1. Komerciāli tīra (CP) titāna 3. un 4. klase ir definēta pēc to pieaugošā skābekļa un dzelzs satura. Kā šis iespiesto elementu saturs tieši izpaužas to mehāniskajās īpašībās, un kāds ir galvenais veiktspējas kompromiss- starp lielāku izturību un izgatavojamību?
Komerciāli tīra (CP) titāna mehāniskās īpašības nosaka nevis sakausējums tradicionālajā izpratnē, bet gan intersticiālo elementu -galvenokārt skābekļa (O) un sekundāri dzelzs (Fe) koncentrācija. Šie mazie atomi iekļaujas telpās starp lielākajiem titāna atomiem kristāla režģī, radot režģa deformāciju.
3. pakāpe (UNS R50500): satur zemāku skābekļa un dzelzs līmeni. Tas tiek uzskatīts par vidēji stipru-CP titānu.
4. pakāpe (UNS R50700): tajā ir lielākais pieļaujamais skābekļa un dzelzs saturs starp CP kategorijām, padarot to par spēcīgāko.
Tiešā tulkošana uz mehāniskajām īpašībām:
Palielinātais iespiesto reklāmu saturs darbojas kā spēcīgs{0}}šķīduma pastiprinātājs. Kad skābekļa un dzelzs līmenis palielinās no Gr3 uz Gr4:
Stiepes un ražības stiprības palielināšanās: Režģa deformācija, ko izraisa starpposma elementi, kavē dislokāciju (kristāla struktūras defektu) kustību, apgrūtinot metāla plastisko deformāciju. Tā rezultātā tiek iegūta lielāka izturība.
Elastīguma un lūzuma izturības samazināšanās: tas ir kritiskais kompromiss{0}}. Tā pati režģa deformācija, kas nodrošina izturību, samazina arī materiāla spēju plastiski deformēties pirms lūzuma. Līdz ar to 4. pakāpei ir lielāka izturība, bet zemāka elastība (izstiepums) un triecienizturība, salīdzinot ar 3. pakāpi.
Izgatavojamības{0}}atlaide:
Šis elastības samazinājums tieši ietekmē izgatavojamību:
3. pakāpe ir pielaidīgāka pret aukstu locīšanu, uzliesmojumu un citām formēšanas darbībām. Tā lielāka elastība ļauj tai izturēt lielāku deformāciju bez plaisāšanas.
4. pakāpe, lai gan joprojām ir formējama, ražošanas laikā prasa rūpīgāku apiešanos. Tādos procesos kā aukstā locīšana var būt nepieciešami lielāki lieces rādiusi, un, agresīvi apstrādājot materiālu, pastāv lielāks plaisāšanas risks. Tas bieži vien gūst labumu no karstās formēšanas metodēm sarežģītām formām.
Rezumējot: izvēlieties 3. pakāpi lietojumiem, kam nepieciešama optimāla formējamība un stingrība; Izvēlieties 4. pakāpi, ja ir nepieciešama maksimālā izturība no CP titāna un ražošanas process var pielāgoties tā zemākajai elastībai.
2. Jūras ūdens dzesēšanas cauruļu sistēmai CP Titanium (Gr2/Gr3) bieži izvēlas, nevis nerūsējošo tēraudu. Kāda ir galvenā elektroķīmiskā īpašība, kas padara titānu praktiski imūnu pret punktveida koroziju un plaisu koroziju hlorīdos pat paaugstinātā temperatūrā?
Galvenā īpašība ir titāna ārkārtīgi augstā izturība pret lokalizētu koroziju, ko nosaka tā pasīvās plēves raksturs.
Pasīvā plēve: Saskaroties ar gaisu vai mitrumu, titāns acumirklī veido blīvu, līmējošu un nepārtrauktu titāna dioksīda (TiO₂) aizsargkārtu. Šī oksīda plēve ir īpaši stabila un ļoti nešķīstoša dažādās vidēs, tostarp hlorīda-bagātos sālījumos.
Sadalīšanas potenciāls (punktu veidošanās potenciāls): elektroķīmiskā izteiksmē katram metālam ir raksturīgs "punktu veidošanās potenciāls" (E_pit) noteiktā vidē. Punktu korozija sākas, kad pielietotais potenciāls pārsniedz šo vērtību. Titāna potenciāls hlorīda šķīdumos ir ārkārtīgi augsts, bieži vien pārsniedzot ūdens sadalīšanās (skābekļa izdalīšanās) potenciālu. Tas nozīmē, ka vairumā praktisko gāzētu jūras ūdens lietojumu elektroķīmiskais potenciāls nekad nesasniedz pietiekami augstu līmeni, lai nojauktu TiO₂ plēvi.
Repasivācija: pat ja plēve ir mehāniski bojāta (piemēram, ar skrāpējumiem vai abrazīvām daļiņām), tā gandrīz acumirklī pārveidojas ūdens vai gaisa klātbūtnē, izārstējot plīsumu, pirms var rasties ievērojama korozija.
