Estructura y clasificación de aleaciones de titanio

Conocimientos básicos de titanio.

El titanio es un metal estructural importante desarrollado en la década de 1950. Las aleaciones de titanio se usan ampliamente en diversos campos debido a su alta resistencia específica, buena resistencia a la corrosión y alta resistencia al calor. Muchos países del mundo han reconocido la importancia de los materiales de aleación de titanio, y los han estudiado y desarrollado sucesivamente, y han obtenido una aplicación práctica. El titanio es el cuarto elemento B en la tabla periódica. Parece acero y tiene un punto de fusión de 1 672 C. Es un metal refractario. El titanio es abundante en la corteza, mucho más alto que los metales comunes como Cu, Zn, Sn y Pb. Los recursos de titanio en China son extremadamente abundantes. Solo en la supergrande magnetita de vanadio-titanio descubierta en el área de Panzhihua, provincia de Sichuan, las reservas de titanio asociadas ascienden a alrededor de 420 millones de toneladas, lo que está cerca del total de reservas de titanio probadas en el extranjero. Las aleaciones de titanio se pueden dividir en aleaciones resistentes al calor, aleaciones de alta resistencia, aleaciones resistentes a la corrosión (aleaciones de Ti-Mo, Ti-Pd, etc.), aleaciones de baja temperatura y aleaciones funcionales especiales (materiales de almacenamiento de hidrógeno de Ti-Fe y memoria de Ti-Ni aleaciones).

Elementos de aleación de titanio

Las aleaciones de titanio son aleaciones basadas en titanio y agregadas con otros elementos. El titanio tiene dos tipos de cristales heterogéneos homogéneos: titanio alfa con estructura hexagonal densa por debajo de 882 C y titanio beta con estructura cúbica centrada en el cuerpo por encima de 882 C. Los elementos de aleación se pueden dividir en tres categorías según su influencia en la temperatura de transformación de fase: 1. Los elementos que estabilizan la fase alfa y aumentan la temperatura de transformación de fase son elementos estables alfa, que incluyen aluminio, carbono, oxígeno y nitrógeno. Entre ellos, el aluminio es el principal elemento de aleación de la aleación de titanio. Tiene un efecto obvio en mejorar la resistencia a temperatura ambiente y alta temperatura, reduciendo la gravedad específica y aumentando el módulo elástico de la aleación. (2) La fase beta estable y la temperatura de transición de fase decreciente son elementos beta estables, que se pueden dividir en dos tipos: isomórficos y eutectoides. El primero incluye molibdeno, niobio y vanadio, mientras que el segundo incluye cromo, manganeso, cobre, hierro y silicio. (3) Los elementos neutros, como el circonio y el estaño, tienen poco efecto sobre la temperatura de transición de fase.

El oxígeno, el nitrógeno, el carbono y el hidrógeno son las principales impurezas en las aleaciones de titanio. El oxígeno y el nitrógeno tienen una mayor solubilidad en la fase alfa, lo que tiene un efecto de fortalecimiento significativo en la aleación de titanio, pero reduce su plasticidad. Los contenidos de oxígeno y nitrógeno en titanio generalmente se estipulan por debajo de 0.15-0.2% y 0.04-0.05% respectivamente. La solubilidad del hidrógeno en la fase alfa es muy pequeña. El hidrógeno excesivo disuelto en la aleación de titanio producirá hidruro, lo que hace que la aleación sea frágil. Por lo general, el contenido de hidrógeno en las aleaciones de titanio se controla por debajo de 0.015%. La disolución de hidrógeno en titanio es reversible.

clasificación

El titanio es un isómero con un punto de fusión de 1720 (?) C y una estructura reticular hexagonal densa a temperaturas inferiores a 882 (?), Que se llama alfa titanio, y una estructura reticular cúbica centrada en el cuerpo a temperaturas superiores a 882 (?) C , que se llama beta titanio. Se pueden obtener aleaciones de titanio con diferentes microestructuras agregando elementos de aleación apropiados para cambiar gradualmente la temperatura de transformación de fase y el contenido de fase. Las aleaciones de titanio tienen tres tipos de estructuras matriciales a temperatura ambiente. Las aleaciones de titanio también se pueden dividir en tres categorías: aleaciones alfa, aleaciones (alfa + beta) y aleaciones beta. China está representada por TA, TC y TB respectivamente.

