Titaaniseos - Titanium alloy

Titaaniseokset ovat seoksia, jotka sisältävät titaanin ja muiden kemiallisten alkuaineiden seoksen . Tällaisilla seoksilla on erittäin suuri vetolujuus ja sitkeys (jopa äärimmäisissä lämpötiloissa). Ne ovat kevyitä, niillä on poikkeuksellinen korroosionkestävyys ja kyky kestää äärilämpötiloja. Kuitenkin sekä raaka -aineiden että jalostamisen korkeat kustannukset rajoittavat niiden käytön sotilaallisiin sovelluksiin, lentokoneisiin , avaruusaluksiin , polkupyöriin , lääkinnällisiin laitteisiin, koruihin, erittäin rasittuneisiin komponentteihin, kuten kalliiden urheiluautojen kiertokanget ja joihinkin premium -urheiluvälineisiin ja kulutuselektroniikkaan .

Vaikka "kaupallisesti puhtaalla" titaanilla on hyväksyttävät mekaaniset ominaisuudet ja sitä on käytetty ortopedisiin ja hammasimplantteihin , useimmissa sovelluksissa titaani on seostettu pienillä määrillä alumiinia ja vanadiinia , tyypillisesti 6% ja 4% painosta. Tällä seoksella on kiinteä liukoisuus, joka vaihtelee dramaattisesti lämpötilan mukaan, jolloin se voi saostua . Tämä lämpökäsittelyprosessi suoritetaan sen jälkeen, kun seos on viimeistelty lopulliseen muotoonsa, mutta ennen kuin se otetaan käyttöön, mikä mahdollistaa paljon lujemman tuotteen valmistamisen paljon helpommin.

Luokat

Titaaniseokset luokitellaan yleensä neljään pääryhmään:

  • Alfa -seokset, jotka sisältävät vain neutraaleja seosaineita (kuten tinaa ) ja/ tai alfa -stabilointiaineita (kuten alumiinia tai happea ). Nämä eivät ole lämpökäsiteltäviä. Esimerkkejä ovat: Ti-5Al-2Sn-ELI, Ti-8Al-1Mo-1V.
  • Lähes alfa-seokset sisältävät pienen määrän taipuisaa beetafaasia. Alfafaasistabilisaattoreiden lisäksi lähes alfa-seokset seostetaan 1–2%: lla beetafaasin stabilointiaineita, kuten molybdeeniä, piitä tai vanadiinia. Esimerkkejä ovat: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti -5Al-5Sn-2Zr -2Mo, IMI 685, Ti 1100.
  • Alfa- ja beetaseokset, jotka ovat metastabiileja ja sisältävät yleensä jonkin yhdistelmän sekä alfa- että beetastabilisaattoreita ja joita voidaan lämpökäsitellä. Esimerkkejä ovat: Ti-6Al-4V , Ti-6Al-4V-ELI, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7Nb .
  • Beeta ja lähellä beetaseoksia, jotka ovat metastabiileja ja sisältävät riittävästi beetastabilisaattoreita (kuten molybdeeniä, piitä ja vanadiinia), jotta ne voivat säilyttää beetafaasin sammutettaessa, ja joita voidaan myös käsitellä ja vanhentaa lujuuden parantamiseksi. Esimerkkejä ovat: Ti-10V-2Fe-3Al , Ti – 29Nb – 13Ta – 4,6Zr, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Beta C, Ti-15-3.

Beeta-titaani

Beeta titaani seokset osoittavat BCC allotrooppisesta muodossa titaani (kutsutaan beeta). Tässä seoksessa käytetyt elementit ovat yksi tai useampi seuraavista kuin titaani vaihtelevissa määrissä. Näitä ovat molybdeeni , vanadiini , niobium , tantaali , zirkonium , mangaani , rauta , kromi , koboltti , nikkeli ja kupari .

Titaaniseoksilla on erinomainen muovattavuus ja ne voidaan helposti hitsata.