Šī uzvedība krasi atšķiras no nerūsējošā tērauda. Lai gan nerūsējošais tērauds veido arī pasīvu plēvi (Cr₂O₃), tas ir jutīgs pret hlorīda jonu noārdīšanos ar daudz zemāku potenciālu, izraisot punktveida koroziju un plaisu koroziju, īpaši siltā, stāvošā jūras ūdenī. Titāna necaurlaidīgā oksīda plēve padara to par piemērotu materiālu jūras ūdens apkalpošanai, siltummaiņiem un lietojumiem atklātā jūrā, kur nerūsējošais tērauds varētu sabojāt.
3. Ti-6Al-4V (5. klase) cauruļvadi ir paredzēti augstspiediena-aviācijas sistēmām. Kādi ir divu -fāžu mikrostrukturālie komponenti (alfa un beta), un kā šī mikrostruktūra nodrošina izcilu stiprības un svara attiecību un noguruma veiktspēju salīdzinājumā ar CP pakāpēm?
5. klase ir alfa-beta sakausējums, kas nozīmē, ka tā mikrostruktūra istabas temperatūrā sastāv no divu fāžu maisījuma:
Alfa ( ) fāze: sešstūraina cieši{0}}iesaiņota (HCP) kristāla struktūra. Šī fāze ir stabila, nodrošina labu šļūdes pretestību un nosaka sakausējuma bāzes izturību un izturību pret koroziju.
Beta ( ) fāze: ķermeņa{0}}centrēta kubiskā (BCC) kristāla struktūra. Šī fāze nodrošina uzlabotu elastību, formējamību un, galvenais, spēju stiprināt sakausējumu, termiski apstrādājot.
Izcila spēka{0}}un-svara attiecība:
6% alumīnija (alfa stabilizatora) un 4% vanādija (beta stabilizatora) pievienošana rada daudz spēcīgāku cieto šķīdumu nekā intersticiālais stiprinājums CP titānā.
Vēl svarīgāk ir tas, ka 5. pakāpi var termiski-apstrādāt (apstrādāt ar šķīdumu un izturēt). Šis process beta fāzes matricā izgulsnē smalkas alfa fāzes daļiņas, radot milzīgus iekšējos šķēršļus dislokācijas kustībai. Šī nokrišņu sacietēšana var palielināt 5. pakāpes stiepes izturību līdz vairāk nekā 1000 MPa, salīdzinot ar maksimālo ~ 550 MPa 4. KP titānam.
Šis ievērojamais stiprības pieaugums tiek panākts, tikai minimāli palielinot blīvumu. Rezultātā iegūtā izturības-un-svara attiecība ir visaugstākā starp trim pakāpēm, padarot to ideāli piemērotu svara-kritiskajām kosmosa hidrauliskajām līnijām un degvielas sistēmām.
Uzlabota noguruma veiktspēja:
Noguruma atteice rodas cikliskas slodzes dēļ. Pareizi termiski apstrādātas 5. pakāpes caurules smalkā, izkliedētā divu{1}}fāzu mikrostruktūra ir ļoti efektīva:
Mikro{0}}plaisu aizturēšana: saskarne starp alfa un beta fāzi var nogludināt vai apturēt pieaugošo noguruma plaisu.
Sprieguma sadale: stiprākas, trauslākas fāzes (alfa) sajaukums ar stingrāku, elastīgāku fāzi (beta) rada saliktu -līdzīgu struktūru, kas labāk iztur cikliskus spriegumus.
CP titānam ar vienas-fāzes (visu alfa) mikrostruktūru ir laba noguruma noturība, taču tas nevar līdzināties optimizētajai, smalkgraudainajai 5. pakāpes alfa-beta struktūrai visprasīgākajiem augsta-cikla noguruma lietojumiem.
4. Metināšana ir svarīgs titāna cauruļvadu savienošanas process. Kāda ir vissvarīgākā procedūras prasība visu titāna marku metināšanas laikā, un kādi konkrēti defekti rodas, ja šī prasība netiek ievērota?
Vienīgā vissvarīgākā prasība ir ļoti stingras un augstas{0}}tīrības pakāpes inertās gāzes aizsargsistēmas izmantošana, lai aizsargātu izkausēto metināšanas baseinu un blakus esošo karstuma{1}}ietekmēto zonu (HAZ) no atmosfēras piesārņojuma.
Titānam ir ļoti augsta afinitāte pret skābekli, slāpekli un ūdeņradi, īpaši temperatūrā virs 500 grādiem (930 grādiem F). Ja tas nav aizsargāts, tas viegli absorbēs šos elementus no gaisa.
