Kahjulikud lisandid titaanmaterjalides

Titaan ja selle sulamid on tuntud oma kõrge puhtuse ja bioloogilise ühilduvuse poolest, kuid need võivad sisaldada vähesel määral kahjulikke lisandeid (sh vesinikku, fosforit ja väävlit), mida tuleb rangelt kontrollida tööstus{0}standardsete piiride piires. Nende lisandite, eriti vesiniku, liigne sisaldus võib oluliselt halvendada materjali mehaanilisi omadusi ja tööohutust. Allpool on nende sisupiirangute ja nendega seotud riskide üksikasjalik analüüs:

1. Titaanmaterjalide peamiste kahjulike lisandite sisalduse piirangud

Vesiniku (H), fosfori (P) ja väävli (S) lubatud kontsentratsioonid titaanis on määratletud rahvusvaheliste standarditega, näiteksASTM B348(titaani ja titaanisulamist varraste jaoks),ASTM B265(titaanlehtede/plaatide jaoks) jaAMS 4928(lennundus{0}}klassi Ti-6Al-4V). Piirangud erinevad olenevalt titaani klassist (kaubanduslikult puhas titaan vs. titaanisulamid) ja kasutusnõuetest (tööstuslik vs. lennundus/meditsiin):

(1) Vesinik (H)

Vesinik on titaani kõige kriitilisem kahjulik lisand, kuna sellel on tugev mõju elastsusele ja sitkusele. Selle maksimaalne lubatud sisaldus on rangelt reguleeritud:

Kaubanduslikult puhas titaan (klass 1/2/3/4): Üldiste tööstuslike rakenduste puhul ei tohi vesiniku sisaldus ületada0,015 massiprotsenti (150 ppm); kõrge -puhtusastmega meditsiinilise-puhta titaani (nt implantaatide puhul 2. klass) puhul on piirmäär rangem0,010 massiprotsenti (100 ppm)et tagada biosobivus ja struktuurne ohutus.

Titaanisulamid (nt 5. klass/Ti-6Al-4V): Kosmose{0}}klassi toodete puhul on vesinikusisaldus piiratud0,012 massiprotsenti (120 ppm)(AMS 4928 kohta); tööstusliku -klassi Ti-6Al-4V puhul on piirang veidi leebendatud0,015 massiprotsenti (150 ppm), kuid see peab olema allpool0,008 massiprotsenti (80 ppm)kriitiliste komponentide (nt lennukimootori osad) jaoks, et vältida vesiniku rabedust.

(2) Fosfor (P)

Fosfor on titaanis sisalduv madala-toksilisusega lisand, kuid kõrge sisaldus võib tera piiridel eralduda ning vähendada sulami elastsust ja väsimuskindlust. Selle sisalduse piirid on vesinikuga võrreldes suhteliselt leebemad:

Kaubanduslikult puhas titaan: Maksimaalne fosforisisaldus on tavaliselt0,04 massiprotsenti (400 ppm)kõigis klassides (ASTM B348).

Titaanisulamid (Ti-6Al-4V): Lennundus- ja meditsiiniklassid piiravad fosforit0,015 massiprotsenti (150 ppm); tööstuslikud klassid lubavad kuni0,03 massiprotsenti (300 ppm).

(3) Väävel (S)

Väävel moodustab titaanis hapraid sulfiidide lisandeid (nt TiS, Ti₂S), mis toimivad pingekontsentratsioonipunktidena ja tekitavad koormuse all pragusid. Selle sisu on rabeduse vältimiseks rangelt piiratud:

Kaubanduslikult puhas titaan: Väävlisisaldus peab olema väiksem kui või võrdne sellega0,015 massiprotsenti (150 ppm)(ASTM B265).

