1. Kaubanduslikult puhas (CP) titaani 3. ja 4. klassid on määratletud nende suureneva hapniku- ja rauasisalduse järgi. Kuidas see vaheelementide sisu otseselt väljendub nende mehaanilistes omadustes ja milline on esmane jõudluse kompromiss-suurema tugevuse ja valmistatavuse vahel?
Kaubanduslikult puhta (CP) titaani mehaanilisi omadusi ei reguleeri mitte legeerimine traditsioonilises tähenduses, vaid interstitsiaalsete elementide -peamiselt hapniku (O) ja teisejärguliselt raua (Fe) kontsentratsioon. Need väikesed aatomid sobivad kristallvõre suuremate titaani aatomite vahele, tekitades võre tüve.
3. klass (UNS R50500): Sisaldab madalamat hapniku- ja rauasisaldust. Seda peetakse keskmise tugevusega-CP-titaaniks.
4. klass (UNS R50700): CP-klasside hulgas on kõrgeim lubatud hapniku- ja rauasisaldus, mistõttu on see tugevaim.
Otsetõlge mehaanilistele omadustele:
Suurenenud vahereklaamide sisu toimib tugeva tahke{0}}lahenduse tugevdajana. Kui hapniku ja raua tase tõuseb Gr3-lt Gr4-le:
Tõmbe- ja tootlikkuse tugevuse suurenemine: interstitsiaalidest põhjustatud võre deformatsioon takistab dislokatsioonide (kristallstruktuuri defektide) liikumist, mistõttu on metallil raskem plastiliselt deformeeruda. Selle tulemuseks on suurem tugevus.
Plastsuse ja purunemiskindluse vähenemine: see on kriitiline kompromiss-. Sama tugevust tagav võre deformatsioon vähendab ka materjali võimet enne purunemist plastiliselt deformeeruda. Järelikult on 4. klassil suurem tugevus, kuid madalam elastsus (pikenemine) ja löögikindlus võrreldes klassiga 3.
Fabricability Trade{0}}alla:
See elastsuse vähenemine mõjutab otseselt valmistatavust:
3. klass on andestavam külmpainutamise, põletamise ja muude vormimisoperatsioonide suhtes. Selle suurem elastsus võimaldab tal taluda rohkem deformatsioone ilma pragunemiseta.
Klass 4, kuigi vormitav, nõuab valmistamise ajal hoolikamat käsitsemist. Sellised protsessid nagu külmpainutamine võivad vajada suuremat painderaadiust ja materjali agressiivsel töötlemisel on suurem oht pragude tekkeks. Tihti tuleb kasuks keeruliste kujundite kuumvormimistehnika.
Kokkuvõtteks: valige 3. klass rakenduste jaoks, mis nõuavad optimaalset vormitavust ja sitkust; valige klass 4, kui CP-titaanist on vaja maksimaalset tugevust ja tootmisprotsess suudab kohandada selle madalamat elastsust.
2. Merevee jahutustorusüsteemi jaoks valitakse sageli roostevaba terase asemel CP Titanium (Gr2/Gr3). Mis on põhiline elektrokeemiline omadus, mis muudab titaani praktiliselt immuunseks kloriidide täppide ja pragude korrosiooni suhtes isegi kõrgetel temperatuuridel?
Peamine omadus on titaani ülikõrge vastupidavus lokaalsele korrosioonile, mis on tingitud selle passiivse kile olemusest.
Passiivkile: Kokkupuutel õhu või niiskusega moodustab titaan koheselt tiheda, kleepuva ja pideva titaandioksiidi (TiO₂) kaitsekihi. See oksiidkile on erakordselt stabiilne ja väga lahustumatu paljudes keskkondades, sealhulgas kloriidi-rikastes soolvees.
Jaotuspotentsiaal (Pitting Potential): Elektrokeemilises mõttes on igal metallil antud keskkonnas iseloomulik "punktide tekkepotentsiaal" (E_pit). Punktkorrosioon algab siis, kui rakendatav potentsiaal ületab selle väärtuse. Titaani potentsiaal kloriidilahustes on äärmiselt kõrge, sageli suurem kui vee lagunemise (hapniku eraldumise) potentsiaal. See tähendab, et enamikes praktilistes gaseeritud merevee rakendustes ei saavuta elektrokeemiline potentsiaal kunagi piisavalt kõrget taset, et TiO₂ kile laguneks.
Repassiveerimine: isegi kui kile on mehaaniliselt kahjustatud (nt kriimustuste või abrasiivsete osakeste tõttu), muutub see vee või õhu juuresolekul peaaegu silmapilkseks, parandades purunemise enne märkimisväärse korrosiooni tekkimist.
