Arten und Verwendungen von Titan legierungen

Titan legierungenBestehen aus Titan als Basis element unter Zugabe anderer Legierung elemente. Sie können in strukturelle Titan legierungen und hitze beständige Titan legierungen oder insbesondere in Titan legierungen vom α-Typ, vom β-Typ und vom α-β-Typ eingeteilt werden.

1. Entwicklungs geschichte von Titan legierungen

Titan entwickelte sich in den 1950er Jahren zu einem entscheidenden Struktur metall. In Anerkennung der Bedeutung von Titan legierung materialien begannen viele Länder auf der ganzen Welt, sie zu erforschen und zu entwickeln, was zu praktischen Anwendungen führte.

Die erste praktische Titan legierung, Ti-6Al-4V, wurde 1954 in den USA entwickelt. Aufgrund seiner hervorragenden Wärme beständigkeit, Festigkeit, Plastizität, Zähigkeit, Formbarkeit, Formbarkeit, Schweißbarkeit, Korrosions beständigkeit und Bioko mpatibilität wurde es zu einem Eckpfeiler der Titan legierung industrie. Diese Legierung macht 75%-85% aller verwendeten Titan legierungen aus, und viele andere Titan legierungen sind Modifikationen davon.

Die industrielle Produktion von Titan begann 1948. In den 1950er und 60er Jahren konzentrierten sich die Bemühungen auf die Entwicklung von Hochtemperatur-Titan legierungen für Luft-und Raumfahrt motoren und strukturelle Titan legierungen für Flugzeug zellen. In den 1970er Jahren wurden korrosions beständige Titan legierungen entwickelt, und seit den 1980er Jahren wurden weitere Fortschritte bei korrosions beständigen und hochfesten Titan legierungen erzielt. Die Betriebs temperatur von hitze beständigen Titan legierungen ist von 400 °C in den 1950er Jahren auf 600-650 °C in den 1990er Jahren gestiegen, erweiterung ihrer Verwendung vom kalten Ende von Motoren (Ventilatoren und Kompressoren) bis zum heißen Ende (Turbinen). Strukturelle Titan legierungen haben sich zu hoher Festigkeit, hoher Plastizität, hoher Zähigkeit, hohem Modul und hoher Schadens toleranz entwickelt.

Seit den 1970er Jahren wurden Form gedächtnis legierungen wie Ti-Ni, Ti-Ni-Fe und Ti-Ni-Nb entwickelt und in der Technik weit verbreitet. In China begann die Forschung an Titan und Titan legierungen im Jahr 1956, und die industrielle Produktion von Titan materialien und die Entwicklung der TB2-Legierung begannen im mid-1960s.

2. Haupt klassifikationen von Titan legierungen

Titan existiert in zwei allotropen Formen. Titan legierungen werden basierend auf diesen Formen mit einem Schmelzpunkt von 1668 ° C klass ifi ziert. Unter 882 ° C hat Titan eine sechseckige, dicht gepackte Kristalls truktur, die als α-Titan bezeichnet wird. Oberhalb von 882 ° C hat es eine körper zentrierte kubische Struktur, die als β-Titan bezeichnet wird. Durch Hinzufügen geeigneter Legierung elemente können die Phasen umwandlung temperatur und der Phasen gehalt angepasst werden, um verschiedene Titan legierung strukturen zu erzeugen.

Bei Raum temperatur weisen Titan legierungen drei Arten von Matrix strukturen auf, was zu drei Arten von Titan legierungen führt: α-Legierungen, (α β)-Legierungen und β-Legierungen. In China werden sie mit TA, TC bzw. TB bezeichnet.

Α-Titan legierungen: Diese Legierungen bestehen aus einer einphasigen α-festen Lösung und weisen stabile Strukturen sowohl bei allgemeinen als auch bei höheren Anwendungs temperaturen auf. Sie bieten eine höhere Verschleiß festigkeit und Oxidations beständigkeit im Vergleich zu reinem Titan. Sie behalten ihre Festigkeit und Kriech beständigkeit bei 500-600 ° C bei, können jedoch nicht durch Wärme behandlung verstärkt werden und haben eine niedrige Raum temperatur festigkeit.

