Els aliatges de titani ocupen una posició única en els materials estructurals. El titani pur, malgrat la seva excel·lent resistència a la corrosió i biocompatibilitat, només ofereix una resistència moderada (aproximadament 240-550 MPa de resistència a la tracció). La transformació del titani d'un metall comercialment pur a un-material d'enginyeria d'alt rendiment-capaç de 1500+ MPa-la seva interacció amb elements d'aliatge de tota la taula periòdica .
A diferència dels aliatges d'acer o d'alumini, on els mecanismes de reforç sovint es basen en un conjunt estret d'elements, el titani presenta un paisatge d'aliatge inusualment ampli. Més de 60 elements modifiquen significativament els equilibris de fase del titani, la cinètica de transformació i la resposta mecànica. Aquests elements no es seleccionen aleatòriament; els seus rols estan determinats per la compatibilitat cristal·logràfica fonamental, l'estructura electrònica i la seva posició en relació amb el titani a la taula periòdica.
Aquest article ofereix un examen sistemàtic de com aquesta família de "soci multi-element" permet el rendiment "-personalització a demanda"-des de la combinació d'Al-V que domina les aplicacions aeroespacials fins a addicions de metalls refractaris que fan que les temperatures de servei superin els 600 graus .
El marc metal·lúrgic: per què el titani respon a tants elements
1.1 Transformació al·lotròpica com a variable de disseny
La versatilitat del titani prové de la seva transformació al·lotròpica. Per sota dels 882 graus, el titani pur cristal·litza en una estructura hexagonal tancada-(HCP), designada com a -Ti. Per sobre d'aquesta temperatura, es transforma en -cúbic centrat en el cos (BCC) -Ti .
Aquesta temperatura de transformació-i l'estabilitat de cada fase-es veuen profundament alterades per les addicions d'aliatge. Els elements que augmenten la -temperatura transus expandeixen el -camp de fase i s'anomenen -estabilitzadors. Els elements que deprimeixen la -temperatura transus expandeixen el -camp de fase i s'anomenen -estabilitzadors . Una tercera categoria, els elements neutres, exerceixen una influència mínima sobre la temperatura de transformació.
Aquest marc d'estabilitat de fase permet l'enginyeria microestructural a múltiples escales: mida del gra primari, gruix de llistons secundaris, morfologia del gra i distribució de compostos intermetàl·lics.
1.2 El sistema de classificació
A partir de la seva interacció amb la transformació al·lotròpica del titani, els elements d'aliatge es divideixen en quatre categories funcionals:
| Categoria | Elements |
Efecte sobre -Transus |
Interval de concentració típic |
| -estabilitzadors | Al, Ga, Ge, B, O, N, C | Augmentar |
l: 2-7% en pes; O: 0,1-0,3% en pes |
| -estabilitzadors (isòmorfs) | Mo, V, Nb, Ta, W | Disminuir |
V: 2-15% en pes; Nb: 10-40% en pes |
| -estabilitzadors (eutectoides) | Fe, Cr, Ni, Cu, Si, H | Disminuir |
V: 2-15% en pes; Nb: 10-40% en pes |
| Elements neutres | Zr, Hf, Sn | Canvi mínim |
Zr: 1-8% en pes; Sn: 2-5% en pes |
La figura 1 il·lustra les característiques del diagrama de fase binària per a cada categoria, mostrant com les addicions d'aliatge remodelen els límits de fase i permeten diferents resultats microestructurals.
-Estabilitzadors: The Strength and Oxidation Foundation
2.1 Alumini: el reforç universal
L'alumini és l'element d'aliatge més utilitzat en titani, present en gairebé tots els aliatges comercials, des de Ti-6Al-4V fins als aliatges d'alta temperatura. El seu domini prové de múltiples contribucions:
·Enfortiment de la solució sòlida: Al es dissol preferentment en la fase -, ocupant llocs de substitució dins de la xarxa HCP. Això produeix dos efectes de reforç: (1) la distorsió de la gelosia augmenta la resistència al moviment de dislocació i (2) la modificació de l'energia de falla d'apilament de fase -.
·Reducció de la densitat: amb 2,7 g/cm³, l'Al redueix significativament la densitat de l'aliatge. Cada addició d'1% en pes d'Al redueix la densitat aproximadament un 1,5%, un avantatge crític per a aplicacions aeroespacials on la força específica dicta el disseny dels components.
·Potencial d'ordenació: a concentracions que superen aproximadament el 8% en pes, Al afavoreix la formació de precipitats ordenats ₂ (Ti₃Al). Tot i que aquests poden fragilitzar l'aliatge si es distribueixen de manera gruixuda, la precipitació controlada ofereix vies de reforç addicionals.
Treballs recents de Huang et al. va demostrar que les addicions d'Al alteren fonamentalment el comportament de la dislocació en titani. En els aliatges binaris Ti-6Al, Al suprimeix l'agermanament de deformació i modifica l'esforç de cisalla crític resolt (CRSS) per a sistemes de lliscament múltiples. Aquest enfortiment ve amb una compensació: mentre que la resistència a la fluència augmenta, la ductilitat i la resistència a l'impacte solen disminuir.
2.2 Enfortidors intersticials: Oxigen, Nitrogen, Carboni
L'oxigen, el nitrogen i el carboni ocupen llocs intersticials dins de la xarxa de titani, produint un enfortiment excepcionalment eficient a baixes concentracions. Cada 0,1% en pes d'O augmenta la força de rendiment aproximadament entre 150 i 200 MPa.
·Oxigen: com a intersticial més comú, l'O és alhora una oportunitat de reforç i una preocupació de contaminació. L'oxigen estabilitza la fase -, augmenta la -temperatura transus i proporciona un enfortiment substancial de la solució sòlida. Tanmateix, superar aproximadament el 0,3-0,4% en pes d'O indueix una fragilitat severa mitjançant la supressió dels mecanismes de deformació dúctil.
·Nitrogen: Els avenços recents han reconsiderat el paper de N. Zhang et al. va demostrar que les addicions controlades de N (0,17-0,40% en pes) combinades amb l'enginyeria de límits de gra poden produir combinacions de ductilitat-de força excepcional. El seu aliatge Ti-1800 (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N) va assolir una resistència de fluència de 1800 MPa mitjançant una estructura jeràrquica de precipitats de Widmanstätten primaris, secundaris i ultrafins.
·Carboni: les addicions de 0,05–0,2% en pes de C promouen la formació de TiC. Aquests carburs tenen una doble funció: (1) fixar els límits de gra durant el processament a -alta temperatura, refinar la microestructura final i (2) actuar com a llocs de nucleació heterogenis per a la precipitació. La microestructura resultant mostra grans més fins i orientacions de llistons més aleatòries.
2.3 Bor: Agent de refinament de gra
La microaliatge amb B (0,01-0,2% en pes) produeix bigotis de TiB que perfeccionen substancialment la mida del gra anterior. En els aliatges TA6,5, el 0,2% en pes de B va transformar la microestructura de Widmanstätten gruixuda a una morfologia refinada de teixit de cistell-, reduint la mida de la colònia i millorant tant la temperatura ambient- com les propietats de tracció de 650 graus.
Continuant...
