1. Komerciniu požiūriu gryno (CP) 3 ir 4 titano laipsniai apibūdinami didėjančiu deguonies ir geležies kiekiu. Kaip šis tarpinio puslapio elementų turinys tiesiogiai paverčiamas jų mechaninėmis savybėmis ir koks yra pagrindinis našumo-atlyginimas tarp didesnio stiprumo ir pagaminamumo?
Komerciškai gryno (CP) titano mechanines savybes lemia ne legiravimas tradicine prasme, o intersticinių elementų -pirmiausia deguonies (O) ir, antra, geležies (Fe), koncentracija. Šie maži atomai telpa į erdves tarp didesnių titano atomų kristalinėje gardelėje, sukurdami gardelės deformaciją.
3 klasė (UNS R50500): Sudėtyje yra mažesnis deguonies ir geležies kiekis. Jis laikomas vidutinio stiprumo-CP titanu.
4 klasė (UNS R50700): turi didžiausią leistiną deguonies ir geležies kiekį tarp CP klasių, todėl jis yra stipriausias.
Tiesioginis vertimas į mechanines savybes:
Padidėjęs tarpinio puslapio turinys veikia kaip stiprus kietasis{0}}sprendimo stipriklis. Kai deguonies ir geležies lygis didėja nuo Gr3 iki Gr4:
Tempimo ir takumo stiprumo padidėjimas: gardelės įtempimas, kurį sukelia tarpsluoksniai, trukdo išnirimų (kristalinės struktūros defektų) judėjimui, todėl metalas sunkiau deformuojasi plastiškai. Tai lemia didesnį stiprumą.
Lankstumo ir atsparumo lūžiams sumažėjimas: tai yra esminis{0}}atlyginimas. Ta pati gardelės deformacija, kuri suteikia stiprumo, taip pat sumažina medžiagos gebėjimą plastiškai deformuotis prieš lūžimą. Todėl 4 klasė turi didesnį stiprumą, bet mažesnį lankstumą (pailgėjimą) ir atsparumą smūgiams, palyginti su 3 laipsniu.
Gamybos{0}}nuolaida:
Šis lankstumo sumažėjimas tiesiogiai veikia pagaminamumą:
3 klasė yra atlaidesnė šalto lenkimo, platinimo ir kitoms formavimo operacijoms. Didesnis plastiškumas leidžia atlaikyti didesnę deformaciją be įtrūkimų.
4 laipsnis, nors ir vis dar formuojamas, reikalauja kruopštesnio apdorojimo gamybos metu. Atliekant tokius procesus kaip šaltas lenkimas, gali prireikti didesnio lenkimo spindulio, o agresyviai apdirbant medžiagą kyla didesnė įtrūkimų rizika. Jai dažnai naudingi sudėtingų formų karštojo formavimo metodai.
Apibendrinant: rinkitės 3 klasę, jei reikia optimalaus formavimo ir tvirtumo; rinkitės 4 klasę, kai reikalingas didžiausias CP titano stiprumas ir gamybos procesas gali atitikti mažesnį jo lankstumą.
2. Jūros vandens aušinimo vamzdžių sistemai CP Titanium (Gr2/Gr3) dažnai pasirenkamas, o ne nerūdijantis plienas. Kokia yra pagrindinė elektrocheminė savybė, dėl kurios titanas iš esmės atsparus duobių ir plyšių korozijai chloriduose, net esant aukštesnei temperatūrai?
Pagrindinė titano savybė yra itin didelis atsparumas vietinei korozijai, kurį lemia jo pasyviosios plėvelės pobūdis.
Pasyvi plėvelė: Paveikęs orą arba drėgmę, titanas akimirksniu sudaro tankų, lipnų ir nuolatinį apsauginį titano dioksido (TiO₂) sluoksnį. Ši oksido plėvelė yra ypač stabili ir labai netirpi įvairiose aplinkose, įskaitant sūrymus, kuriuose gausu chloro{1}.
Skilimo potencialas (duomenų susidarymo potencialas): Elektrocheminiu požiūriu kiekvienas metalas tam tikroje aplinkoje turi būdingą "duobės potencialą" (E_pit). Taškinė korozija prasideda, kai naudojamas potencialas viršija šią vertę. Titano duobių susidarymo potencialas chlorido tirpaluose yra labai didelis, dažnai didesnis už vandens skilimo (deguonies išsiskyrimo) potencialą. Tai reiškia, kad daugumoje praktinių gazuoto jūros vandens naudojimo elektrocheminis potencialas niekada nepasiekia pakankamai aukšto lygio, kad suardytų TiO₂ plėvelę.
Atnaujinimas: net jei plėvelė yra mechaniškai pažeista (pvz., įbrėžus ar abrazyvinėmis dalelėmis), ji beveik akimirksniu atsinaujina, esant vandeniui ar orui, išgydydama plyšimą prieš atsirandant reikšmingai korozijai.