Titaanisulamid (Ti-6Al-4V): Lennundusrakenduste puhul on piirang0,010 massiprotsenti (100 ppm); tööstuslikuks kasutamiseks võib see olla kuni0,02 massiprotsenti (200 ppm).

info-439-439 info-452-443

info-452-443 info-435-438

2. Ülemäärasest vesinikusisaldusest põhjustatud vesiniku rabestumine

Vesinikhaprus (HE) on titaanmaterjalide katastroofiline rike, mille vallandab ohutu läve ületav vesiniku kontsentratsioon. Selle mehhanism ja mõjud on järgmised:

(1) Titaani vesiniku murenemise mehhanism

Titaanil on tugev afiinsus vesiniku suhtes, mis võib materjali siseneda mitmel viisil:

Sulatamine ja töötlemine: Vesiniku neeldumine vaakumkaare ümbersulatamise (VAR) ajal, kui ahju atmosfäär ei ole korralikult kontrollitud, või kuuma töö ajal niiskes keskkonnas.

Teeninduskeskkonnad: Vesiniku kogunemine söövitavast keskkonnast (nt vesilahused, happed või vesinik{2}}sisaldavad gaasid) pinnareaktsioonide või elektrokeemiliste protsesside kaudu (nt katoodkaitse mererakendustes).

Titaanmaatriksisse sattudes käitub vesinik sõltuvalt temperatuurist ja kontsentratsioonist erinevalt:

Toatemperatuuril ja madalal vesinikutasemel (<50 ppm), hydrogen dissolves interstitially in the titanium lattice without causing harm.

Kui vesiniku sisaldus ületab ~100 ppm, sadestub see rabedanatitaanhüdriid (TiH₂)piki tera piire või -faasis. TiH2-l on tetragonaalne kristallstruktuur, millel on kõrge kõvadus ja madal elastsus, mis häirib titaanmaatriksi järjepidevust.

Mehaanilise pinge all toimib hüdriidifaas pragude tuuma tekkekohtadena. Pinge kasvades levivad need praod kiiresti mööda hüdriid{1}}maatriksi liideseid, põhjustades äkilist rabedat purunemist (isegi materjali voolavuspiirist tunduvalt madalamatel pingetasemetel).

(2) Vesiniku rabestumise mõjud

Plastsuse ja sitkuse kaotus: Titaanil, milles on palju vesinikku, on dramaatiline pikenemise ja pindala vähenemise vähenemine. Näiteks 200 ppm vesinikuga lõõmutatud Ti-6Al-4V venivus on vaid 5–8% (madala vesinikusisaldusega materjali puhul 10–15%) ja selle murdumiskindlus (KIC) väheneb 30–40%.

Katastroofiline struktuurne rike: Vesinik rabeneb sageli ilma eelneva hoiatuseta (plastiline deformatsioon puudub), mistõttu on see eriti ohtlik ohutuse{0}}kriitilistele komponentidele. Lennundusrakendustes on hüdriidist{2}}indutseeritud pragunemine põhjustanud äärmuslikel juhtudel teliku komponentide ja mootori labade rikkeid.

Vähendatud väsimuse eluiga: Vesinik kiirendab väsimuspragude kasvu, soodustades hüdriidide moodustumist pragude otstes. Ti-6Al-4V väsimustugevus 150 ppm vesinikuga väheneb 25–30% võrreldes madala vesinikusisaldusega materjaliga, mis põhjustab tsüklilise koormuse korral enneaegse rikke.

(3) Vesiniku rabestumise vältimine ja leevendamine

Vesinikuhapruse vältimiseks võtavad tootjad ja{0}}lõppkasutajad kasutusele järgmised meetmed.

Protsessi range kontroll: Säilitada sulatamise ja kuumtöötlemise ajal madala-vesiniku atmosfääri; kasutage kuumtöötlemisel ja keevitamisel kuivi, kuivatatud gaase.

Töötlemisjärgne-degaseerimine: Suure vesinikusisaldusega titaantoodete puhul viige vesiniku maatriksist välja hajutamiseks läbi vaakumlõõmutamine 600–700 kraadi juures mitu tundi (vesiniku redutseerimine<50 ppm).

Teenuskeskkonna haldamine: vältige titaankomponentide kokkupuudet vesiniku-rikka või söövitava keskkonnaga ilma nõuetekohase kaitseta (nt katted või inhibiitorid); jälgige perioodiliselt vesiniku sisaldust kriitiliste osade suhtes, kasutades selliseid meetodeid nagu kuumekstraktsioon või inertgaasi liitmine.