выше 150 градусов, поэтому компоненты компрессора и выхлопа в двигателях переходят на титановые или никелевые сплавы по мере повышения рабочей температуры.

3. Коррозионная стойкость

Титан образует плотную-самовосстанавливающуюся оксидную пленку, которая пассивирует поверхность в окислительных, нейтральных и слабовосстанавливающих средах. Он устойчив к морской воде, хлоридам, азотной кислоте, органическим кислотам и щелочам лучше, чем нержавеющая сталь в большинстве хлоридных сред, и не подвергается точечному и щелевому воздействию, которое ограничивает использование аустенитной нержавеющей стали в морской эксплуатации. При повреждении пленка восстанавливается в течение миллисекунд, поэтому титановое оборудование на хлор-щелочных и опреснительных установках работает десятилетиями. Исключением являются восстановительные среды, такие как горячая соляная или серная кислота, для которых используются палладий-содержащие (класс 7) или молибден-никелевые (класс 12) сплавы.

4. Устойчивость к низким-температурам

В отличие от углеродистой стали, титан не становится хрупким при низких температурах. Альфа-сплавы с низким содержанием внедрения, такие как Ti-5Al-2,5Sn, сохраняют пластичность и вязкость до -253 градусов, а титан является стандартным материалом для криогенных сосудов, оборудования для СПГ и баков ракетного топлива. Конструкторы используют одно и то же семейство сплавов при -253 градусах и при 500 градусах, что упрощает квалификацию.

5. Высокая химическая активность.

Титан химически активен при повышенной температуре: выше примерно 600 градусов он поглощает из воздуха кислород и азот, образуя твердую хрупкую альфа-оболочку; Поглощение водорода вызывает гидридное охрупчивание. Последствия для изготовления конкретны: горячая обработка и сварка требуют контролируемой атмосферы или вакуума, при механической обработке необходимо снимать альфа-корпус перед обслуживанием, а искры при шлифовке титана могут воспламениться. Эти ограничения, а не цена материала, определяют большую часть стоимости титановых деталей.

6. Низкая теплопроводность и модуль упругости.

Титан проводит тепло со скоростью около 15-17 Вт/(м·К) при комнатной температуре, это примерно одна-пятая часть железа и одна-четырнадцатая часть алюминия, а его модуль упругости примерно вдвое меньше, чем у стали. Низкая проводимость концентрирует тепло резания на кромке инструмента, что требует твердосплавного инструмента и СОЖ; Низкий модуль означает более высокую упругость при формовке и меньшую жесткость в тонких компонентах. Проектировщики компенсируют это геометрией сечения, а не предполагают поведение, подобное стали.

Часто задаваемые вопросы

Какова температура плавления титана?

Чистый титан плавится при температуре 1668 градусов. Легирующие элементы слегка смещают солидус; Ti-6Al-4V плавится в диапазоне температур около 1600–1660 градусов, поэтому практика плавки и сварки определяется значительно ниже этих температур.

Почему обработка титана дорогая?

Его низкая теплопроводность удерживает тепло на режущей кромке, он -затвердевает и вступает в реакцию с инструментальными материалами при высоких температурах. Это требует низкой скорости резания, использования жестких станков, залива СОЖ и частой смены инструмента.

Корродирует ли титан в морской воде?

Нет. Пассивная оксидная пленка делает титан эффективно невосприимчивым к коррозии в морской воде, включая точечную коррозию и трещины при температуре окружающей среды, поэтому она является стандартом для морских теплообменников и морских трубопроводов.

Что такое альфа-корпус из титана?

Альфа-корпус представляет собой слой твердой поверхности, обогащенный кислородом- и азотом-, образующийся при нагревании титана на воздухе при температуре выше 600 градусов. Он хрупкий и должен быть удален путем механической обработки или химического фрезерования перед вводом детали в эксплуатацию.

Какие стандарты определяют свойства титановых сплавов?

Общими спецификациями являются ASTM B265 (лист, полоса и пластина), ASTM B348 (пруток и заготовка), ASTM B338 и B861 (трубы и трубы), GB/T 3621 (китайские пластины и листы) и ISO 5832 для сплавов имплантатов, каждая из которых содержит таблицы химического состава и прочности на растяжение для каждой марки.