Mis kahjustab titaani

1. Mis kahjustab titaani?

Titaan on kõige levinumate kahjustuste suhtes väga vastupidav, kuid seda saab siiski konkreetsetes tingimustes ohustada, peamiselt seotudkeemiline kokkupuude, äärmuslikud temperatuuridjamehaaniline pinge väljaspool selle piire:

Tugevad redutseerivad happed ja keerulised ained. HF on eriti kahjulik, kuna see reageerib titaaniga lahustuvate fluorotitanaatühendite moodustamiseks, lagundades metalli kaitsva oksiidikihi.

Kõrge - temperatuuri oksüdatsioon (üle ~ 600 kraadi /1112 kraadi F): Titaan moodustab toatemperatuuril õhukese stabiilse oksiidikihi (TiO₂), mis hoiab ära edasise korrosiooni. Kuid temperatuuril üle 600 kraadi, pakseneb see kiht kiiresti ja muutub rabedaks, põhjustades "skaala spanlationi" (oksiidikihi ketendus). Üle 800 kraadi võib titaan isegi õhus süttida, kui nad puutuvad kokku kõrge hapniku tasemega, põhjustades katastroofilisi kahjustusi.

Mehaaniline ülekoormus või väsimus: Nagu kõik metallid, deformeerub ka titaan plastiliselt (püsivalt), kui neil on stressist peale saagikuse tugevus, ja puruneb, kui stress ületab selle lõpliku tõmbetugevuse. See on ka vastuvõtlikväsimus ebaõnnestumineKorduva tsüklilise koormuse korral (nt vibratsioon lennunduse komponentides), eriti kui on pinnadefekte (praod, kriimustused), mis toimivad pingekontsentraatoritena.

Galvaaniline korrosioon (konkreetsetes sidumistes): Titaan on üllas metall (madal elektrokeemiline potentsiaal), kuid see võib toimida katoodina galvaanilistes rakkudes, kui see on ühendatud aktiivsemate metallidega (nt alumiinium, magneesium, tsink) juhtivas keskkonnas (nt soolavee). See kiirendab aktiivse metalli korrosiooni, ehkki titaan ise jääb - suuresti mõjutamata, kui aktiivne metall korrodeerub täielikult, võib titaan lõpuks kokku puutuda agressiivsemate tingimustega.

2. Kas titaan kahaneb külma korral?

Jah, titaan - nagu peaaegu kõik tahked materjalid -kahaneb jahutamisel(ja laieneb kuumutamisel) füüsikalise põhimõtte tõttusoojuspaisumine/kokkutõmbumine. Sellist käitumist kvantifitseerib sellesoojuspaisumise koefitsient (CTE), mõõde, kui palju materjali mõõtmed muutuvad temperatuuri varieerumise astme kohta.

Titaani puhul on CTE paljude metallidega võrreldes suhteliselt madal, mis on üks selle väärtuslikke omadusi. Täpsemalt:

Kaubanduslikult puhta titaani keskmine lineaarne CTE (2. aste) vahemikus 20 kraadi (68 kraadi F) kuni 500 kraadi (932 kraadi F) on umbes 8,6 × 10⁻⁶ kraadi kohta (4,8 × 10⁻⁶ kraadi f).

Kui jahutatakse toatemperatuurist allapoole (nt krüogeensete temperatuurideni nagu -196 kraadi /aste F vedelate lämmastikurakenduste jaoks), kahaneb titaan jätkuvalt, ehkki kontraktsiooni kiirus aeglustub pisut eriti madalatel temperatuuridel.

Nimelt muudab Titaniumi madal soojuspaisumine selle kasulikuks rakendustes, kus mõõtmete stabiilsus temperatuurimuutustes on kriitiline -, näiteks kosmosekomponentides (kus temperatuuri tõuke kõrge - kõrguse vahel külma ja mootori soojuse vahel on ekstreemsed) või täpsed mõõtmed, kus isegi väikesed mõõtmed võivad häirida. Erinevalt mõnedest metallidest (nt terasest) säilitab titaan krüogeensetel temperatuuridel hea elastsuse ja tugevuse, nii et ainuüksi kokkutõmbumine põhjustab harva kahjustusi, kui see ei ole seotud jäikade piirangutega, mis takistavad kontraktsiooni (põhjustades sisepinget).

3. Millised on titaani halvad omadused?

Vaatamata erakordsele tulemusele paljudes valdkondades on titaanil mitu märkimisväärset "halba" või piiravat omadusi, mis piiravad selle kasutamist teatud rakendustes

Kõrge hind: Titaan on oluliselt kallim kui tavalised metallid nagu teras või alumiinium. See on tingitud selle ekstraheerimise keerukusest (titaanimaagi nõuab energiat - intensiivset töötlemist puhta titaankäsna tootmiseks) ja tootmise tootmiseks (titaanist on keeruline masinaelustada, keevitada ja vormistada, suurendades tootmiskulusid).