Beetatitaania käytetään nykyään laajalti oikomishoidossa ja se otettiin käyttöön oikomishoidossa 1980 -luvulla. Tämäntyyppinen seos korvasi ruostumattoman teräksen tiettyihin käyttötarkoituksiin, koska ruostumaton teräs oli hallinnut oikomishoitoa 1960 -luvulta lähtien. Sen lujuus/joustavuuskerroin ovat lähes kaksinkertaiset 18–8 austeniittiseen ruostumattomaan teräkseen verrattuna, suuret jousien joustavat taipumat ja pienempi voima yksikkötilavuutta kohti 2,2 kertaa alle ruostumattomasta teräksestä valmistettujen laitteiden.

Jotkut beeta titaani seokset voidaan muuntaa kova ja hauras kuusikulmainen omega-titaani kryogeenisissä tai alle ionisoivan säteilyn vaikutuksen.

Siirtymälämpötila

Titaanin kiderakenne ympäristön lämpötilassa ja paineessa on tiiviisti pakattu kuusikulmainen a-faasi, jonka ac/a-suhde on 1,587. Noin 890 ° C: ssa titaani muuttuu allotrooppisesti kehokeskeiseksi kuutiomaiseksi β-faasiksi, joka pysyy vakaana sulamislämpötilassa.

Jotkut seosaineet, joita kutsutaan alfa-stabilointiaineiksi, nostavat alfa-beeta- siirtymälämpötilaa , kun taas toiset (beetastabilisaattorit) alentavat siirtymälämpötilaa. Alumiini, gallium , germanium , hiili , happi ja typpi ovat alfa -stabilointiaineita. Molybdeeni , vanadiini , tantaali , niobi , mangaani , rauta , kromi , koboltti , nikkeli , kupari ja pii ovat beetastabilisaattoreita.

Ominaisuudet

Yleensä beeta-vaihe titaani on enemmän sitkeä faasi ja alfa-faasi on vahvempi vielä vähemmän venyvä, koska suurempi määrä liukua tasojen on bcc rakenteen beeta-vaihe verrattuna ap alfa-faasi. Alfa-beetafaasititaanilla on mekaaninen ominaisuus, joka on molempien välissä.

Titaanidioksidi liukenee metalliin korkeissa lämpötiloissa, ja sen muodostuminen on erittäin energistä. Nämä kaksi tekijää tarkoittavat, että kaikessa titaanissa, lukuun ottamatta huolellisimmin puhdistettua, on merkittävä määrä liuennutta happea , joten sitä voidaan pitää Ti -O -seoksena. Oksidisaosteet tarjoavat jonkin verran lujuutta (kuten edellä keskusteltiin), mutta eivät reagoi hyvin lämpökäsittelyyn ja voivat merkittävästi vähentää seoksen sitkeyttä.

Monet seokset sisältävät myös titaania pienenä lisäaineena, mutta koska seokset luokitellaan yleensä sen mukaan, mikä elementti muodostaa suurimman osan materiaalista, niitä ei yleensä pidetä "titaaniseoksina" sellaisinaan. Katso titaanisovelluksia käsittelevä alaartikkeli .

Pelkkä titaani on vahva, kevyt metalli. Se on vahvempi kuin tavalliset vähähiiliset teräkset, mutta 45% kevyempi. Se on myös kaksi kertaa vahvempi kuin heikot alumiiniseokset, mutta vain 60% raskaampi. Titaanilla on erinomainen korroosionkestävyys merivedelle, joten sitä käytetään potkuriakseleissa, takilassa ja muissa veneiden osissa, jotka ovat alttiina merivedelle. Titaania ja sen seoksia käytetään lentokoneissa, ohjuksissa ja raketteissa, joissa lujuus, kevyt paino ja korkeiden lämpötilojen kestävyys ovat tärkeitä. Lisäksi, koska titaani ei reagoi ihmiskehossa, sitä ja sen seoksia käytetään keinotekoisissa liitoksissa, ruuveissa ja murtumilevyissä sekä muissa biologisissa implantteissa. Katso: Titaani -ortopediset implantit .