Β-Titan legierungen: Dies sind einphasige Legierungen, die aus einer festen β-Lösung bestehen. Sie haben eine hohe Festigkeit ohne Wärme behandlung, und eine weitere Verstärkung kann durch Abschrecken und Altern erreicht werden, was zu Raum temperatur stärken von 1372-1666 MPa führt. Sie haben jedoch eine schlechte thermische Stabilität und sind nicht für Hoch temperatur anwendungen geeignet.

Α + β Titan legierungen: Hierbei handelt es sich um Zwei phasen legierungen mit guten umfassenden Eigenschaften, stabiler Struktur, guter Zähigkeit, Plastizität und Hoch temperatur verformung leistung. Sie können durch heißen Druck verarbeitet, abgeschreckt und zur Verstärkung der Legierung gealtert werden. Die Festigkeit nach der Wärme behandlung ist etwa 50%-100% höher als der geglühte Zustand, mit guter Hoch temperatur festigkeit für den Langzeit gebrauch bei 400-500 ° C, obwohl ihre thermische Stabilität etwas niedriger ist als bei α-Titan legierungen.

Unter den drei werden am häufigsten α-Titan legierungen und α-β-Titan legierungen verwendet. Α-Titan legierungen bieten die beste Bearbeitbar keit, gefolgt von α β-Legierungen, wobei β-Legierungen am wenigsten bearbeitbar sind.

Titan legierungen können auch durch Anwendung in hitze beständige Legierungen, hochfeste Legierungen, Korrosions resist klass ifi ziert werdenAmeisen legierungen (wie Titan-Molybdän und Titan-Palladium-Legierungen), Niedertemperatur-Legierungen, und spezielle funktionelle Legierungen (wie Titan-Eisen-Wasserstoff-Speicher materialien und Titan-Nickel-Speicher legierungen).

Die Phasen zusammensetzung und Mikros truktur von Titan legierungen kann durch Anpassung des Wärme behandlungs prozesses variiert werden:

Feine äquiaxierte Strukturen bieten eine gute Plastizität, thermische Stabilität und Ermüdung festigkeit.

Acicular-Strukturen bieten eine hohe Ausdauer kraft, Kriech festigkeit und Bruch zähigkeit.

Gemischte Äquiaxed-und Acicular strukturen bieten eine gute Gesamt leistung.

3. Eigenschaften von Titan legierungen

Titan legierungen sind aufgrund ihrer geringen Dichte, hohen spezifischen Festigkeit, guten Korrosions beständigkeit, hohen Hitze beständigkeit und günstigen Verarbeitung eigenschaften ideale Struktur materialien für die Luft-und Raumfahrt. Sie sind in verschiedenen Bereichen weit verbreitet.

Titan ist ein relativ neues Metall, und seine Eigenschaften werden durch den Gehalt an Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff beeinflusst. Die reinste Form, Iodid titan, enthält weniger als 0,1% Verunreinigungen, was zu einer geringen Festigkeit, aber einer hohen Plastizität führt. Industrielles reines Titan mit einer Reinheit von 99,5% hat eine Dichte von 4,5g/cm³, einen Schmelzpunkt von 1725 ° C und eine Härte von HB195.

Hohe Festigkeit: Titan legierungen haben eine Dichte von rund 4,51g/cm³, nur 60% der von Stahl. Reines Titan hat eine ähnliche Festigkeit wie gewöhnlicher Stahl, und einige hochfeste Titan legierungen übertreffen viele legierte Stähle in ihrer Festigkeit. Folglich haben Titan legierungen eine viel höhere spezifische Festigkeit (Festigkeit/Dichte) als andere metallische Struktur materialien, was die Herstellung von Komponenten mit hoher Einheits festigkeit, guter Steifigkeit und leichtem Gewicht ermöglicht. Titan legierungen werden in Flugzeug triebwerks komponenten, Rahmen, Häuten, Befestigungs elementen und Fahrwerken verwendet.

Hohe Hitze beständigkeit: Titan legierungen können bei Temperaturen arbeiten, die mehrere hundert Grad höher sind als bei Aluminium legierungen, und ihre erforderliche Festigkeit bei mittleren Temperaturen beibehalten. Sie arbeiten über einen längeren Zeitraum bei 450-500 ° C. Sie behalten eine hohe spezifische Festigkeit zwischen 150-500 ° C bei, während die spezifische Festigkeit von Aluminium legierungen bei 150 ° C signifikant abfällt. Titan legierungen können bei Temperaturen bis zu 500 ° C arbeiten, verglichen mit unter 200 ° C für Aluminium legierungen.

