Al, V, Nb, Ta… Многоэлементный партнерский атлас титановых сплавов: как элементы 60+ достигают производительности при-индивидуальной настройке по требованию?(Ⅱ)

Изоморфные β-стабилизаторы разделяют кристаллическую структуру BCC титана и демонстрируют полную растворимость в твердом состоянии в β-фазе. Эти элементы -Mo, V, Nb, Ta, W- составляют основу α+β и β-титановых сплавов.

V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50% мирового потребления титана. Добавки V в количестве 4 мас.% подавляют β-трансус в достаточной степени, чтобы создать двух-фазные микроструктуры с примерно 10–50% β-фазы при комнатной температуре.

V предоставляет несколько важных функций:

Удержание β: обеспечивает микроструктурный контроль посредством термообработки.

Прочность без охрупчивания: в отличие от межузельного упрочнения, V сохраняет пластичность, одновременно способствуя упрочнению твердого раствора.

Технологичность: двух-фазная микроструктура обеспечивает оптимальный баланс горячей обработки и конечных механических свойств.

Mo примерно в два раза эффективнее V в стабилизации β--фазы, что количественно определяется с помощью концепции эквивалентности молибдена ([Mo]eq). Каждый 1 мас.% Mo обеспечивает стабилизирующую способность β-, эквивалентную примерно 2 мас.% V.

Фазовый контроль: в таких сплавах, как Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,2Si (используется для высокопрочных крепежных деталей в аэрокосмической отрасли), Mo обеспечивает полное сохранение β-компонентов при закалке с последующим контролируемым осаждением α-компонентов во время старения.

Коррозионная стойкость: добавки молибдена повышают пассивность в восстановительных кислых средах. Сплавы Ti-Mo образуют пассивные пленки, содержащие MoO₃, смешанный с TiO₂, что обеспечивает превосходную стабильность в растворах HCl по сравнению с нелегированным титаном.

Последние достижения: Чжан и др. продемонстрировали, что сплавы, содержащие Mo- с контролируемыми добавками N, достигают исключительных свойств благодаря гетерогенной ламельной структуре. Их сплав Ti-2,8Cr-4,5Zr-5,2Al-0,4N достиг предела текучести 1532 МПа при равномерном удлинении 10,2%, что делает его одним из лучших сочетаний титановых сплавов.

Nb и Та получили известность в биомедицинских приложениях, где важна долгосрочная-биосовместимость. В отличие от V, который вызывает опасения по поводу цитотоксичности, Nb и Та физиологически инертны.

Низкомодульная конструкция: добавки Nb позволяют β-титановым сплавам с модулем упругости ниже 50 ГПа-приблизиться к 10–30 ГПа кости и намного ниже 110 ГПа Ti-6Al-4V. Сплавы Ti-35Nb-7Zr-5Ta служат примером такого подхода, сочетая Nb с Zr и Ta для снижения защиты от напряжений в ортопедических имплантатах.

Улучшение пассивной пленки: оксиды Nb и Ta внедряются в поверхностную пассивную пленку, повышая ее стабильность и устойчивость к коррозии. В средах,-содержащих хлориды, пассивные пленки, модифицированные Nb-, демонстрируют пониженную плотность точечных дефектов и повышенную устойчивость к локальному разрушению.

Недавние систематические исследования Gautier et al. исследовали добавки W, Ta и Hf для применения при высоких-температурах. После 5000-часовой выдержки при температуре 650°С на воздухе W продемонстрировал наиболее выраженное снижение кинетики окисления.

Механизм: W способствует образованию Ti₂N на границе раздела оксид/металл, создавая слой, богатый азотом-, который уменьшает растворение кислорода в объеме сплава. Тройной сплав Ti-10Al-2W (ат%) превзошел коммерческий жаропрочный сплав Ti6242S по стойкости к окислению.

Компромисс-: W имеет плотность (19,3 г/см³), а тяжелые добавки сводят на нет преимущество титана в плотности. Задача заключается в определении минимальных концентраций (обычно<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.

Эвтектоидные-образующие элементы-Fe, Cr, Ni, Cu, Si-также подавляют β-трансус, но отличаются от изоморфных стабилизаторов своей способностью образовывать интерметаллические соединения за счет эвтектоидного распада.
 

Fe — мощный и недорогой β-стабилизатор. Его высокая скорость диффузии обеспечивает быструю реакцию на термообработку, но также способствует сегрегации во время затвердевания. Сплавы, содержащие Fe-, требуют тщательной обработки, чтобы избежать β-пятнистости-локальных областей обогащенного β-стабилизатора, которые создают неоднородные механические свойства.
 

Добавки Si в количестве 0,1–0,5 мас.% являются стандартными для сплавов, работающих при близких к -α высоко-температурных температурах (например, Ti-6242S, IMI 834). Si дает два преимущества:

Упрочнение твердого раствора: кремний в растворе препятствует подъему дислокаций при повышенных температурах.

Выделение силицидов: Мелкие частицы (Ti,Zr)₅Si₃ выделяют штыревые границы зерен и суб-границы, замедляя деформацию ползучести.

Недавняя работа Готье и др. подтвердили, что Si в сочетании с тугоплавкими элементами обеспечивает синергетическое улучшение как ползучести, так и стойкости к окислению при 600–650°C.
 

Zr, Hf и Sn оказывают минимальное влияние на температуру β-перехода, но обеспечивают существенное упрочнение твердого раствора как в α, так и в β фазах.

Zr полностью смешивается с Ti как в α-, так и в β-фазах-, что является уникальной характеристикой, обусловленной их положением в группе IVB периодической таблицы. Эта полная растворимость позволяет:

Упрочнение без фазовой нестабильности: добавки Zr повышают прочность за счет механизмов твердого раствора без изменения фазового баланса, что упрощает конструкцию сплава.

Усиление коррозии. В морской среде сплавы, содержащие Zr-, образуют более стабильные пассивные пленки. ZrO₂ проникает в слой TiO₂, уменьшая концентрацию кислородных вакансий и повышая устойчивость к воздействию хлоридов.

Недавние результаты: исследования сплавов Ti575 (Ti-5Al-7,5V-0,5Si), сравнивающие добавки Mo и Zr, показали, что, хотя Zr обеспечивает меньшее α-измельчение, чем Mo, он способствует осаждению силицидов за счет снижения барьеров зародышеобразования.

Sn обеспечивает упрочнение твердого раствора без существенного изменения фазовой стабильности. В жаропрочных сплавах (Ti-6242, Ti-1100) олово способствует сопротивлению ползучести за счет эффектов твердого раствора и изменения поведения выделения силицидов.

   Продолжаем...

Свяжитесь сейчас