Titaani laadut

ASTM International standardi titaani ja titaaniseoksesta saumattomien putkien viitteet seuraavat seokset, edellyttää käsittelyn jälkeen:

"Lejeeringit voidaan toimittaa seuraavissa olosuhteissa: luokat 5, 23, 24, 25, 29, 35 tai 36 hehkutettu tai vanhennettu; luokat 9, 18, 28 tai 38 kylmäkäsitellyt ja rasitusta lievittävät tai hehkutetut; luokat 9 , 18, 23, 28 tai 29 transformoitu beeta-tila; ja asteet 19, 20 tai 21 liuoksella tai liuoksella käsitelty ja ikääntynyt. "

"Huomautus 1 - H -luokan materiaali on identtinen vastaavan numeerisen arvosanan kanssa (eli luokka 2H = luokka 2) lukuun ottamatta korkeampaa taattua vähimmäis -UTS: ää , ja se voidaan aina sertifioida vastaavan numeerisen arvosanan vaatimusten mukaisesti. 7H, 16H ja 26H on tarkoitettu ensisijaisesti paineastiaan. "

"H -arvot lisättiin vastauksena käyttäjien yhdistämispyyntöön, joka perustui hänen tutkimukseensa yli 5200 kaupallisesta luokan 2, 7, 16 ja 26 testiraportista, joissa yli 99% täytti 58 ksi: n vähimmäis -UTS: n."

Aste 1
on sitkein ja pehmein titaaniseos. Se on hyvä ratkaisu kylmämuovaukseen ja syövyttäviin ympäristöihin. ASTM/ASME SB-265 tarjoaa standardit kaupallisesti puhtaille titaanilevyille ja -levyille.
Luokka 2
Seostamaton titaani, tavallinen happi.
Luokka 2H
Seostamaton titaani (luokka 2, vähintään 58 ksi UTS).
Luokka 3
Seostamaton titaani, keskipitkä happi.
Luokat 1-4 ovat seostamattomia ja niitä pidetään kaupallisesti puhtaina tai "CP". Yleensä näiden "puhtaiden" laatujen vetolujuus ja myötölujuus nousevat. Ero niiden fyysisissä ominaisuuksissa johtuu pääasiassa välimaalisten elementtien määrästä . Niitä käytetään korroosionkestävissä sovelluksissa, joissa kustannukset, valmistuksen helppous ja hitsaus ovat tärkeitä.
Luokka 5 tunnetaan myös nimellä Ti6Al4V , Ti-6Al-4V tai Ti 6-4
ei pidä sekoittaa Ti-6Al-4V-ELI (luokka 23), on yleisimmin käytetty seos. Sen kemiallinen koostumus on 6% alumiinia, 4% vanadiinia, 0,25% (enintään) rautaa , 0,2% (enintään) happea ja loput titaania. Se on merkittävästi vahvempi kuin kaupallisesti puhdas titaani (luokat 1-4), ja sillä on sama jäykkyys ja lämpöominaisuudet (lukuun ottamatta lämmönjohtavuutta, joka on noin 60% pienempi luokassa 5 Ti kuin CP Ti). Monien etujensa lisäksi se on lämpökäsiteltävä. Tämä laatu on erinomainen yhdistelmä lujuutta, korroosionkestävyyttä, hitsausta ja valmistettavuutta.

"Tämä alfa-beeta-seos on titaaniteollisuuden työhevosmetalliseos. Seos on täysin lämpökäsiteltävä jopa 15 mm: n leikkauskokoihin ja sitä käytetään noin 400 ° C: seen (750 ° F) asti. Koska se on yleisimmin käytetty metalliseos-yli 70% kaikista sulatuista metalliseoksista on Ti6Al4V: n alalaatua, sen käyttötarkoitukset kattavat monia ilmailu- ja ilma-alusten runko- ja moottorikomponenttien käyttötarkoituksia ja myös tärkeitä muita kuin ilmailualan sovelluksia erityisesti meri-, offshore- ja sähköntuotantoteollisuudessa. "

" Käyttökohteet : terät, kiekot, renkaat, ilmatyynyt, kiinnikkeet, komponentit. Alukset, kotelot, navat, taotut. Biolääketieteelliset implantit."

