Struktur und Klassifizierung von Titanlegierungen

Grundkenntnisse in Titan

Titan ist ein wichtiges Strukturmetall, das in den 1950er Jahren entwickelt wurde. Titanlegierungen sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, guten Korrosionsbeständigkeit und hohen Wärmebeständigkeit in verschiedenen Bereichen weit verbreitet. Viele Länder der Welt haben die Bedeutung von Titanlegierungsmaterialien erkannt, diese sukzessive untersucht und entwickelt und praktische Anwendung gefunden. Titan ist das vierte B-Element im Periodensystem. Es sieht aus wie Stahl und hat einen Schmelzpunkt von 1 672 C. Es ist ein feuerfestes Metall. Titan ist in der Kruste reichlich vorhanden und weitaus höher als unedle Metalle wie Cu, Zn, Sn und Pb. Titanressourcen in China sind extrem reichlich vorhanden. Nur in dem supergroßen Vanadium-Titan-Magnetit, der im Gebiet Panzhihua in der Provinz Sichuan entdeckt wurde, belaufen sich die zugehörigen Titanreserven auf etwa 420 Millionen Tonnen, was nahe an den insgesamt nachgewiesenen Titanreserven im Ausland liegt. Titanlegierungen können in hitzebeständige Legierungen, hochfeste Legierungen, korrosionsbeständige Legierungen (Ti-Mo, Ti-Pd-Legierungen usw.), Niedertemperaturlegierungen und spezielle funktionelle Legierungen (Ti-Fe-Wasserstoffspeichermaterialien und Ti-Ni-Speicher) unterteilt werden Legierungen).

Elemente der Titanlegierung

Titanlegierungen sind Legierungen auf Titanbasis, denen andere Elemente zugesetzt werden. Titan weist zwei Arten homogener heterogener Kristalle auf: Alpha-Titan mit einer dichten hexagonalen Struktur unter 882 ° C und Beta-Titan mit einer kubisch raumzentrierten Struktur über 882 ° C. Die Legierungselemente können entsprechend ihrem Einfluss auf die Phasenumwandlungstemperatur in drei Kategorien unterteilt werden: 1. Die Elemente, die die Alpha-Phase stabilisieren und die Phasenumwandlungstemperatur erhöhen, sind Alpha-stabile Elemente, einschließlich Aluminium, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Unter diesen ist Aluminium das Hauptlegierungselement der Titanlegierung. Es hat offensichtliche Auswirkungen auf die Verbesserung der Festigkeit bei Raumtemperatur und hoher Temperatur, die Verringerung des spezifischen Gewichts und die Erhöhung des Elastizitätsmoduls der Legierung. (2) Die stabile Beta-Phase und die abnehmende Phasenübergangstemperatur sind Beta-stabile Elemente, die in zwei Typen unterteilt werden können: isomorph und eutektoid. Ersteres umfasst Molybdän, Niob und Vanadium, während letzteres Chrom, Mangan, Kupfer, Eisen und Silizium umfasst. (3) Neutrale Elemente wie Zirkonium und Zinn haben wenig Einfluss auf die Phasenübergangstemperatur.

Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff sind die Hauptverunreinigungen in Titanlegierungen. Sauerstoff und Stickstoff haben eine höhere Löslichkeit in der Alpha-Phase, was eine signifikante verstärkende Wirkung auf die Titanlegierung hat, aber deren Plastizität verringert. Der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt in Titan soll üblicherweise unter 0,15-0,2% bzw. 0,04-0,05% liegen. Die Löslichkeit von Wasserstoff in der Alpha-Phase ist sehr gering. Der in der Titanlegierung gelöste überschüssige Wasserstoff erzeugt Hydrid, wodurch die Legierung spröde wird. Normalerweise wird der Wasserstoffgehalt in Titanlegierungen unter 0,0151 TP1T eingestellt. Die Auflösung von Wasserstoff in Titan ist reversibel.

Einstufung

Titan ist ein Isomer mit einem Schmelzpunkt von 1720 (?) C und einer dichten hexagonalen Gitterstruktur bei Temperaturen unter 882 (?), Das als Alpha-Titan bezeichnet wird, und einer körperzentrierten kubischen Gitterstruktur bei Temperaturen über 882 (?) C. , das Beta-Titan genannt wird. Titanlegierungen mit unterschiedlichen Mikrostrukturen können durch Zugabe geeigneter Legierungselemente erhalten werden, um die Phasenumwandlungstemperatur und den Phasengehalt allmählich zu ändern. Titanlegierungen haben bei Raumtemperatur drei Arten von Matrixstrukturen. Titanlegierungen können auch in drei Kategorien unterteilt werden: Alpha-Legierungen, (Alpha + Beta) -Legierungen und Beta-Legierungen. China wird von TA, TC und TB vertreten.