Selline käitumine erineb järsult roostevabast terasest. Kuigi roostevaba teras moodustab ka passiivse kile (Cr₂O₃), on see vastuvõtlik kloriidioonide poolt palju väiksema potentsiaaliga lagunemisele, mis põhjustab punktide ja pragude korrosiooni, eriti soojas seisvas merevees. Titaani mitteläbilaskev oksiidkile muudab selle sobivaks materjaliks merevee teenindamiseks, soojusvahetiteks ja avamere rakendusteks, kus roostevaba teras ebaõnnestub.
3. Ti-6Al-4V (5. klass) torustik on ette nähtud kõrgsurve--lennundussüsteemide jaoks. Millised on kahe-faasi mikrostruktuurikomponendid (alfa ja beeta) ning kuidas see mikrostruktuur tagab CP klassidega võrreldes parema tugevuse ja kaalu suhte ning väsimuse?
5. klass on alfa-beetasulam, mis tähendab, et selle mikrostruktuur toatemperatuuril koosneb kahe faasi segust:
Alfa ( ) faas: kuusnurkne tihedalt{0}}pakitud (HCP) kristallstruktuur. See faas on stabiilne, tagab hea roomamiskindluse ja määrab sulami baastugevuse ja korrosioonikindluse.
Beeta ( ) faas: keha{0}}keskne kuubikujuline (BCC) kristallstruktuur. See faas tagab parema elastsuse, vormitavuse ja, mis kõige tähtsam, võime tugevdada sulamit kuumtöötlemise kaudu.
Suurepärane tugevuse{0}}ja-kaalu suhe:
6% alumiiniumi (alfa-stabilisaator) ja 4% vanaadiumi (beeta-stabilisaator) lisamine loob palju tugevama tahke lahuse kui interstitsiaalne tugevdamine CP-titaanis.
Veelgi olulisem on see, et 5. klassi saab kuum{1}}töödelda (lahusega töödelda ja vanandada). See protsess sadestab beetafaasi maatriksis alfafaasi peenosakesed, luues tohutuid sisemisi takistusi nihestuse liikumisele. See sademetega kõvenemine võib tõsta 5. klassi tõmbetugevust üle 1000 MPa, võrreldes 4. klassi CP titaani maksimaalse ~550 MPa-ga.
See märkimisväärne tugevuse suurenemine saavutatakse ainult minimaalse tiheduse suurenemisega. Saadud tugevuse-ja-massi suhe on kolme klassi seas kõrgeim, mistõttu on see ideaalne kaalu-kriitiliste kosmoselennukite hüdroliinide ja kütusesüsteemide jaoks.
Suurenenud väsimusjõudlus:
Väsimustõrke tuleneb tsüklilisest koormusest. Korralikult kuumtöödeldud 5. klassi toru peen hajutatud kahefaasiline-mikrostruktuur on väga tõhus:
Mikro{0}}pragude peatamine: alfa- ja beetafaasi vaheline liides võib nüristada või peatada kasvava väsimusprao.
Pinge jaotumine: tugevama, rabedama faasi (alfa) ja sitkema, plastilisema faasi (beeta) segu loob komposiit{0}}taolise struktuuri, mis talub paremini tsüklilisi pingeid.
Ühefaasilise (kõik alfa) mikrostruktuuriga CP-titaanil on hea väsimuskindlus, kuid see ei vasta 5. klassi optimeeritud, peeneteralisele alfa-beetastruktuurile kõige nõudlikumate suure-tsükliga väsimusrakenduste jaoks.
4. Keevitamine on titaantorustiku jaoks kriitiline ühendamisprotsess. Mis on kõigi titaani klasside keevitamisel kõige olulisem menetlusnõue ja milline konkreetne defekt tekib, kui seda nõuet ei täideta?
Ainus kõige olulisem nõue on äärmiselt range ja kõrge puhtusastmega inertgaasi{0}}varjestussüsteemi kasutamine, et kaitsta sula keevisvanni ja sellega külgnevat soojustsooni{1}}(HAZ) atmosfääri saastumise eest.
Titaanil on väga kõrge afiinsus hapniku, lämmastiku ja vesiniku suhtes, eriti temperatuuril üle 500 kraadi (930 kraadi F). Kui see on kaitsmata, neelab see need elemendid õhust kergesti.