Yleensä Ti-6Al-4V: tä käytetään sovelluksissa, joiden lämpötila on enintään 400 astetta. Sen tiheys on noin 4420 kg/m 3 , Youngin moduuli 120 GPa ja vetolujuus 1000 MPa. Vertailun vuoksi hehkutetun tyypin 316 ruostumattoman teräksen tiheys on 8000 kg/m 3 , moduuli 193 GPa ja vetolujuus 570 MPa. Karkaistun 6061 -alumiiniseoksen tiheys on 2700 kg/m 3 , moduuli 69 GPa ja vetolujuus 310 MPa.
Ti-6Al-4V-standardin tekniset tiedot sisältävät:
  • AMS: 4911, 4928, 4965, 4967, 6930, 6931, T-9046, T9047
  • ASTM: B265, B348, F1472
  • MIL: T9046 T9047
  • DMS: 1592, 1570
Luokka 6
sisältää 5% alumiinia ja 2,5% tinaa. Se tunnetaan myös nimellä Ti-5Al-2.5Sn. Tätä seosta käytetään lentokoneiden rungoissa ja suihkumoottoreissa hyvän hitsattavuutensa, vakautensa ja lujuutensa vuoksi korkeissa lämpötiloissa.
Luokka 7
sisältää 0,12-0,25% palladiumia . Tämä laatu on samanlainen kuin luokka 2. Pieni palladiumimäärä lisää sitä parantamalla halkeamien korroosionkestävyyttä matalissa lämpötiloissa ja korkeassa pH: ssa .
Luokka 7H
on sama kuin luokka 7 ja korroosionkestävyys on parempi.
Luokka 9
sisältää 3,0% alumiinia ja 2,5% vanadiinia. Tämä luokka on kompromissi "puhtaiden" laatujen hitsaamisen ja valmistuksen helpon ja luokan 5 korkean lujuuden välillä. Sitä käytetään yleisesti lentokoneiden hydrauliikan letkuissa ja urheiluvälineissä.
Luokka 11
sisältää 0,12-0,25% palladiumia. Tämä luokka on korroosionkestävä.
Luokka 12
sisältää 0,3% molybdeenia ja 0,8% nikkeliä.
Luokat 13 , 14 ja 15
kaikki sisältävät 0,5% nikkeliä ja 0,05% ruteniumia .
Luokka 16
sisältää 0,04-0,08% palladiumia. Tämä luokka on korroosionkestävä.
Luokka 16H
sisältää 0,04-0,08% palladiumia.
Luokka 17
sisältää 0,04-0,08% palladiumia. Tämä luokka on korroosionkestävä.
Luokka 18
sisältää 3% alumiinia, 2,5% vanadiinia ja 0,04 - 0,08% palladiumia. Tämä luokka on mekaanisilta ominaisuuksiltaan sama kuin luokka 9. Lisätty palladium lisää korroosionkestävyyttä.
Luokka 19
sisältää 3% alumiinia, 8% vanadiinia, 6% kromia, 4% zirkoniumia ja 4% molybdeenia.
Luokka 20
sisältää 3% alumiinia, 8% vanadiinia, 6% kromia, 4% zirkoniumia, 4% molybdeeniä ja 0,04% - 0,08% palladiumia.
Luokka 21
Sisältää 15% molybdeenia, 3% alumiinia, 2,7% niobia ja 0,25% piitä.
Luokka 23 tunnetaan myös nimellä Ti-6Al-4V-ELI tai TAV-ELI
sisältää 6% alumiinia, 4% vanadiinia, 0,13% (enintään) happea. ELI tarkoittaa Extra Low Interstitial. Vähentynyt välikappaleiden happi ja rauta parantavat sitkeyttä ja murtumiskestävyyttä jonkin verran heikentäen lujuutta. TAV -ELI on yleisimmin käytetty lääketieteellinen implanttilaatuinen titaaniseos.
Ti-6Al-4V-ELI-standardin tekniset tiedot sisältävät:
  • AMS: 4907, 4930, 6932, T9046, T9047
  • ASTM: B265, B348, F136
  • MIL: T9046 T9047
Luokka 24
sisältää 6% alumiinia, 4% vanadiinia ja 0,04% - 0,08% palladiumia.
Luokka 25
sisältää 6% alumiinia, 4% vanadiinia ja 0,3–0,8% nikkeliä ja 0,04–0,08% palladiumia.
Luokat 26 , 26H ja 27
kaikki sisältävät 0,08-0,14% ruteniumia.
Luokka 28
sisältää 3% alumiinia, 2,5% vanadiinia ja 0,08 - 0,14% ruteniumia.
Luokka 29
sisältää 6% alumiinia, 4% vanadiinia ja 0,08 - 0,14% ruteniumia.
Luokat 30 ja 31
sisältää 0,3% kobolttia ja 0,05% palladiumia.
Luokka 32
sisältää 5% alumiinia, 1% tinaa, 1% zirkoniumia, 1% vanadiinia ja 0,8% molybdeeniä.
Luokat 33 ja 34
Sisältää 0,4% nikkeliä, 0,015% palladiumia, 0,025% ruteniumia ja 0,15% kromia.
Luokka 35
sisältää 4,5% alumiinia, 2% molybdeeniä, 1,6% vanadiinia, 0,5% rautaa ja 0,3% piitä.
Luokka 36
sisältää 45% niobia.
Luokka 37
sisältää 1,5% alumiinia.
Luokka 38
sisältää 4% alumiinia, 2,5% vanadiinia ja 1,5% rautaa. Tämä laatu on kehitetty 1990 -luvulla käytettäväksi panssarointina. Rauta vähentää beetastabilisaattorina tarvittavan vanadiinin määrää. Sen mekaaniset ominaisuudet ovat hyvin samankaltaisia ​​kuin luokassa 5, mutta sillä on hyvä kylmätyöstettävyys kuin luokalla 9.