Alpha-Titanlegierung

Es ist eine einphasige Legierung, die aus einer festen Alpha-Phasenlösung besteht. Es ist sowohl bei allgemeiner Temperatur als auch bei höherer praktischer Anwendungstemperatur Alpha-Phase. Es hat eine stabile Struktur, eine höhere Verschleißfestigkeit und eine starke Oxidationsbeständigkeit als reines Titan. Seine Festigkeit und Kriechfestigkeit werden bei Temperaturen von 500 bis 600 ° C beibehalten, es kann jedoch nicht durch Wärmebehandlung verstärkt werden, und seine Festigkeit bei Raumtemperatur ist nicht hoch.

Beta-Titanlegierung

Es ist eine einphasige Legierung, die aus einer festen Beta-Phasenlösung besteht. Es hat eine hohe Festigkeit ohne Wärmebehandlung. Nach dem Abschrecken und Altern wird die Legierung weiter verstärkt und ihre Raumtemperaturfestigkeit kann 1372-1666 MPa erreichen. Seine thermische Stabilität ist jedoch schlecht und es ist nicht für die Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet.

Alpha + Beta-Titanlegierung

Es ist eine zweiphasige Legierung mit guten umfassenden Eigenschaften, guter struktureller Stabilität, guter Zähigkeit, Plastizität und Verformungseigenschaften bei hohen Temperaturen. Es kann unter heißem Druck verarbeitet und durch Abschrecken und Altern verstärkt werden. Nach der Wärmebehandlung steigt die Festigkeit im Vergleich zum Glühzustand um 50%-100%, und die Hochtemperaturfestigkeit kann bei einer Temperatur von 400 bis 500 lange arbeiten, und ihre thermische Stabilität ist der der Alpha-Titanlegierung unterlegen.

Unter den drei Arten von Titanlegierungen werden am häufigsten Alpha-Titan-Legierungen und Alpha + Beta-Titan-Legierungen verwendet; Die Alpha-Titan-Legierung weist die beste Bearbeitbarkeit auf, gefolgt von der Alpha + Beta-Titan-Legierung und der Beta-Titan-Legierung. Alpha-Titanlegierungscode TA, Beta-Titanlegierungscode TB, Alpha + Beta-Titanlegierungscode TC.

Anwendung einer Titanlegierung

Titanlegierungen können in hitzebeständige Legierungen, hochfeste Legierungen, korrosionsbeständige Legierungen (Ti-Mo, Ti-Pd-Legierungen usw.), Niedertemperaturlegierungen und spezielle funktionelle Legierungen (Ti-Fe-Wasserstoffspeichermaterialien und Ti-Ni-Speicher) unterteilt werden Legierungen). Die Zusammensetzung und Eigenschaften typischer Legierungen sind in der Tabelle gezeigt.

Durch Einstellen des Wärmebehandlungsprozesses kann eine unterschiedliche Phasenzusammensetzung und -struktur erhalten werden. Es wird allgemein angenommen, dass eine feine gleichachsige Struktur eine bessere Plastizität, thermische Stabilität und Ermüdungsfestigkeit aufweist; Die nadelförmige Struktur weist eine höhere Dauerfestigkeit, Kriechfestigkeit und Bruchzähigkeit auf. Die gleichachsige und nadelförmige Mischstruktur weist umfassendere Eigenschaften auf.

Titanlegierungen haben eine hohe Festigkeit, geringe Dichte, gute mechanische Eigenschaften, gute Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus weist die Titanlegierung eine schlechte technologische Leistung und ein schwieriges Schneiden auf. Beim Warmumformen lassen sich Verunreinigungen wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff leicht aufnehmen. Es gibt auch eine schlechte Verschleißfestigkeit und einen komplexen Produktionsprozess. Die industrialisierte Titanproduktion begann 1948. Mit der Entwicklung der Luftfahrtindustrie wächst die Titanindustrie mit einer durchschnittlichen Rate von 81 TP1T pro Jahr. Gegenwärtig hat die jährliche Produktion von Titanlegierungsverarbeitungsmaterialien in der Welt mehr als 40.000 Tonnen erreicht, und es gibt fast 30 Arten von Titanlegierungsqualitäten. Die am häufigsten verwendeten Titanlegierungen sind Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) und industrielles reines Titan (TA1, TA2 und TA3).