Gute Korrosions beständigkeit: In feuchten Atmosphären und Meerwasser übertreffen Titan legierungen Edelstahl in der Korrosions beständigkeit. Sie widerstehen Lochfraß, Säure korrosion und Spannungs korrosion und weisen eine aus gezeichnete Beständigkeit gegen Basen, Chloride, organische Substanzen, Salpeters äure und Schwefels äure auf. Sie sind jedoch weniger resistent gegen reduzierende Sauerstoff-und Chromat medien.

Gute Leistung bei niedrigen Temperaturen: Titan legierungen behalten ihre mechanischen Eigenschaften bei niedrigen und extrem niedrigen Temperaturen. Legierungen mit extrem geringen Mengen an inters titi ellen Elementen können selbst bei-253 ° C eine gewisse Plastizität beibehalten, wodurch Titan legierungen wichtige Niedertemperatur-Struktur materialien sind.

Hohe chemische Aktivität: Titan hat eine hohe chemische Reaktivität und reagiert stark mit atmos phä rischem O, N, H, CO, CO2, Wasserdampf und Ammoniak. Wenn der Kohlenstoff gehalt 0,2% übers ch reitet, bildet sich in der Legierung hartes TiC. Bei hohen Temperaturen bildet es mit Stickstoff TiN und über 600 ° C absorbiert es Sauerstoff und bildet eine harte Oberflächen schicht. Erhöhter Wasserstoff gehalt führt zu Versprödung. Die Tiefe der gehärteten spröden Schicht aufgrund der Gas absorption kann 0,1-0,15mm erreichen, mit einer Härte erhöhung von 20%-30%. Titan hat auch eine hohe chemische Affinität und haftet leicht an Reibungs flächen.

Geringe Wärme leitfähig keit und elastischer Modul: Die Wärme leitfähig keit von Titan beträgt 15,24 W/(m · K), was etwa einem Viertel der von Nickel, einem Fünftel der von Eisen entspricht. und ein vierzehntes, das von Aluminium. Die Wärme leitfähig keit verschiedener Titan legierungen ist etwa 50% niedriger als die von reinem Titan. Titan legierungen haben einen Elastizität modul, der etwa halb so hoch ist wie der von Stahl, wodurch sie weniger starr und anfällig für Verformungen sind. Dies führt zusammen mit einem erheblichen Rück federn während der Bearbeitung zu hoher Reibung und Verschleiß an Schneidwerk zeugen.

4. Fortschritte bei Titan legierungen

Die überlegenen Eigenschaften von Titan, Titan legierungen und Titan verbindungen haben einen Press bedarf für ihre Verwendung geschaffen. Ihre hohen Produktions kosten haben jedoch ihre Anwendung einges chränkt. Trotz der überlegenen Leistung von Titan legierung komponenten sind sie bei weitem nicht weit verbreitet. Die Gründe umfassenE ihre hohen Kosten, schlechte Formbarkeit und heraus fordernde Schweiß eigenschaften. Der Preis für Titan legierungen ist deutlich höher als für andere Metalle, sowohl in Bezug auf das anfängliche Schmelzen als auch in Bezug auf die anschließende Verarbeitung.

In den letzten Jahren mit der Entwicklung der Near-Net-Form-Technologie für Titan legierungen und moderne Schweißt ech niken wie Elektronen strahls ch weißen, Plasma-Lichtbogens ch weißen und Lasers ch weißen, die Probleme beim Formen und Schweißen von Titan legierungen sind nicht mehr die primären Hindernisse für ihre Anwendung. Länder weltweit entwickeln jetzt kosten günstige, leistungs starke neue Titan legierungen, um Titan legierungen in zivile Industrien mit großem Markt potenzial einzuführen. Die jüngsten Fortschritte in der Forschung zu Titan legierung materialien im In-und Ausland lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Hochtemperatur-Titan legierungen

In den letzten Jahren haben sich ausländische Forscher auf die Entwicklung von Hochtemperatur-Titan legierungen unter Verwendung von schnellen Erstarrung-/Pulver metallurgie techniken und faser-oder partikel verstärkten Verbund werkstoffen konzentriert. Dies hat die Betriebs temperatur von Titan legierungen auf über 650 ° C erhöht. McDonnell Douglas in den USA entwickelte erfolgreich eine hochreine Titan legierung mit hoher Dichte unter Verwendung einer schnellen Erstarrung/Pulver metallurgie technologie. die eine Festigkeit bei 760 ° C hat, vergleichbar mit der Festigkeit aktueller Titan legierungen bei Raum temperatur.