Aleación de titanio alfa

Es una aleación monofásica que consiste en una solución sólida de fase alfa. Es de fase alfa tanto a temperatura general como a una temperatura de aplicación práctica más alta. Tiene una estructura estable, mayor resistencia al desgaste y una fuerte resistencia a la oxidación que el titanio puro. Su resistencia y resistencia a la fluencia se mantienen a temperaturas de 500 600 C, pero no puede fortalecerse mediante tratamiento térmico, y su resistencia a temperatura ambiente no es alta.

Aleación de titanio beta

Es una aleación monofásica compuesta de una solución sólida de fase beta. Tiene alta resistencia sin tratamiento térmico. Después del enfriamiento rápido y el envejecimiento, la aleación se fortalece aún más, y su resistencia a la temperatura ambiente puede alcanzar 1372-1666 MPa. Sin embargo, su estabilidad térmica es pobre y no es adecuada para su uso a altas temperaturas.

Aleación de titanio alfa + beta

Es una aleación de doble fase con buenas propiedades integrales, buena estabilidad estructural, buena tenacidad, plasticidad y propiedades de deformación a alta temperatura. Puede procesarse bajo presión caliente y fortalecerse mediante enfriamiento y envejecimiento. Después del tratamiento térmico, la resistencia aumenta en 50%-100% en comparación con el estado de recocido, y la resistencia a altas temperaturas puede funcionar durante mucho tiempo a la temperatura de 400 500 y su estabilidad térmica es inferior a la de la aleación de alfa titanio.

Entre los tres tipos de aleaciones de titanio, la aleación de alfa-titanio y la aleación de alfa + beta-titanio son las más utilizadas; La aleación de alfa-titanio tiene la mejor maquinabilidad, seguida por la aleación de alfa + beta-titanio y la aleación de beta-titanio. Código de aleación de titanio alfa TA, código de aleación de titanio beta TB, código de aleación de titanio alfa + beta TC.

Aplicación de aleación de titanio

Las aleaciones de titanio se pueden dividir en aleaciones resistentes al calor, aleaciones de alta resistencia, aleaciones resistentes a la corrosión (aleaciones de Ti-Mo, Ti-Pd, etc.), aleaciones de baja temperatura y aleaciones funcionales especiales (materiales de almacenamiento de hidrógeno de Ti-Fe y memoria de Ti-Ni aleaciones). La composición y las propiedades de las aleaciones típicas se muestran en la tabla.

Se pueden obtener diferentes composiciones y estructuras de fase ajustando el proceso de tratamiento térmico. En general, se cree que la estructura finamente equiaxial tiene mejor plasticidad, estabilidad térmica y resistencia a la fatiga; la estructura acicular tiene mayor resistencia, resistencia a la fluencia y tenacidad a la fractura; estructura mixta equiaxial y acicular tiene mejores propiedades integrales.

Las aleaciones de titanio tienen alta resistencia, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, buena tenacidad y resistencia a la corrosión. Además, la aleación de titanio tiene un bajo rendimiento tecnológico y un corte difícil. Es fácil absorber impurezas como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y carbono en el trabajo en caliente. También hay poca resistencia al desgaste y procesos de producción complejos. La producción industrializada de titanio comenzó en 1948. Con el desarrollo de la industria de la aviación, la industria del titanio está creciendo a una tasa promedio de 8% por año. En la actualidad, la producción anual de materiales de procesamiento de aleaciones de titanio en el mundo ha alcanzado más de 40,000 toneladas, y existen casi 30 tipos de calidades de aleaciones de titanio. Las aleaciones de titanio más utilizadas son Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) y titanio puro industrial (TA1, TA 2 y TA3).