Titanlegierung wird hauptsächlich zur Herstellung von Kompressorteilen von Flugzeugtriebwerken verwendet, gefolgt von Raketen-, Raketen- und Hochgeschwindigkeitsflugzeugen. Mitte der 1960er Jahre wurden Titan und seine Legierungen in der allgemeinen Industrie zur Herstellung von Elektroden in der Elektrolyseindustrie, Kondensatoren in Kraftwerken, Heizgeräten für die Erdölraffinierung und Meerwasserentsalzung sowie Geräten zur Kontrolle der Umweltverschmutzung verwendet. Titan und seine Legierungen sind zu einer Art korrosionsbeständigem Strukturmaterial geworden. Darüber hinaus werden damit auch Wasserstoffspeichermaterialien und Formgedächtnislegierungen hergestellt.

Titan und Titanlegierungen wurden 1956 in China untersucht, und Mitte der 1960er Jahre wurde die industrialisierte Produktion von Titanmaterialien und TB2-Legierungen entwickelt.

Titanlegierung ist ein neues wichtiges Strukturmaterial, das in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird. Sein spezifisches Gewicht, seine Festigkeit und seine Betriebstemperatur liegen zwischen denen von Aluminium und Stahl, aber es hat eine hohe spezifische Festigkeit und eine ausgezeichnete Meerwasser-Korrosionsbeständigkeit und eine Leistung bei extrem niedrigen Temperaturen. 1950 verwendeten die USA erstmals F-84-Jagdbomber als nichttragende Bauteile wie Rumpf-Heckwärmedämmplatte, Luftleithaube und Leitwerkshaube. Seit den 1960er Jahren hat sich die Verwendung von Titanlegierungen vom hinteren Rumpf zum mittleren Rumpf verlagert und teilweise Baustahl ersetzt, um wichtige lasttragende Komponenten wie Trennwände, Träger, Klappen und Schlitten herzustellen. Die Menge an Titanlegierungen, die in Militärflugzeugen verwendet wird, nimmt schnell zu und erreicht 20%-25% des Gewichts der Flugzeugstruktur. Titanlegierungen werden seit den 1970er Jahren in großem Umfang in zivilen Flugzeugen verwendet. Beispielsweise beträgt die Menge an Titan, die in Boeing 747-Passagierflugzeugen verwendet wird, mehr als 3640 kg. Titan für Flugzeuge mit einer Machzahl von weniger als 2,5 wird hauptsächlich als Ersatz für Stahl verwendet, um das Strukturgewicht zu reduzieren. Zum Beispiel entfielen 931 TP2T des Strukturgewichts des Hochgeschwindigkeits-Aufklärungsflugzeugs der Vereinigten Staaten SR-71 (fliegende Mach-Zahl von 3, Flughöhe von 26.212 Metern) auf Titan, das als „Volltitan“ -Flugzeug bekannt ist. Wenn das Schub-Gewichts-Verhältnis des Flugzeugtriebwerks von 4 auf 6 auf 8 auf 10 ansteigt und die Auslasstemperatur des Kompressors von 200 auf 300 Grad C auf 500 auf 600 Grad C steigt, werden die ursprüngliche Niederdruckkompressorscheibe und -schaufel aus Aluminium muss durch eine Titanlegierung ersetzt werden, oder die Hochdruckverdichterscheibe und -schaufel aus einer Titanlegierung anstelle von Edelstahl, um das Strukturgewicht zu reduzieren. In den 1970er Jahren machte die Menge an Titanlegierung, die in Flugzeugtriebwerken verwendet wurde, im Allgemeinen 20%-30% des Gesamtgewichts der Struktur aus. Es wurde hauptsächlich zur Herstellung von Kompressorkomponenten wie geschmiedeten Titanlüftern, Kompressorscheiben und -schaufeln, gegossenem Titankompressorgehäuse, Zwischengehäuse, Lagergehäuse usw. verwendet. Raumfahrzeuge nutzen hauptsächlich die hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Niedertemperaturbeständigkeit von Titanlegierungen zur Herstellung verschiedener Druckbehälter, Kraftstofftanks, Befestigungselemente, Instrumentengurte, Rahmen und Raketenhüllen. Plattenschweißteile aus Titanlegierungen werden auch in künstlichen Erdsatelliten, Mondmodulen, bemannten Raumfahrzeugen und Raumfähren verwendet.