Īpašs defekts: Trausls
Šo intersticiālo elementu absorbcija izraisa smagu metinājuma savienojumu trauslumu, kas izpaužas kā:
Skābekļa un slāpekļa piesārņojums: šie elementi intersticiāli izšķīst titāna režģī, izraisot dramatisku stiprības pieaugumu un katastrofālu elastības un stingrības zudumu. Metinātais metāls un izmainītā HAZ krāsa (kas izskatās zila, violeta vai balta) kļūst cieta un trausla.
Ūdeņraža piesārņojums: Ūdeņradis var izraisīt trauslu hidrīdu veidošanos mikrostruktūrā, vēl vairāk samazinot izturību pret lūzumiem un, iespējams, izraisot aizkavētu plaisāšanu vairākas stundas vai dienas pēc metināšanas.
Aizsardzības prakse:
Tas prasa daudz stingrāku ekranēšanas protokolu nekā nerūsējošajam tēraudam:
Primārā ekranēšana: augstas-tīrības pakāpes argons (vai hēlija/argona maisījums) no metināšanas degļa.
Aizmugurējais ekranējums: ilgstoša inertas gāzes plūsma virs karstās, sacietējošās metinājuma lodītes, līdz tā atdziest zem ~400 grādiem.
Aizmugures attīrīšana: caurules iekšpuse ir jāiztīra ar argonu, lai aizsargātu metinājuma sakni no oksidēšanās. Pirms metināšanas sākuma iekšējās atmosfēras tīrību bieži pārbauda ar skābekļa mērītāju.
Metinātā šuve, kas uzrāda jebkādas krāsas izmaiņas, kas pārsniedz gaišo salmu krāsu, tiek uzskatīta par potenciāli piesārņotu un var tikt noraidīta, jo krāsas maiņa norāda uz oksīda veidošanos un intersticiālu uztveršanu.
5. Ķīmiskās apstrādes rūpniecībā ir jāpieņem lēmums starp CP 4. un 5. pakāpes caurulēm, lai apstrādātu karstu, oksidējošu skābi. Kādas galvenās izturības pret koroziju īpašības atšķir tās, un kāpēc "vājākā" CP kategorija varētu būt piemērotākā izvēle?
Galvenā atšķirīgā īpašība ir vispārējā izturība pret koroziju oksidējošā vidē, un komerciāli tīrs (CP) titāns šajās īpašajās vidēs bieži pārspēj 5. pakāpi.
Iemesls: galvaniskā korozija mikrostruktūrā
CP Titanium (1. -4. klase): ir vienfāzes (alfa) mikrostruktūra. Tas ir viendabīgs, visiem graudiem ir vienāds elektroķīmiskais potenciāls. Šī viendabīgums veicina viendabīgas, stabilas TiO₂ pasīvās plēves veidošanos.
5. pakāpe (Ti-6Al-4V): ir divu-fāžu (alfa-beta) mikrostruktūra. Alfa un beta fāzēm ir nedaudz atšķirīgs ķīmiskais sastāvs un līdz ar to nedaudz atšķirīgs elektroķīmiskais potenciāls. Tas rada mikrogalvaniskās korozijas risku metinātajā šuvē HAZ vai parastajā metālā noteiktos apstākļos.
Spēcīgi oksidējošā skābē (piemēram, slāpekļskābē, hromskābē) potenciāls tiek virzīts uz reģionu, kur TiO₂ plēve ir stabila. Viendabīgajam CP titānam tas nodrošina izcilu, vienmērīgu pasivitāti. Tomēr 5. pakāpē mazāk-noble beta fāzei var selektīvi uzbrukt pie alfa-beta robežām, izraisot preferenciālu koroziju. 5. klases alumīnijs var arī samazināt tā izturību pret koroziju dažos sārmos.
Kāpēc "vājākā" KP pakāpe bieži ir labāka izvēle:
Lai gan 5. pakāpe ir spēcīgāka, tās izturība ne vienmēr ir galvenā prasība stacionārai caurulei. Ķīmiskā procesa caurulēs, kurās tiek apstrādātas karstas, oksidējošas skābes, galvenā problēma ir vienmērīga izturība pret koroziju un ilgstoša -integritāte. CP 4. klase nodrošina pietiekamu mehānisko izturību lielākajai daļai cauruļvadu lietojumu un nodrošina izcilu, paredzamāku un uzticamāku izturību pret koroziju šajās īpašajās vidēs, pateicoties tās mikrostrukturālās viendabīgumam.
Atlases vadlīnijas: ne{0}}oksidējošām vai reducējošām skābēm abas var darboties slikti. Taču oksidējošās vidēs CP 4. klase parasti ir izturīgāka pret koroziju un tādējādi arī drošāka izvēle. 5. klase ir paredzēta lietojumiem, kur ir absolūti nepieciešama tā augstākā izturības -pret-svara attiecība un noguruma izturība, piemēram, augstspiediena vai vibrācijas sistēmās, ja ir pārbaudīta tā izturība pret koroziju konkrētajā procesa plūsmā.