Lämpökäsittely

Titaaniseokset lämpökäsitellään useista syistä, joista tärkeimpiä ovat lujuuden lisääminen liuoskäsittelyllä ja ikääntyminen sekä erityisominaisuuksien, kuten murtumiskestävyyden, väsymislujuuden ja korkean lämpötilan ryömintälujuuden, optimointi.

Alfa- ja lähes alfa-seoksia ei voida muuttaa dramaattisesti lämpökäsittelyllä. Stressinpoisto ja hehkutus ovat prosesseja, joita voidaan käyttää tämän titaaniseosten luokan osalta. Beta-seosten lämpökäsittelyjaksot eroavat merkittävästi alfa- ja alfa-beeta-seosten lämpökäsittelyjaksoista. Beetaseokset eivät voi vain lievittää stressiä tai hehkuttaa, vaan ne voidaan myös käsitellä ja vanhentaa. Alfa-beeta-seokset ovat kaksivaiheisia seoksia, jotka sisältävät sekä alfa- että beetafaaseja huoneenlämmössä. Vaihekoostumuksia, kokoja ja vaiheiden jakautumista alfa-beeta-seoksissa voidaan käsitellä tietyissä rajoissa lämpökäsittelyllä, mikä mahdollistaa ominaisuuksien räätälöinnin.

Alfa ja lähes alfa-seokset
Lämpökäsittelyllä ei voida voimakkaasti manipuloida alfa-seosten mikrorakennetta, koska alfa-seokset eivät kärsi merkittävistä faasimuutoksista. Tämän seurauksena alfa -seoksille ei voida saavuttaa suurta lujuutta lämpökäsittelyllä. Silti alfa- ja lähes alfa-titaaniseokset voivat lievittää stressiä ja hehkuttaa.
Alfa-beeta-seokset
Kun alfa-beeta-seoksia käytetään tai lämpökäsitellään alfa-beeta-siirtymälämpötilan alapuolella tai yläpuolella, voidaan saavuttaa suuria mikrorakenteellisia muutoksia. Tämä voi aiheuttaa materiaalin huomattavan kovettumisen. Liuoskäsittelyä ja ikääntymistä käytetään maksimaalisten vahvuuksien tuottamiseen alfa-beeta-seoksissa. Myös muita lämpökäsittelyjä, mukaan lukien stressin lievittäviä lämpökäsittelyjä, harjoitetaan myös tälle titaaniseosryhmälle.
Beetaseokset
Kaupallisissa beetaseoksissa voidaan yhdistää stressiä lievittävät ja ikääntymiseen liittyvät hoidot.