Titan-Aluminium-basierte Titan legierungen

Im Vergleich zu allgemeinen Titan legierungen, inter metallische Verbindungen auf Titan aluminid basis, wie Ti3Al (α2) und TiAl (γ), haben wesentliche Vorteile in Bezug auf Hoch temperatur leistung (maximale Betriebs temperaturen von 816 ° C bzw. 982 ° C), Oxidations beständigkeit, Kriech beständigkeit, und leichte Eigenschaften (Dichte ist nur halb so hoch wie bei Super legierungen auf Nickel basis). Diese Vorteile machen sie zu wettbewerbs intensiven Materialien für zukünftige Luft-und Raumfahrt motoren und Flugzeugs truktur komponenten.

Hochfeste, hohe Zähigkeit β-Typ Titan legierungen

Die erste Titan legierung vom β-Typ, B120VCA (Ti-13V-11Cr-3Al), wurde mid-1950s von der Firma Crucible in den USA entwickelt. Β-Typ Titan legierungen haben eine gute heiße und kalte Verarbeitbar keit, sind leicht zu schmieden, rollen und schweißen und können hohe mechanische Eigenschaften, gute Umwelt beständigkeit erreichen, und ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Bruch zähigkeit durch Lösungs alterung behandlung. Zu den repräsent ativsten neuen hochfesten Titan legierungen vom β-Typ mit hoher Zähigkeit gehören:

Ti1023 (Ti-10V-2Fe-# Al): Diese Legierung ist in ihrer Leistung mit hochfestem Baustahl von 30CrMnSiA vergleichbar, der üblicher weise in Flugzeugs truktur bauteilen verwendet wird, und weist aus gezeichnete Schmiede eigenschaften auf.

Ti153 (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn): Diese Legierung hat bessere Kalt bearbeitungs eigenschaften als kommerziell reines Titan mit einer Zug festigkeit von mehr als 1000 MPa bei gealterter Raum temperatur.

Β 21S (Ti-15Mo-3Al-2,7 Nb-0,2 Si): Entwickelt von Timet, einem Geschäfts bereich der Titanium Metals Corporation in den USA. S., diese neue oxidations beständige, ultra hochfeste Titan legierung hat eine aus gezeichnete Oxidations beständigkeit sowie eine Heiß-und Kalt verarbeitbar keit und kann zu Folien mit einer Dicke von 0,064mm verarbeitet werden.

Flamm beständige Titan legierungen

Herkömmliche Titan legierungen neigen dazu, unter bestimmten Bedingungen zu brennen, was ihre Anwendung stark einschränkt. Um dem zu begegnen, haben verschiedene Länder schwer entflammbare Titan legierungen erforscht und gewisse Durchbrüche erzielt. Die USA entwickelten Alloy C, eine schwer entflammbare Titan legierung, die gegen anhaltende Verbrennung unempfindlich ist und im F119-Motor verwendet wird. BTT-1 und BTT-3, die von Russland entwickelt wurden, sind schwer entflammbare Titan legierungen im Ti-Cu-Al-System, die aus gezeichnete Heiß verformung verarbeitung eigenschaften aufweisen und zur Herstellung komplexer Teile verwendet werden können.

Medizinische Titan legierungen

Titan ist ungiftig, leicht, stark und hat eine aus gezeichnete Bioko mpatibilität, was es zu einem idealen Material für medizinische Anwendungen wie Implantate im menschlichen Körper macht. Derzeit ist Ti-6Al-4V ELI-Legierung im medizinischen Bereich weit verbreitet. Diese Legierung kann jedoch Spuren von Vanadium-und Aluminium ionen freisetzen, was ihre Zell verträglich keit verringert und möglicher weise den menschlichen Körper schädigt. Dieses Problem ist seit langem ein Problem in der medizinischen Gemeinschaft. Bereits im mid-1980s begannen die USA mit der Entwicklung aluminium freier, vanadium freier, bioko mpatibler Titan legierungen für den Einsatz in der ortho pä dischen Chirurgie. Japan, Großbritannien und andere Länder haben ebenfalls umfangreiche Forschungen in diesem Bereich durchgeführt und einige neue Fortschritte erzielt. Es wird geschätzt, dass in naher Zukunft hochfeste, niedrig modul ige und korrosions beständige Titan legierungen wahr schein lich die weit verbreitete Ti-6Al-4V ELI-Legierung im medizinischen Bereich ersetzen werden.

