Коммерчески чистый титан классов 1 и 2 по сравнению с Ti-6Al-4V класса 5: ключевые различия

Титан поставляется в широком ассортименте марок, и разница между ними определяет, как готовая деталь будет вести себя при эксплуатации. При рассмотрении спецификаций чаще всего сравнивают три марки: титан марки 1 и 2, технически чистый (CP), и марку 5, сплав Ti-6Al-4V. Все три материала гораздо лучше противостоят хлоридсодержащей воде и окислительным средам, чем углеродистая сталь или нержавеющая сталь, однако они различаются по чистоте, содержанию сплавов, прочности, формуемости и стоимости. Соответствие класса эксплуатации, а не выбор самого надежного варианта по умолчанию, является тем, что обеспечивает безопасность и экономичность оборудования, работающего под давлением, теплообменников и конструктивных деталей.

Химический состав с первого взгляда

Коммерчески чистые марки представляют собой нелегированный титан с жесткими ограничениями по содержанию межузельных элементов, тогда как в класс 5 добавляются алюминий и ванадий в качестве преднамеренных легирующих добавок. В таблице ниже приведены ограничения, разделяющие три класса.

Кислород является единственным наиболее влиятельным элементом внедрения в технически чистых марках: он повышает прочность, одновременно снижая пластичность. Вот почему марка 1 и марка 2 различаются главным образом содержанием кислорода, а не добавками сплавов.

Сравнение механических свойств

Класс 5 обеспечивает примерно в три раза больший предел текучести, чем класс 2, оставаясь при этом примерно на 40 % легче, чем эквивалентный стальной профиль, поэтому он доминирует в аэрокосмической и высокопроизводительной-машиностроении. Вместо этого выбираются класс 1 и класс 2, когда деталь необходимо формовать, согнуть, расширять или сваривать в больших количествах и где механическая нагрузка умеренная.

Коррозионная стойкость, формуемость и свариваемость

Окислительные и нейтральные хлоридные среды:Марки 1 и 2 образуют стабильную пассивную оксидную пленку и являются предпочтительным выбором для морской воды, рассола, гипохлорита и влажного хлора.

Класс 5 в коррозионном режиме:эксплуатационные характеристики близки к технически чистым маркам в большинстве сред, но легирующие добавки снижают пластичность и немного снижают стойкость в некоторых агрессивных восстановительных средах.

Горячие восстановительные кислоты:В случае воздействия на титан CP вместо класса 5 указываются молибденовые-содержащие марки 12 или палладий-стабилизированные.

Формируемость:Класс 1 является наиболее поддающимся формованию и сварке, за ним следует класс 2. Класс 5 требует более высоких формовочных усилий, более жесткого контроля упругого возврата и снятия напряжений после сварки.

Поведение при изготовлении:все три марки плохо проводят тепло, поэтому необходимы низкие скорости резания, обильный поток СОЖ и острые инструменты, чтобы избежать наклепа и истирания.

Типичные промышленные применения

1 класс:химические технологические сосуды, теплообменные трубки, трубопроводы для морской воды, опреснительные установки, гальванические стойки и аноды.

2 класс:марка CP общего-назначения для сосудов под давлением, резервуаров для хранения, труб и трубопроводов, фланцев, фитингов и трубок конденсаторов. Это наиболее широко распространенный сорт титана в промышленности.

5 класс:детали аэрокосмических конструкций, компоненты шасси, оборудование двигателей, хирургические имплантаты, гидравлические фитинги высокого-давления, подводное оборудование и крепежные детали,-выдерживающие высокие нагрузки.

Уровень 5 ELI (ASTM F136):сверх-низкий-промежуточный вариант, используемый там, где важны вязкость разрушения и усталостная долговечность, например, в имплантатах и ​​ответственных поковках.

Руководство по выбору для инженеров-проектировщиков

Начните с окружающей среды, а не с силы. Если средой является морская вода, рассол, гипохлорит или влажный хлор, а компонент формован или сварен, класс 2 обычно соответствует требованиям с наименьшими затратами, а класс 1 зарезервирован для жесткой формовки, такой как глубокая-вытянутая или расширенная труба. Если компонент подвергается высокой механической нагрузке, подвергается повышенным температурам или ему необходимо снизить вес, подходящим выбором является класс 5, и производство должно планироваться с учетом его более низкой пластичности, включая полную защиту аргоном, квалифицированные процедуры сварки и снятие напряжений после-сварки. Если среда представляет собой горячую восстановительную кислоту, ни класс 2, ни класс 5 не подходят, и следует оценивать марку, содержащую молибден-. Задокументируйте марку, действующие стандарты и условия поставки в спецификации покупки, поскольку такие свойства, как минимальный предел текучести, гарантируются стандартом на материал, а не только сертификатом завода.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: В чем основная разница между титаном класса 1 и класса 2?
Оба представляют собой нелегированный технически чистый титан. Содержание кислорода в классе 1 ограничено 0,18 %, а в классе 2 — 0,25 % кислорода, поэтому класс 1 мягче, более пластичен и его легче формовать, а класс 2 обеспечивает более высокую прочность при немного меньшем удлинении. Класс 2 является более распространенным промышленным выбором.

Вопрос: Является ли титан класса 5 таким же устойчивым к коррозии, как и титан класса 2?
В морской воде, рассоле и большинстве окислительных сред они ведут себя одинаково, и пассивная пленка столь же эффективно защищает класс 5. Для горячих восстановительных кислот технически чистые марки уже непригодны, и для любого применения следует использовать марку, содержащую молибден-, такую ​​как марка 12.

Вопрос: Можно ли сваривать три марки друг с другом?
Да. Все марки Grade 1, Grade 2 и Grade 5 представляют собой альфа- или альфа-бета-титановые сплавы и могут соединяться с соответствующими присадочными металлами, такими как ERTi-1, ERTi-2 и ERTi-5, при условии, что соединение защищено аргоном с обеих сторон и процедура квалифицирована. Разнородные соединения следует оценивать отдельно, поскольку химический состав сварочной ванны отличается от обоих основных металлов.

Вопрос: Какую марку следует использовать для трубопроводов морской воды?
Класс 2 является стандартным выбором для труб, фитингов и трубок конденсатора морской воды. Класс 1 используется там, где трубка сильно расширена или изогнута, а класс 5 — только в тех случаях, когда высокие механические нагрузки или высокое давление не позволяют использовать технически чистые сорта.

Вопрос: Насколько горячим можно использовать каждый сорт?
Коммерчески чистые сорта обычно ограничиваются температурой около 300°C при непрерывной эксплуатации, поскольку прочность падает, а окисление ускоряется выше этого уровня. Класс 5 сохраняет полезную прочность примерно до 400 C, а вариант со сверх-низким-промежуточным слоем меняет небольшое количество прочности на повышенную ударную вязкость.

Вопрос: Какие стандарты охватывают эти классы?
ASTM B265 охватывает пластины, листы и полосы, ASTM B338 – бесшовные и сварные трубы, ASTM B348 – прутки и заготовки, ASTM B381 – поковки, а ASTM F136 – медицинский класс сверх-низкой-промежуточной прочности 5. Эквивалентные номера ASME SB применяются к оборудованию, работающему под давлением.