Šis elgesys smarkiai skiriasi nuo nerūdijančio plieno. Nors nerūdijantis plienas taip pat sudaro pasyvią plėvelę (Cr₂O3), jis yra jautrus chloro jonų suskaidymui esant daug mažesniam potencialui, todėl gali atsirasti duobių ir plyšių korozija, ypač šiltame, stovinčiame jūros vandenyje. Dėl nelaidžios titano oksido plėvelės ji tinkama naudoti jūros vandens tiekimui, šilumokaičiams ir atviroje jūroje, kur nerūdijantis plienas sugestų.
3. Ti-6Al-4V (5 laipsnio) vamzdynas skirtas aukšto-slėgio aerokosminėms sistemoms. Kokie yra dviejų -fazių mikrostruktūros komponentai (alfa ir beta) ir kaip ši mikrostruktūra užtikrina puikų stiprumo ir svorio santykį bei efektyvumą nuovargiui, palyginti su CP klasėmis?
5 klasė yra alfa-beta lydinys, o tai reiškia, kad jo mikrostruktūra kambario temperatūroje susideda iš dviejų fazių mišinio:
Alfa ( ) fazė: šešiakampė uždara{0}} (HCP) kristalų struktūra. Ši fazė yra stabili, užtikrina gerą atsparumą valkšnumui ir lemia lydinio pradinį stiprumą ir atsparumą korozijai.
Beta ( ) fazė: kūno{0}}centruota kubinė (BCC) kristalų struktūra. Ši fazė pagerina lankstumą, formuojamumą ir, svarbiausia, gebėjimą sustiprinti lydinį termiškai apdorojant.
Puikus stiprumo{0}}ir-svorio santykis:
Pridėjus 6% aliuminio (alfa stabilizatoriaus) ir 4% vanadžio (beta stabilizatoriaus), gaunamas daug stipresnis kietas tirpalas nei CP titano intersticinis sutvirtinimas.
Dar svarbiau, kad 5 laipsnis gali būti termiškai -apdorotas (apdorotas tirpalu ir sendintas). Šis procesas nusodina smulkias alfa fazės daleles beta fazės matricoje, sukurdamas didžiules vidines kliūtis dislokacijos judėjimui. Šis grūdinimas krituliais gali padidinti 5 laipsnio tempimo stiprumą iki daugiau nei 1000 MPa, palyginti su maksimaliu ~ 550 MPa 4 laipsnio CP titanu.
Šis reikšmingas stiprumo padidėjimas pasiekiamas tik minimaliai padidinus tankį. Gautas stiprumo-ir-svorio santykis yra didžiausias tarp trijų klasių, todėl jis idealiai tinka svarbesnėms-orlaivių hidraulinėms linijoms ir degalų sistemoms.
Padidėjęs nuovargio efektyvumas:
Nuovargio gedimas atsiranda dėl ciklinės apkrovos. Tinkamai termiškai apdoroto 5 laipsnio vamzdžio smulki, išsklaidyta dviejų fazių mikrostruktūra yra labai veiksminga:
Mikro{0}}įtrūkimų sustabdymas: alfa ir beta fazių sąsaja gali atstumti arba sustabdyti didėjantį nuovargio įtrūkimą.
Įtempių pasiskirstymas: stipresnės, trapesnės fazės (alfa) ir kietesnės, lankstesnės fazės (beta) mišinys sukuria sudėtinę{0}}struktūrą, kuri geriau atlaiko ciklinius įtempius.
CP titanas su savo vienos-fazės (visa alfa) mikrostruktūra turi gerą atsparumą nuovargiui, bet negali prilygti optimizuotai, smulkiagrūdžiai 5 laipsnio alfa-beta struktūrai, skirta reikliausioms didelio-ciklo nuovargio programoms.
4. Suvirinimas yra svarbus titano vamzdžių sujungimo procesas. Koks yra svarbiausias procedūrinis reikalavimas suvirinant visų rūšių titaną ir koks konkretus defektas atsiranda, jei šio reikalavimo nesilaikoma?
Vienintelis svarbiausias reikalavimas – naudoti itin griežtą ir didelio{0}}grynumo inertinių dujų apsauginę sistemą, siekiant apsaugoti išlydytą suvirinimo baseiną ir gretimą šilumos{1}}paveiktą zoną (HAZ) nuo atmosferos užteršimo.
Titanas turi labai didelį afinitetą deguoniui, azotui ir vandeniliui, ypač esant aukštesnei nei 500 laipsnių (930 laipsnių F) temperatūrai. Jei jis neapsaugotas, jis lengvai sugers šiuos elementus iš oro.
