1. Αντοχή στην κόπωση των κραμάτων τιτανίου
Βασικά Χαρακτηριστικά της Αντοχής Κόπωσης από Κράμα Τιτανίου
Για το ανοπτημένο Ti-6Al-4V (το πιο πανταχού παρόν κράμα τιτανίου), η αντοχή κόπωσης σε θερμοκρασία δωματίου (σε 107 κύκλους, R=-1, όπου R είναι ο λόγος τάσης της ελάχιστης προς τη μέγιστη τάση) κυμαίνεται από300–400 MPa, με ορισμένες θερμικές-επεξεργασμένες παραλλαγές που φτάνουν τα 450–500 MPa. Αυτό είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό του ανοξείδωτου χάλυβα 304 (≈170 MPa) και του αλουμινίου 6061-T6 (≈90 MPa) υπό τις ίδιες συνθήκες δοκιμής, καθιστώντας το Ti-6Al-4V ιδανικό για εφαρμογές υψηλού κύκλου κόπωσης (HCF).
Για κράματα τιτανίου υψηλής-αντοχής (π.χ. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-2.5Sn), η αντοχή σε κόπωση μπορεί να ξεπεράσει τα 500 MPa σε κατάσταση επεξεργασίας με διάλυμα και παλαίωσης (STA), καθώς οι λεπτές κατακρημνισθείσες φάσεις στην μετατόπιση της μικροδομής και της σχάρας παρεμποδίζονται.
Κράματα διπλής- φάσης ( + ) (π.χ. Ti-6Al-4V): Η ισορροπημένη / μικροδομή τους παρέχει βέλτιστη αντοχή στην κόπωση. Η -φάση συμβάλλει στην αντοχή και στην αντίσταση διάδοσης ρωγμών, ενώ η -φάση ενισχύει την ολκιμότητα και αναστέλλει την έναρξη της ρωγμής. Ωστόσο, η υπερβολική-γήρανση ή η υπερβολική ψυχρή εργασία μπορεί να τραχύνει -σωματίδια φάσης ή να προκαλέσει υπολειπόμενες τάσεις, μειώνοντας την αντοχή σε κόπωση κατά 10-20%.
κράματα (π.χ. Ti-5Al-2.5Sn): Αυτά τα κράματα έχουν εξαιρετική απόδοση χαμηλής-κόπωσης κύκλου (LCF) λόγω της σταθερής μικροδομής HCP -φάσης τους, με διάρκεια ζωής LCF (σε Δσ/2=500 MPa) που υπερβαίνει τους 104 κύκλους. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε εξαρτήματα αεροδιαστημικής-χαμηλών θερμοκρασιών.
κράματα (π.χ. Ti-10V-2Fe-3Al): Με μια πλήρως -φασική δομή BCC, αυτά τα κράματα προσφέρουν υψηλή αντοχή στην ανάπτυξη ρωγμών στην κόπωση (da/dN ≈ 10-8 m/κύκλο σε ΔK=20 MPa·m¹/²) και είναι κατάλληλα για εξαρτήματα υπό δυναμικές συνθήκες υψηλού{{3} φορτίου (π.χ. άξονας ρότορα ελικοπτέρου).
Κόπωση από διαβρωτικό περιβάλλον (CAF): Σε θαλασσινό νερό ή σε μέσα που περιέχουν-χλώριο, τα κράματα τιτανίου διατηρούν πολύ καλύτερη απόδοση κόπωσης από το χάλυβα ή το αλουμίνιο, καθώς το παθητικό φιλμ οξειδίου τους αποτρέπει την έναρξη ρωγμών που προκαλείται από διάβρωση-. Η αντοχή σε κόπωση του Ti-6Al-4V στο θαλασσινό νερό μειώνεται μόνο κατά 5–10% (σε ≈350 MPa σε 107 κύκλους), ενώ ο ανοξείδωτος χάλυβας 304 παρουσιάζει πτώση 50% λόγω διάβρωσης με κοιλότητες.
Ευαισθησία κατάστασης επιφάνειας: Τα επιφανειακά ελαττώματα (π.χ. σημάδια μηχανικής κατεργασίας, μικρορωγμές) και η μόλυνση από υδρογόνο είναι κύρια αιτία αστοχίας κόπωσης. Το ξεφλούδισμα ή η ανοδίωση μπορεί να βελτιώσει την αντοχή στην κόπωση κατά 20-30% εισάγοντας υπολειμματικές πιέσεις και ενισχύοντας την παθητικοποίηση της επιφάνειας. Αντίθετα, η ευθραυστότητα του υδρογόνου μπορεί να μειώσει τη διάρκεια ζωής της κόπωσης έως και 50% προάγοντας την ανάπτυξη διακοκκώδους ρωγμής σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Σε κρυογονικές θερμοκρασίες (π.χ. -196 μοίρες), η αντοχή κόπωσης του Ti-6Al-4V αυξάνεται σε450–500 MPaλόγω ενισχυμένου ατομικού δεσμού και μειωμένης κινητικότητας εξάρθρωσης, χωρίς όλκιμο-σε-μετάβαση στη συμπεριφορά κόπωσης.
