Titánska zliatina TI-6AL-4V: Vlastnosti, Výhody, Žiadosti

1. Čo je titánová zliatina Ti-6Al-4V?

TI-6AL-4V je vysokovýkonný zliatina titánu obsahujúcich približne 6% hliník (Al), 4% vanadium (Vložka), a rovnováha titán (Z), so stopovým množstvom kyslíka, žehlička, a ďalšie prvky.

Klasifikované ako an zliatina α+β, kombinuje vlastnosti alfa aj beta fázy, v dôsledku Vynikajúci pomer pevnosti k hmotnosti, Vynikajúca odolnosť proti korózii, a vysoký výkon pri únave.

Tiež známy ako Známka 5 titán, 56 400 USD, alebo ASTM B348, Ti-6Al-4V je celosvetovo najpoužívanejšia zliatina titánu, takmer polovica celkových aplikácií titánu.

Jeho pevnosť v ťahu sa zvyčajne pohybuje od 900 do 1100 MPA, s hustotou 4.43 g/cm³, robiť to o 45% ľahší ako oceľ napriek tomu je schopný dosiahnuť porovnateľný alebo lepší mechanický výkon.

Historický rozvoj

Ti-6Al-4V bol prvýkrát vyvinutý v 50. rokoch minulého storočia pre letecké aplikácie, kde je dopyt po materiáloch s nízkou hmotnosťou, vysoká sila, a teplotná odolnosť bola kritická.

Časom, jeho použitie sa rozšírilo mimo letectva aj na lekárske implantáty, automobilové preteky, a priemyselné vybavenie, vďaka svojej biokompatibilite a chemickej stabilite.

2. Chemické zloženie Ti-6Al-4V

3. Fyzikálne a mechanické vlastnosti Ti-6Al-4V

TI -6AL -4V (Známka 5 / Stupeň 23-ELI) kombinuje vysoká špecifická pevnosť, dobrá lomová húževnatosť, a Vynikajúca únava odolnosť s stredná elastická tuhosť a nízka tepelná/elektrická vodivosť.

Vlastnosti silne závisia od formulár (vyvolaný, vrhnúť, Am), tepelné spracovanie (žíhané vs. STA vs. b-žíhanie), nečistota (intersticiálna) úroveň, a či časť bola HIPED (spoločné pre cast/AM diely).

Fyzický (Termofyzikálne) Vlastnosti

Mechanické vlastnosti pri izbovej teplote (zástupca)

Zobrazené hodnoty sú typické rozsahy; presné čísla závisia od formy produktu, veľkosť sekcie, a špecifikácia.

Únava & Zlomenina

• Únava pri vysokom cykle (R = −1, 10⁷ cykly):

• • Vyvolaný / HIP’d Cast / HIP’d AM:~450–600 MPa (povrchová úprava a kontrola defektov sú kritické).
  • Ako odliatok / Postavený AM (žiadny HIP): zvyčajne 20- 30% nižšie v dôsledku pórovitosti a mikrodefektov.

• Nízkocyklová únava: Silne závislé od mikroštruktúry a stavu povrchu; bimodálne a jemné α kolónie vo všeobecnosti prekonávajú hrubé lamelárne štruktúry pri RT.
• Zlomenina (K_ic):

• • Známka 5: ~55–75 MPa√m
  • Známka 23 (ELI):~75–90 MPa√m (extra nízke intersticiálne časti zlepšujú húževnatosť).

• Rast trhlín: Lamelový (transformované β) štruktúry sa môžu zlepšiť odolnosť proti rastu únavových trhlín, zatiaľ čo jemné rovnoosé α napomáhajú iniciačný odpor.

Plaziť sa & Pevnosť pri zvýšenej teplote

• Použiteľné do ~400–500 °C pre väčšinu štrukturálnych povinností; nad týmto, pevnosť a odolnosť proti oxidácii sa zhoršujú.
• Plaziť sa: ukazuje Ti-6Al-4V výrazné dotvarovanie nad ~350–400 °C; pre službu s vyššou teplotou, iné zliatiny Ti (Napr., Ti-6242, Ti-1100) alebo superzliatiny na báze Ni (Napr., Odvoz 718) sú preferované.
• Mikroštruktúrny efekt:Lamelárna/Widmanstätten (z β-žíhania alebo pomalého chladenia) ponuka lepšia odolnosť proti tečeniu a rastu trhlín ako rovnoosové konštrukcie.

Vplyv intersticiálnych reklám & Mikroštruktúra

• Kyslík (O): +0.1 % hmotn zvýšiť UTS o ~100 MPa ale znížiť predĺženie niekoľko bodov.
  Preto Známka 23 (ELI) s nižším O/N/H je špecifikovaný pre implantáty a letecké časti odolné voči poškodeniu.
• Kontrola mikroštruktúry (tepelným spracovaním):

• • Vyrovnaný / bimodálne: dobrá rovnováha síl, ťažkosť, a húževnatosť – bežné v kozmonautike.
  • Lamelový: zlepšený rast trhlín/odolnosť voči tečeniu, nižšia ťažnosť – používa sa v hrubých profiloch alebo pri prevádzke s vysokým T.