La aleación de titanio se utiliza principalmente para fabricar piezas del compresor del motor de la aeronave, seguido de cohetes, misiles y aeronaves de alta velocidad. A mediados de la década de 1960, el titanio y sus aleaciones se han utilizado en la industria general para fabricar electrodos en la industria de la electrólisis, condensadores en plantas de energía, calentadores para refinación de petróleo y desalinización de agua de mar, y dispositivos de control de la contaminación ambiental. El titanio y sus aleaciones se han convertido en un tipo de material estructural resistente a la corrosión. Además, también se utiliza para producir materiales de almacenamiento de hidrógeno y aleaciones con memoria de forma.

El titanio y las aleaciones de titanio se estudiaron en 1956 en China, y la producción industrializada de materiales de titanio y aleaciones TB2 se desarrolló a mediados de la década de 1960.

La aleación de titanio es un nuevo material estructural importante utilizado en la industria aeroespacial. Su gravedad específica, resistencia y temperatura de servicio se encuentran entre el aluminio y el acero, pero tiene una alta resistencia específica y una excelente resistencia a la corrosión del agua de mar y un rendimiento a temperaturas ultrabajas. En 1950, EE. UU. utilizó por primera vez un cazabombardero F-84 como componentes que no soportan carga, como la placa de aislamiento térmico del fuselaje trasero, el capó de guía de aire y el capó trasero. Desde la década de 1960, el uso de aleaciones de titanio se ha desplazado del fuselaje trasero al fuselaje medio, reemplazando parcialmente el acero estructural para fabricar importantes componentes de soporte de carga, como tabiques, vigas, flaps y toboganes. La cantidad de aleación de titanio utilizada en aviones militares aumenta rápidamente, alcanzando 20%-25% del peso de la estructura del avión. Las aleaciones de titanio se han utilizado ampliamente en aviones civiles desde la década de 1970. Por ejemplo, la cantidad de titanio utilizada en los aviones de pasajeros Boeing 747 supera los 3640 kg. El titanio para aeronaves con un número de Mach inferior a 2,5 se utiliza principalmente para reemplazar el acero con el fin de reducir el peso estructural. Por ejemplo, el avión de reconocimiento de alta velocidad y gran altitud SR-71 de los Estados Unidos (número Mach de vuelo de 3, altitud de vuelo de 26 212 metros), el titanio representó el 93% del peso estructural del avión, conocido como avión "totalmente de titanio". Cuando la relación empuje-peso del motor aeronáutico aumenta de 4 a 6 a 8 a 10 y la temperatura de salida del compresor aumenta de 200 a 300 grados C a 500 a 600 grados C, el disco y el álabe originales del compresor de baja presión están hechos de el aluminio debe ser reemplazado por una aleación de titanio, o el disco y el álabe del compresor de alta presión deben estar hechos de una aleación de titanio en lugar de acero inoxidable, para reducir el peso estructural. En la década de 1970, la cantidad de aleación de titanio utilizada en los motores aeronáuticos generalmente representaba 20%-30% del peso total de la estructura. Se utilizó principalmente para fabricar componentes de compresores, como ventiladores de titanio forjado, discos y álabes de compresores, carcasas de compresores de titanio fundido, carcasas intermedias, carcasas de cojinetes, etc. Las naves espaciales utilizan principalmente la alta resistencia específica, la resistencia a la corrosión y la resistencia a bajas temperaturas de la aleación de titanio. para fabricar varios recipientes a presión, tanques de combustible, sujetadores, correas de instrumentos, armazones y proyectiles de cohetes. Las soldaduras de placas de aleación de titanio también se utilizan en satélites terrestres artificiales, módulos lunares, naves espaciales tripuladas y transbordadores espaciales.