Σε υψηλές θερμοκρασίες (έως 300 βαθμούς), η αντοχή του σε κόπωση παραμένει πάνω από 250 MPa (107 κύκλοι), αλλά πάνω από 400 μοίρες, η οξείδωση και το μαλάκωμα των ορίων των κόκκων προκαλούν ταχεία πτώση (χάνοντας 30–40% της αντοχής σε θερμοκρασία δωματίου- στους 50 βαθμούς κόπωσης).
2. Ιδιότητες ερπυσμού των κραμάτων τιτανίου
Βασικά χαρακτηριστικά της απόδοσης ερπυσμού από κράμα τιτανίου
+ κράματα (π.χ. Ti-6Al-4V): Η μέγιστη-θερμοκρασία μακροχρόνιας υπηρεσίας ερπυσμού τους είναι300–350 μοίρες. Σε τάση 300 μοιρών και 200 MPa, ο σταθερός-ρυθμός ερπυσμού είναι μικρότερος ή ίσος με 10-8 s-1 και η υποπαραμόρφωση ερπυσμού είναι μικρότερη από 0,1% μετά από 10.000 ώρες έκθεσης-επαρκής για τη δομή του κινητήρα των αεροσκαφών και των εξαρτημάτων του αεροσκάφους. Πάνω από τις 400 μοίρες, ο ρυθμός ερπυσμού επιταχύνεται απότομα (υπερβαίνοντας τα 10-6 s-1 σε 450 μοίρες /200 MPa) λόγω -χονδροποίησης φάσης και ολίσθησης των ορίων των κόκκων.
κράματα (π.χ. Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo): Αυτά τα κράματα έχουν την υψηλότερη αντίσταση ερπυσμού μεταξύ των κραμάτων τιτανίου, με μακροχρόνια-θερμοκρασία λειτουργίας400–500 μοίρες. Για παράδειγμα, το Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo σε 450 μοίρες και 250 MPa έχει ρυθμό ερπυσμού σε σταθερή κατάσταση μικρότερο ή ίσο με 5×10-⁹ s-1 και διάρκεια ζωής σε ρήξη που υπερβαίνει τις 100.000 ώρες λειτουργίας του κινητήρα.
κράματα: Η αντίσταση ερπυσμού τους είναι χαμηλότερη από και + κράματα, με μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 300–350 μοίρες , καθώς η φάση BCC -έχει υψηλότερη ατομική κινητικότητα και είναι επιρρεπής σε παραμόρφωση ερπυσμού υπό μακροπρόθεσμη καταπόνηση.
σε χαμηλές θερμοκρασίες (<400°C) and high stresses, creep is dominated by εξάρθρωση αναρρίχηση και ολίσθησηστη -φάση, με τη -φάση να λειτουργεί ως φραγμός στην κίνηση της εξάρθρωσης (ενισχύοντας την αντίσταση ερπυσμού σε κράματα διπλής-φάσης).
At high temperatures (>450 μοίρες),ολίσθηση ορίου κόκκου και ερπυσμός διάχυσηςγίνει κυρίαρχη. κράματα με λεπτούς, ομοιόμορφα κατανεμημένους κόκκους και ενισχυμένα με στερεά στοιχεία-διάλυμα-(Al, Sn, Zr) αντιστέκονται αποτελεσματικά στην ολίσθηση των ορίων κόκκων, εξ ου και η ανώτερη απόδοση ερπυσμού σε υψηλές-θερμοκρασίες.
Η θερμική επεξεργασία διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο: Η επεξεργασία διαλύματος που ακολουθείται από γήρανση (STA) για + κράματα καθιζάνει λεπτά σωματίδια -φάσης στη μήτρα -, τα οποία καρφιτσώνουν τις εξαρθρώσεις και μειώνουν τους ρυθμούς ερπυσμού κατά 50-70% σε σύγκριση με την κατάσταση ανόπτησης.
Σε οξειδωτικές ατμόσφαιρες, ο σχηματισμός μιας πυκνής παθητικής μεμβράνης TiO2-Al2O3 σε κράματα τιτανίου (ιδιαίτερα σε εκείνα με υψηλή περιεκτικότητα σε Al) αναστέλλει τη διάχυση οξυγόνου και μειώνει την ευθραυστότητα του ερπυσμού. Ωστόσο, σε θερμοκρασίες άνω των 550 βαθμών, το φιλμ οξειδίου γίνεται πορώδες, επιτρέποντας στο οξυγόνο να διεισδύσει στη μήτρα και να σχηματίσει μια εύθραυστη "άλφα θήκη", η οποία επιταχύνει το κάταγμα ερπυσμού.
Σε περιβάλλοντα που περιέχουν-υδρογόνο, η απορρόφηση υδρογόνου αυξάνει τον ρυθμό ερπυσμού προάγοντας την κινητικότητα της εξάρθρωσης και τη διακοκκώδη πυρόλυση, περιορίζοντας τη διάρκεια ζωής ερπυσμού των κραμάτων τιτανίου σε τέτοιες ατμόσφαιρες κατά 20-30%.