Podmienka, Zvyškový stres & Dokončenie

• Povrchová úprava môže posunúť silu únavy o >25% (ako-obrobené/leštené vs. as-cast alebo AM as-build).
• Výstrel / Laserový šok: zaviesť tlakové zvyškové napätia → únavové zlepšenie až 2×.
• Chemické mletie (bežné v cast/AM castiach) odstraňuje alfa-prípad a defekty v blízkosti povrchu, ktoré inak zhoršujú výkonnosť pri únave/lámavosti.

4. Odolnosť proti korózii a biokompatibilita

Odpor

Ti-6Al-4V vďačí za svoju odolnosť proti korózii pevne priľnavému oxidu titaničitému (Tio₂) pasívna vrstva, vznikajú spontánne vo vzduchu alebo vo vode. Táto vrstva:

• Zabraňuje ďalšej oxidácii, s rýchlosťou korózie <0.01 mm/rok v morskej vode (10× lepšia ako nehrdzavejúca oceľ 316L).
• Odoláva chloridom vyvolaným jamkám (kritické pre námorné a pobrežné aplikácie), s ekvivalentným číslom odolnosti proti pittingu (Drevo) z ~30.
• Odoláva väčšine kyselín (sírny, dusík) a alkalis, hoci je citlivý na kyselinu fluorovodíkovú (HF) a silne redukujúce kyseliny.

Biokompatibilitu

Jeho netoxický a nereaktívny charakter robí z Ti-6Al-4V materiál voľby pre ortopedické implantáty, zubné skrutky, a chirurgické zariadenia.

5. Spracovanie a výroba titánovej zliatiny Ti-6Al-4V

TI -6AL -4V (5. ročník/ročník 23) je známy pre svoj vysoký pomer pevnosti k hmotnosti a odolnosť proti korózii, ale tieto výhody so sebou prinášajú významné výzvy pri spracovaní

Vďaka svojej nízkej tepelnej vodivosti, vysoká chemická reaktivita, a relatívne vysoká tvrdosť v porovnaní s hliníkom alebo oceľou.

Výzvy a stratégie obrábania

Výziev:

• Nízka tepelná vodivosť (~6–7 W·m⁻¹·K⁻¹): Na reznom rozhraní sa hromadí teplo, zrýchlenie opotrebovania nástroja.
• Vysoká chemická reaktivita: Sklon k zadretiu alebo zvaru na rezných nástrojoch.
• Elastický modul (~ 110 GPA): Nižšia tuhosť znamená, že sa obrobky môžu vychyľovať, vyžadujúce pevné nastavenia.

Stratégie obrábania Ti-6Al-4V:

• Využitie náradie z karbidu s ostrými reznými hranami a tepelne odolnými povlakmi (Tialn, Zlato).
• Uplatňovať chladivo alebo kryogénne chladenie (kvapalný dusík) riadiť teplo.
• Radšej nižšia rýchlosť rezania (~ 30–60 m/min) s vysoké sadzby kŕmenia na skrátenie doby zotrvania.
• Využívať vysokorýchlostné obrábanie (HSM) s trochoidnými dráhami nástroja na minimalizáciu zaťaženia nástroja a koncentrácie tepla.

Kovanie, Valcujúci, a formovanie

• Kovanie: Ti-6Al-4V je typicky kovaný medzi 900–950 ° C (a+b región).
  Rýchle chladenie (chladenie vzduchu) pomáha vyrábať pokuta, rovnoosé mikroštruktúry s dobrým pomerom pevnosti a húževnatosti.
• Horúci valcovanie: Vyrába tenké dosky alebo plechy pre kozmonautiku a komponenty medicínskych zariadení.
• Superplastické formovanie (SPF): Na ~ 900 ° C, Ti-6Al-4V môže dosiahnuť predĺženia >1000% s tlakovým tvarovaním plynu, ideálne pre komplexné letecké panely.

Odlievanie

• Ti-6Al-4V môže byť investičné obsadenie (proces strateného vosku) ale vyžaduje vákuum alebo inertná atmosféra v dôsledku reaktivity s kyslíkom a plesňovými materiálmi.
• Žiaruvzdorné formy ako je ytrio alebo oxid zirkoničitý, aby sa zabránilo kontaminácii.
• Bedra (Horúce izostatické lisovanie) sa bežne používa po odlievaní na elimináciu pórovitosti a zlepšenie mechanických vlastností na úroveň takmer tvárnenú.

Aditívna výroba (3D Tlač)

• Procesy:

• • Fúzia laserového prášku (LPBF) a Topenie elektrónového lúča (Ebm) sú dominantné pre Ti-6Al-4V.
  • Usmerňované ukladanie energie (Dedičstvo) sa používa na opravy alebo veľké konštrukcie.

• Výhody:

• • Zložité geometrie, mriežka, a ľahkým dizajnom s až do 60% zníženie hmotnosti v porovnaní s konvenčným obrábaním z predvalkov.
  • Minimálny odpad materiálu – kritický, pretože náklady na surovinu Ti-6Al-4V $25– 40/kg.