Titaaniseokset sovelluksen tai käytön mukaan

Ilmailurakenteet

Titaania käytetään säännöllisesti ilmailussa sen korroosion- ja kuumuudenkestävyyden sekä korkean lujuus-painosuhteen vuoksi. Titaaniseokset ovat yleensä vahvempia kuin alumiiniseokset, mutta kevyempiä kuin teräs.

Arkkitehtoninen verhous

Biolääketieteessä käytetyt titaaniseokset

Titaanilevy ranteelle

Titaaniseoksia on käytetty laajasti metallisten ortopedisten nivelkorvausten ja luulevyleikkausten valmistuksessa. Ne valmistetaan tavallisesti takorauta- tai valetusta teräksestä CNC- , CAD -koneistetulla koneistuksella tai jauhemetallurgiatuotannolla . Jokaisella näistä tekniikoista on luontaisia ​​etuja ja haittoja. Takotuotteissa on suuri materiaalihäviö koneistettaessa tuotteen lopulliseen muotoon, ja valettujen näytteiden osalta tuotteen hankkiminen lopullisessa muodossaan rajoittaa jonkin verran jatkokäsittelyä ja käsittelyä (esim. Saostumiskarkaisu ), mutta valu on kuitenkin materiaalitehokkaampaa. Perinteiset jauhemetallurgiamenetelmät ovat myös materiaalitehokkaampia, mutta täysin tiheiden tuotteiden hankkiminen voi olla yleinen ongelma.

Kiinteän vapaamuotoisen valmistuksen ( 3D-tulostus ) myötä on mahdollista valmistaa räätälöityjä biolääketieteellisiä implantteja (esim. Lonkanivelet). Vaikka sitä ei käytetä tällä hetkellä laajemmassa mittakaavassa, vapaamuotoiset valmistusmenetelmät tarjoavat mahdollisuuden kierrättää (valmistusprosessista peräisin oleva) jätejauhe ja tekee valikoivasta räätälöinnistä haluttuja ominaisuuksia ja siten implantin suorituskykyä. Elektronisäteilyn sulaminen (EBM) ja valikoiva lasersulatus (SLM) ovat kaksi menetelmää, joita voidaan käyttää Ti-seosten vapaamuotoiseen valmistukseen. Valmistusparametrit vaikuttavat suuresti tuotteen mikrorakenteeseen, jossa esimerkiksi nopea jäähdytysnopeus yhdessä matalan sulamisasteen kanssa SLM: ssä johtaa vallitsevaan martensiittisen alfa-alkuvaiheen muodostumiseen, jolloin saadaan erittäin kova tuote.

Ti-6Al-4V / Ti-6Al-4V-ELI
Tällä seoksella on hyvä biologinen yhteensopivuus, eikä se ole sytotoksinen eikä genotoksinen. Ti-6Al-4V kärsii huonosta leikkauslujuudesta ja heikoista pinnan kulumisominaisuuksista tietyissä kuormitusolosuhteissa:

Biologinen yhteensopivuus : Erinomainen, varsinkin kun vaaditaan suoraa kosketusta kudoksen tai luun kanssa. Ti-6Al-4V: n heikko leikkauslujuus tekee siitä ei-toivotun luuruuville tai -levyille. Sillä on myös huonot pinnan kulumisominaisuudet ja se taipuu tarttumaan liukukosketukseen itsensä ja muiden metallien kanssa. Pintakäsittelyt, kuten nitraus ja hapettaminen, voivat parantaa pinnan kulutusominaisuuksia.

Ti-6Al-7Nb
Tämä seos kehitettiin biolääketieteelliseksi korvaajaksi Ti-6Al-4V: lle, koska Ti-6Al-4V sisältää vanadiinia, elementtiä, joka on osoittanut sytotoksisia tuloksia eristettynä. Ti-6Al-7Nb sisältää 6% alumiinia ja 7% niobia.

Ti6Al7Nb on erikoisluja titaaniseos, jolla on erinomainen biologinen yhteensopivuus kirurgisiin implantteihin. Käytetty lonkkanivelen korvaamiseen, se on ollut kliinisessä käytössä vuoden 1986 alusta lähtien.

Viitteet

Huomautuksia
Lähteet

Ulkoiset linkit