Chất ổn định β-đồng hình: Chất tạo độ dẻo và độ cứng sâu
Các chất ổn định β-đồng hình có chung cấu trúc tinh thể BCC của titan và thể hiện khả năng hòa tan rắn hoàn toàn trong pha β-. Các nguyên tố-Mo, V, Nb, Ta, W-này tạo thành xương sống của hợp kim titan α+β và β-.
3.1 Vanadi: Đối tác Ti-6Al-4V
V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50% lượng tiêu thụ titan toàn cầu. Việc bổ sung V 4 wt% làm giảm quá trình truyền β- đủ để kích hoạt hai-cấu trúc vi pha với khoảng 10–50% β-pha ở nhiệt độ phòng .
V cung cấp một số chức năng quan trọng:
Khả năng lưu giữ β: Cho phép kiểm soát vi cấu trúc thông qua xử lý nhiệt
Độ bền mà không bị giòn: Không giống như các chất tăng cường xen kẽ, V duy trì độ dẻo đồng thời góp phần tăng cường độ cứng của dung dịch rắn
Khả năng chế tạo: Cấu trúc vi mô hai pha mang lại sự cân bằng tối ưu giữa khả năng gia công nóng và các tính chất cơ học cuối cùng
3.2 Molypden: Chất ổn định β-mạnh nhất
Mo có hiệu quả xấp xỉ gấp đôi V trong việc ổn định pha β-, được định lượng thông qua khái niệm tương đương molypden ([Mo]eq). Mỗi 1 wt% Mo cung cấp công suất ổn định β-tương đương với khoảng 2 wt% V .
Kiểm soát pha: Trong các hợp kim như Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si (được sử dụng cho các ốc vít hàng không vũ trụ có độ bền cao), Mo cho phép duy trì β hoàn toàn khi tôi nguội, sau đó là kết tủa α được kiểm soát trong quá trình lão hóa .
Khả năng chống ăn mòn: Bổ sung Mo tăng cường tính thụ động trong môi trường axit khử. Hợp kim Ti-Mo tạo thành màng thụ động chứa MoO₃ trộn với TiO₂, mang lại độ ổn định vượt trội trong dung dịch HCl so với titan không hợp kim .
Những tiến bộ gần đây: Zhang et al. đã chứng minh rằng hợp kim chứa Mo{1}}có lượng N bổ sung được kiểm soát đạt được các đặc tính đặc biệt thông qua cấu trúc lamella không đồng nhất. Hợp kim Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N của họ đạt cường độ chảy 1532 MPa với độ giãn dài đồng đều 10,2% - định vị nó trong số các kết hợp tốt nhất được báo cáo cho hợp kim titan.
3.3 Niobium và Tantalum: Chất ổn định tương thích sinh học
Nb và Ta đã trở nên nổi bật trong các ứng dụng y sinh trong đó-khả năng tương thích sinh học lâu dài là điều cần thiết. Không giống như V, gây lo ngại về độc tế bào, Nb và Ta trơ về mặt sinh lý.
Thiết kế mô đun thấp: Việc bổ sung Nb cho phép hợp kim titan β-có mô đun đàn hồi dưới 50 GPa-gần bằng 10–30 GPa của xương và thấp hơn nhiều so với 110 GPa của Ti-6Al-4V. Hợp kim Ti-35Nb-7Zr-5Ta minh họa cho phương pháp này, kết hợp Nb với Zr và Ta để giảm sự che chắn căng thẳng trong bộ cấy ghép chỉnh hình .
Tăng cường màng thụ động: Các oxit Nb và Ta kết hợp với màng thụ động bề mặt, tăng độ ổn định và khả năng chống ăn mòn. Trong môi trường chứa clorua-, màng thụ động được biến đổi Nb-cho thấy mật độ khuyết điểm giảm và khả năng chống phân hủy cục bộ được nâng cao.
3.4 Vonfram: Khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ-cao
Các nghiên cứu có hệ thống gần đây của Gautier et al. đã kiểm tra việc bổ sung W, Ta và Hf cho các ứng dụng có nhiệt độ-cao. Sau 5000 giờ tiếp xúc ở nhiệt độ 650°C trong không khí, W đã chứng tỏ động học oxy hóa giảm rõ rệt nhất.