5, Haupt anwendungen von Titan legierungen

Titan legierungen sind ein neues wichtiges Struktur material, das in der Luft-und Raumfahrt industrie verwendet wird. Dichte, Festigkeit und Betriebs temperatur liegen zwischen denen von Aluminium und Stahl. Sie haben eine hohe spezifische Festigkeit und eine aus gezeichnete Meerwasser korrosions beständigkeit und eine extrem niedrige Temperatur leistung. Titan legierungen werden haupt sächlich zur Herstellung von Kompressor komponenten für Flugzeug triebwerke sowie von Struktur komponenten für Raketen, Raketen und Hoch geschwindigkeit flugzeuge verwendet. Seit dem mid-1960s wurden Titan und seine Legierungen in der allgemeinen Industrie eingesetzt, um Elektroden in der Elektrolyse industrie, Kondensatoren in Kraftwerken, Heizungen für die Erdöl raffination und Meerwasser entsalzung herzustellen. und Geräte zur Kontrolle der Umwelt verschmutzung. Titan und seine Legierungen sind zu einer Art korrosions beständigem Struktur material geworden und werden auch zur Herstellung von Wasserstoff speicher materialien und Form gedächtnis legierungen verwendet.

Aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen spezifischen Festigkeit und ihrer guten Korrosions beständigkeit sind Titan legierungen in der Luftfahrt industrie, insbesondere in Motors ystemen, weit verbreitet. Die Verwendung von Titan legierungen zur Herstellung von Motor komponenten bietet zahlreiche Vorteile.

Die geringe Dichte von Titan legierungen kann die Trägheit masse beweglicher Teile verringern, wodurch die Reibung verringert und die Kraftstoffe ffizienz verbessert wird. Titan ventilfedern können die freie Vibration erhöhen und die Schwingung reduzieren.

Die Wahl von Titan legierungen kann die Belastungs belastung verwandter Komponenten verringern und die Größe der Teile verringern, wodurch das Gewicht des Triebwerks und des gesamten Flugzeugs verringert wird. Die Verringerung der Trägheit masse der Komponenten reduziert Vibrationen und Geräusche, verbessert die Motor leistung und erhöht die Motor drehzahl und die Ausgangs leistung. Die Anwendung von Titan legierungen in anderen Komponenten kann Komfort und Ästhetik verbessern. Titan legierungen spielen eine unschätzbare Rolle bei der Energie einsparung und Verbrauchs reduzierung.

Titan legierungen haben eine hohe Festigkeit, geringe Dichte, gute mechanische Eigenschaften, Zähigkeit und aus gezeichnete Korrosions beständigkeit. Ihre schlechte Verarbeitbar keit, Schwierigkeit bei der Bearbeitung und die Tendenz, Verunreinigungen wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff während der Heiß verarbeitung zu absorbieren, sowie eine schlechte Verschleiß festigkeit und komplexe Produktions prozesse. Herausforderungen präsentieren. Der Bedarf an Fortschritten in der Luft-und Raumfahrt industrie hat dazu geführt, dass die Titan industrie mit einer durchschnitt lichen Jahres rate von etwa 8% wächst. Derzeit übersteigt die jährliche Produktion von Titan legierung verarbeiteten Materialien weltweit 40.000 Tonnen mit fast 30 Qualitäten von Titan legierungen.

Hochfeste Federn aus Titan legierungen, die ihre hohe Festigkeit und hervorragende Korrosions beständigkeit nutzen, sind heute in zivilen Anwendungen wie Matratzen weit verbreitet. Durch den Einbau der Titan legierung stech no logie in Matratzen federn können sich neue Federn aus Titan legierung an die Körper konturen anpassen und bieten eine einzigartige Unterstützung, die von weich zu fest wechselt und Tiefschlaf komfort bietet. Darüber hinaus werden bei zweimal iger Hoch temperatur formung behandlung die Elastizität und Belastbar keit der Federn erheblich verbessert, was die Haltbarkeit verbessert.