Specifinis defektas: trapumas
Šių intersticinių elementų absorbcija sukelia stiprų suvirinimo siūlės trapumą, pasireiškiantį:
Užteršimas deguonimi ir azotu: Šie elementai intersticiškai ištirpsta titano grotelėje, todėl smarkiai padidėja stiprumas ir katastrofiškai prarandamas lankstumas bei kietumas. Suvirinimo metalas ir pakitusi HAZ spalva (kuri atrodo mėlyna, violetinė arba balta) tampa kietas ir trapus.
Vandenilio užterštumas: Dėl vandenilio mikrostruktūroje gali susidaryti trapūs hidridai, toliau mažindami atsparumą lūžiams ir galinčius sukelti uždelstą įtrūkimą praėjus valandoms ar dienoms po suvirinimo.
Ekranavimo praktika:
Tam reikalingas daug griežtesnis ekranavimo protokolas nei nerūdijančio plieno atveju:
Pirminis ekranavimas: didelio{0}}grynumo argonas (arba helio/argono mišinys) iš suvirinimo degiklio.
Užpakalinis ekranavimas: Ilgas inertinių dujų srautas per karštą, kietėjančią suvirinimo siūlę, kol ji atvės žemiau ~400 laipsnių.
Nugaros valymas: Vamzdžio vidus turi būti išvalytas argonu, kad suvirinimo siūlės šaknis būtų apsaugota nuo oksidacijos. Vidinės atmosferos grynumas dažnai patikrinamas deguonies matuokliu prieš pradedant suvirinimą.
Suvirinimo siūlė, kurios spalvos pakitimas ne tik šviesios šiaudų spalvos, yra laikomas potencialiai užterštu ir gali būti atmestas, nes spalvos pasikeitimas rodo oksido susidarymą ir intersticinį paėmimą.
5. Chemijos perdirbimo pramonėje reikia nuspręsti tarp CP klasės 4 ir 5 klasės vamzdžių, skirtų karštai oksiduojančiai rūgštims tvarkyti. Kokia pagrindinė atsparumo korozijai savybė išskiria šias dvi savybes ir kodėl „silpnesnė“ CP klasė gali būti tinkamesnis pasirinkimas?
Pagrindinė skiriamoji savybė yra bendras atsparumas korozijai oksiduojančiose terpėse, o komerciškai grynas (CP) titanas dažnai lenkia 5 laipsnį šiose konkrečiose aplinkose.
Priežastis: Galvaninė korozija mikrostruktūroje
CP Titanium (1-4 klasė): turi vienfazę (alfa) mikrostruktūrą. Jis yra vienalytis, visi grūdai turi tą patį elektrocheminį potencialą. Šis homogeniškumas skatina vienodos, stabilios pasyvios TiO₂ plėvelės susidarymą.
5 laipsnis (Ti-6Al-4V): turi dviejų-fazių (alfa-beta) mikrostruktūrą. Alfa ir beta fazės turi šiek tiek skirtingą cheminę sudėtį ir todėl šiek tiek skiriasi elektrocheminis potencialas. Dėl to tam tikromis sąlygomis kyla mikrogalvaninės korozijos pavojus suvirinimo siūlėje HAZ arba netauriajame metale.
Stipriai oksiduojančioje rūgštyje (pvz., azoto rūgštyje, chromo rūgštyje) potencialas nukreipiamas į sritį, kurioje TiO₂ plėvelė yra stabili. Dėl to homogeniškas CP titanas užtikrina puikų, vienodą pasyvumą. Tačiau 5 klasėje mažiau{5}}tauri beta fazė gali būti selektyviai užpulta prie alfa-beta ribos, todėl gali atsirasti pirmenybinė korozija. 5 klasės aliuminis taip pat gali sumažinti atsparumą korozijai kai kuriuose šarmuose.
Kodėl „silpnesnis“ CP įvertinimas dažnai yra geresnis pasirinkimas:
Nors 5 klasė yra stipresnė, jo stiprumas ne visada yra pagrindinis stacionaraus vamzdžio reikalavimas. Cheminio proceso vamzdžiuose, kuriuose tvarkomos karštos, oksiduojančios rūgštys, svarbiausias rūpestis yra vienodas atsparumas korozijai ir ilgalaikis vientisumas. CP 4 klasė užtikrina pakankamą mechaninį atsparumą daugeliui vamzdynų ir pasižymi puikiu, labiau nuspėjamu ir patikimesniu atsparumu korozijai šiose specifinėse aplinkose dėl savo mikrostruktūros homogeniškumo.
Pasirinkimo gairės: naudojant ne-oksiduojančias arba redukuojančias rūgštis, abi gali veikti prastai. Tačiau oksiduojančioje aplinkoje CP 4 klasė paprastai yra atsparesnis korozijai-, taigi ir saugesnis pasirinkimas. 5 klasė skirta taikymui, kur būtinas aukšto stiprumo -svorio ir -svorio santykis bei atsparumas nuovargiui, pvz., aukšto-slėgio ar vibracinėse sistemose, jei patikrinamas jo atsparumas korozijai konkrečiame proceso sraute.