Cơ chế: W thúc đẩy sự hình thành Ti₂N ở bề mặt tiếp xúc oxit/kim loại, tạo ra lớp giàu nitơ-làm giảm sự hòa tan oxy vào khối hợp kim. Hợp kim ba ngôi Ti-10Al-2W (at%) vượt trội hơn hợp kim nhiệt độ cao thương mại Ti6242S về khả năng chống oxy hóa.
Đánh đổi-thỏa thuận: W dày đặc (19,3 g/cm³) và việc bổ sung quá nhiều sẽ làm mất đi lợi thế về mật độ của titan. Thách thức nằm ở việc xác định nồng độ tối thiểu (thường là<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.
Eutectoid β-Bộ ổn định: Chi phí-Tăng cường hiệu quả
Các nguyên tố hình thành eutectoid--Fe, Cr, Ni, Cu, Si-cũng làm suy giảm quá trình chuyển đổi β-nhưng khác với các chất ổn định đẳng hình ở khả năng tạo thành các hợp chất liên kim thông qua quá trình phân hủy eutectoid.
4.1 Sắt: Ổn định-chi phí thấp
Fe là chất ổn định β{0}}mạnh và rẻ tiền. Tốc độ khuếch tán nhanh của nó cho phép phản ứng nhanh với xử lý nhiệt, nhưng cũng thúc đẩy sự phân tách trong quá trình hóa rắn. Hợp kim chứa Fe-yêu cầu xử lý cẩn thận để tránh các vùng cục bộ β{4}}lốm đốm{5}}của chất ổn định β-được làm giàu tạo ra các đặc tính cơ học không-đồng nhất.
4.2 Silicon: Khả năng chống rão ở nhiệt độ cao{1}}
Việc bổ sung Si từ 0,1–0,5% trọng lượng là tiêu chuẩn trong các hợp kim có nhiệt độ gần -α cao-(ví dụ: Ti-6242S, IMI 834). Si mang lại hai lợi ích:
Tăng cường dung dịch rắn: Si trong dung dịch cản trở sự leo thang trật khớp ở nhiệt độ cao
Kết tủa silic: Hạt mịn (Ti,Zr)₅Si₃ kết tủa các ranh giới hạt chốt và các ranh giới phụ{0}}, làm chậm sự biến dạng của rão
Công việc gần đây của Gautier et al. xác nhận rằng Si, kết hợp với các nguyên tố chịu lửa, mang lại những cải tiến tổng hợp về cả khả năng chống rão và chống oxy hóa ở 600–650°C.
Các yếu tố trung tính: Bộ tinh chế cấu trúc vi mô
Zr, Hf và Sn có ảnh hưởng tối thiểu đến nhiệt độ truyền β-nhưng mang lại khả năng tăng cường dung dịch rắn đáng kể ở cả hai pha α và β.
5.1 Zirconium: Đối tác hòa tan hoàn chỉnh
Zr hoàn toàn có thể trộn lẫn với Ti ở cả hai pha α và β-một đặc điểm độc đáo phát sinh từ vị trí của chúng trong Nhóm IVB của bảng tuần hoàn. Khả năng hòa tan hoàn toàn này cho phép:
Tăng cường mà không mất ổn định pha: Việc bổ sung Zr tăng cường độ bền thông qua cơ chế dung dịch rắn mà không làm thay đổi cân bằng pha, đơn giản hóa thiết kế hợp kim.
Tăng cường khả năng chống ăn mòn: Trong môi trường biển, hợp kim chứa Zr{0}} tạo thành màng thụ động ổn định hơn. ZrO₂ kết hợp với lớp TiO₂, làm giảm nồng độ chỗ trống oxy và tăng cường khả năng chống lại sự tấn công của clorua.
Những phát hiện gần đây: Các nghiên cứu về hợp kim Ti575 (Ti-5Al-7.5V-0.5Si) so sánh việc bổ sung Mo và Zr cho thấy rằng mặc dù Zr cung cấp ít khả năng tinh chế α hơn Mo, nhưng nó thúc đẩy quá trình kết tủa silic bằng cách giảm các rào cản tạo mầm .
5.2 Thiếc
Sn giúp tăng cường dung dịch rắn mà không làm thay đổi đáng kể độ ổn định pha. Trong các hợp kim có nhiệt độ-cao (Ti-6242, Ti-1100), Sn góp phần tạo ra khả năng chống rão thông qua các hiệu ứng của dung dịch rắn và bằng cách điều chỉnh hành vi kết tủa silicide.
Tiếp tục...