Konkreetne defekt: rabedus
Nende interstitsiaalsete elementide neeldumine põhjustab keevisliite tugevat haprust, mis avaldub järgmiselt:
Hapniku ja lämmastiku saastumine: need elemendid lahustuvad interstitsiaalselt titaanvõres, põhjustades tugevuse järsu suurenemise ning katastroofilise elastsuse ja sitkuse vähenemise. Keevismetall ja värvi muutnud HAZ (mis näib olevat sinine, lilla või valge) muutuvad kõvaks ja rabedaks.
Vesiniku saastumine: Vesinik võib põhjustada haprate hüdriidide moodustumist mikrostruktuuris, mis vähendab veelgi vastupidavust murdumisele ja võib põhjustada hilist pragunemist tundide või päevade jooksul pärast keevitamist.
Varjestuse praktika:
See nõuab palju rangemat varjestusprotokolli kui roostevaba terase puhul:
Esmane varjestus: kõrge{0}}puhtusastmega argoon (või heeliumi/argooni segu) keevituspõletist.
Tagumine varjestus: Inertgaasi pikaajaline vool kuuma, tahkuva keevisõmbluse kohal, kuni see jahtub alla ~400 kraadi.
Tagumine läbipuhumine: Toru sisemust tuleb puhastada argooniga, et kaitsta keevisõmbluse juure oksüdeerumise eest. Siseatmosfääri puhtust kontrollitakse sageli enne keevitamise alustamist hapnikumõõturiga.
Keevisõmblust, mis näitab mis tahes värvimuutust väljaspool heledat põhuvärvi, peetakse potentsiaalselt saastunuks ja selle võib tagasi lükata, kuna värvimuutus näitab oksiidi moodustumist ja interstitsiaalset kogunemist.
5. Keemiatööstuses tuleb kuuma oksüdeeriva happe käitlemiseks otsustada CP 4. ja 5. klassi torude vahel. Milline korrosioonikindluse põhiomadus neid kahte eristab ja miks võib "nõrgem" CP klass olla sobivam valik?
Peamine eristav omadus on üldine korrosioonikindlus oksüdeerivates keskkondades ja kaubanduslikult puhas (CP) titaan ületab nendes spetsiifilistes keskkondades sageli 5. klassi.
Põhjus: galvaaniline korrosioon mikrostruktuuris
CP Titanium (klass 1-4): sellel on ühefaasiline (alfa) mikrostruktuur. See on homogeenne, kõigil teradel on sama elektrokeemiline potentsiaal. See homogeensus soodustab ühtlase ja stabiilse TiO₂ passiivse kile teket.
5. klass (Ti-6Al-4V): kahe-faasilise (alfa-beeta) mikrostruktuuriga. Alfa- ja beetafaasidel on veidi erinev keemiline koostis ja seetõttu ka veidi erinev elektrokeemiline potentsiaal. See tekitab teatud tingimustel mikrogalvaanilise korrosiooni ohu keevisõmbluses HAZ või mitteväärismetallis.
Tugevalt oksüdeerivas happes (nt lämmastikhape, kroomhape) suunatakse potentsiaal piirkonda, kus TiO₂ kile on stabiilne. Homogeense CP-titaani puhul annab see suurepärase ühtlase passiivsuse. Kuid 5. klassis saab vähem-üllast beetafaasi alfa-beeta-piiridel valikuliselt rünnata, mis viib eelistatud korrosioonini. 5. klassi alumiinium võib samuti vähendada selle korrosioonikindlust mõnes leelises.
Miks "nõrgem" CP hinne on sageli parem valik:
Kuigi klass 5 on tugevam, ei ole selle tugevus alati statsionaarse toru esmane nõue. Kuumaid oksüdeerivaid happeid käitlevate keemiliste protsesside torude puhul on esmatähtis ühtne korrosioonikindlus ja pikaajaline -terviklikkus. CP klass 4 tagab enamiku torustike jaoks piisava mehaanilise tugevuse ning pakub nendes spetsiifilistes keskkondades oma mikrostruktuurilise homogeensuse tõttu paremat, prognoositavamat ja usaldusväärsemat korrosioonikindlust.
Valikujuhis: mitte-oksüdeerivate või redutseerivate hapete puhul võivad mõlemad halvasti toimida. Kuid oksüdeerivate keskkondade jaoks on CP klass 4 tavaliselt korrosioonikindlam-ja seega ka ohutum valik. Klass 5 on reserveeritud rakendustele, kus selle suurepärane tugevuse -/-massi suhe ja väsimuskindlus on hädavajalikud, näiteks kõrgsurve- või vibratsioonisüsteemides, eeldusel, et selle korrosioonikindlus konkreetses protsessivoos on kontrollitud.