Kehv masin: Titaniumi kõrge tugevus, madal soojusjuhtivus ja kalduvus "kummi" lõikamisriistad muudavad selle masinaga raskeks. Töötlemise ajal koguneb Heat kiiresti tööriista - tooriku liidesesse (kuna titaan ei hajuta soojust hästi), põhjustades tööriistade kiiret kulumist, aeglasemat lõikamiskiirust ja suuremaid töötlemiskulusid. Selle leevendamiseks on vaja spetsiaalseid tööriistu (nt teravate servadega karbiidi sisendeid) ja jahutusvedelikud.

Madala kulumiskindlus (ilma katteta): Titaniumi pind on suhteliselt pehme, võrreldes kulumisega - resistentsed metallid nagu karastatud teras või volframkarbiid. Lükandumis- või abrasiivse kontaktiga (nt laagrid, käigud) hõlmavad rakendustes kulub katmata titaan kiiresti, põhjustades eluea vähenemist. Selle lahendamiseks on kulumiskindluse parandamiseks vaja sageli pinnatöötlust (nt plasma pihustamist, nitriidet) - kulude ja keerukuse lisamine.

Piiratud kõrge - temperatuuri jõudlus (üle ~ 600 kraadi /1112 kraadi F): Nagu varem märgitud, laguneb titaani oksiidikiht üle 600 kraadi, põhjustades oksüdatsiooni ja potentsiaalset süüdet. See valitseb selle kõrge - temperatuurirakenduste jaoks, näiteks reaktiivmootori põlemiskambrid (kus temperatuurid ületavad 1000 kraadi), mis tugineb selle asemel SuperAlloysile (nt nikkel - põhinevad sulamid).

Vastuvõtlikkus vesiniku omastamisele (konkreetsetes tingimustes): Titaan võib imada vesinikku niiskust, happeid või süsivesinike sisaldavatest keskkondadest (nt niiskete elektroodidega keevitamise ajal või kõrge rõhu korral kokkupuude vesinikugaasiga). Imendunud vesinik moodustab metallis haprad hüdriidifaasid (TIH₂), vähendades elastsust ja sitkust ning suurendades äkilise luumurru riski, eriti stressi all.

4. Kas titaan puruneb surve all?

Jah, titaanpuruneb piisava rõhu või stressi all- See pole hävimatu. Ükskõik, kas see puruneb, sõltub rakendatava rõhu tüübist, rõhu ulatusest ja materjali loomupärastest tugevusomadustest.

Selgitada:

Staatiline rõhk (survepinge): Titaniumil on kõrge survetugevus - Näiteks kaubanduslikult puhta titaani (2. aste) survetugevus on ~ 700 MPa ja kõrge - tugevussulamid nagu Ti-6Al-4V (5. klass) on kokkusurutud saagikuse tugevus, mis ületab 1000 MPA. Staatilise rõhu all, mis on alla selle survetugevuse tugevuse, deformeerub titaan elastselt (naaseb rõhu eemaldamisel algse kuju juurde). Kui rõhk ületab survese saagistugevuse, deformeerub see plastiliselt (püsivalt). Kui rõhk tõuseb jätkuvalt kaugemaleülim survetugevus(Tavaliselt pisut kõrgem kui selle lõplik tõmbetugevus), siis titaan murdub (puruneb) tihendamise - all, kuigi see nõuab äärmiselt kõrget rõhku (nt kümneid tuhandeid psi).

Dünaamiline rõhk (löögi või löögi laadimine): Titaan on suhteliselt karm (äkilise löögi korral luumurdude suhtes vastupidav), kuid see võib äärmise dünaamilise rõhu korral siiski puruneda (nt kõrge - kiiruse kokkupõrge, plahvatus). Murhtumise oht suureneb koos mõju kiiruse ja jõuga, samuti pinna defektide (pragude, tühimike) olemasoluga, mis kontsentreerivad stressi.

Surve söövitavates keskkonnas: Agressiivses keskkonnas (nt kõrge - rõhu soolaveega HF -ga) võib rõhk kiirendada korrosiooniprotsesse (nt stressi korrosiooni pragunemine, kus rõhk ja keemiline rünnak põhjustavad enneaegset luumurdu). Isegi kui rõhk on ainult titaani mehaaniliste piiride all, võib korrosioon aja jooksul metalli nõrgendada, põhjustades purunemise.

Kokkuvõtlikult on titaani resistentsus rõhu all purunemisele suurepärane enamiku tööstuslike rakenduste jaoks, kuid see ebaõnnestub lõpuks, kui rõhk ületab selle mehaanilise tugevuse või kui rõhk on ühendatud teiste kahjulike teguritega (korrosioon, väsimus).