• Výziev:

• • Súčiastky z pôvodného stavu často majú anizotropné mikroštruktúry a zvyškové napätia, vyžadujúci HIP a tepelné spracovanie.
  • Drsnosť povrchu z práškovej fúzie musí byť opracovaná alebo vyleštená.

Zváranie a pripojenie

• Reaktivita so vzduchom pri vysokých teplotách vyžadovať argón (alebo inertné komory).
• Metódy:

• • Gtaw (Tigový) a Zváranie elektrónových lúčov (Vmajme) sú bežné pre letecké komponenty.
  • Laserové zváranie: Vysoká presnosť, vstup.
  • Zváranie trenia (Fsw): Vzniká pre určité letecké štruktúry.

• Prevencia: Kontaminácia kyslíkom alebo dusíkom počas zvárania (>200 ppm o₂) môže spôsobiť sklon.
• Na obnovenie ťažnosti môže byť potrebné tepelné spracovanie po zváraní.

Povrchové úpravy a konečná úprava

• Odstránenie prípadu Alpha: Liate alebo kované povrchy vytvárajú krehkú vrstvu bohatú na kyslík ("alfa prípad") ktoré treba odstrániť cez chemické frézovanie alebo obrábanie.
• Tvrdenie povrchu: Plazmová nitridácia alebo anodizácia zvyšuje odolnosť proti opotrebovaniu.
• Leštenie & Poťahovanie: Lekárske implantáty vyžadujú zrkadlové povrchy a bio nátery (hydroxyapatit, Konzervovať) pre biokompatibilitu a opotrebovanie.

Náklady a využitie materiálu

• Tradičné obrábanie zo sochoru má pomery buy-to-fly 8:1 do 20:1, význam 80– 95 ​​% materiálového odpadu—nákladné 25 – 40 USD/kg pre Ti-6Al-4V.
• Techniky tvaru blízkej siete ako odlievanie investícií, kovanie predliskov, a aditívna výroba výrazne znížiť plytvanie materiálom a náklady.

6. Tepelné spracovanie a kontrola mikroštruktúry

Ti-6Al-4V je zliatina α+β; jeho výkonnosť sa riadi podľa toho, koľko z každej fázy je prítomné, ich morfológia (vyrovnaný, bimodálne, lamely/Widmanstätten), veľkosť kolónie, a úroveň čistoty/intersticiálnej úrovne (Známka 5 vs 23 ELI).

Pretože β-transus je typicky ~995 °C (±15 °C), či kúriš pod alebo nad touto teplotou určuje výslednú mikroštruktúru a, preto, rovnováhu pevnosť – ťažnosť – húževnatosť – únava – tečenie.

Primárne rodiny tepelného spracovania

(Presné teploty/doby výdrže závisia od špecifikácie – AMS 4928/4911/4999, ASTM B348/B381/B367/F1472/F136, zákaznícky výkres, a požadovaný súbor vlastností.)

Bedra: zahusťovanie ako „povinné“ pre odlievanie & Am

• Dôvod: Dokonca aj malé póry (<0.5%) sú zničujúce pre únavovú životnosť a lomovú húževnatosť.
• Výsledok: HIP zvyčajne obnovuje tvárnosť a únavu na takmer spracované úrovne, výrazne znižuje rozptyl majetku.
• Následné: Post-HIP zmiernenie stresu alebo žíhanie môže ďalej stabilizovať mikroštruktúru a znížiť zvyškové napätia.

Vznikajúce smery

• Rýchle tepelné úpravy sub -transus (schody) znížiť náklady pri zasiahnutí vysokej sily.
• Mikroštruktúra podľa návrhu v AM: riadenie parametrov laserom + In -Situ Správa tepla tlačiť smerom k rovnomerným a/β bez plného bedra (výskumná fáza).
• Pokročilý peening (LSP) & povrchová úprava Ak chcete presadzovať únavové limity vyššie bez zmeny hromadnej mikroštruktúry.
• Optimalizácia HT v oblasti strojového učenia Použitie údajov z dilatometrie, Dsc, a mechanické testovanie na rýchle predpovedanie optimálnych receptov.

7. Hlavné aplikácie titánovej zliatiny Ti-6Al-4V

TI -6AL -4V (Známka 5) dominuje trhu s zliatinou titánu, zohľadniť Približne 50–60% všetkých titánových aplikácií na celom svete.

Svoj výnimočný pomer sily k hmotnosti (UTS ≈ 900–1 050 MPa), odpor, únava, a biokompatibilita Urobte z nej nevyhnutný vo viacerých vysoko výkonných odvetviach.

Letectvo a kozmonautika

• Štruktúry lietadiel:

• • Trupové rámy, komponenty podvozku, pylónové držiaky, a časti hydraulického systému.
  • Úspora hmotnosti titánu v porovnaní s oceľou (≈40% ľahší) umožniť zníženie paliva o 3 – 5 % na lietadlo, kritické pre moderné komerčné a vojenské lietadlá.

• Komponenty prúdového motora:

• • Lopatky, disk, koleso, a komponenty prídavného spaľovania.
  • Ti-6Al-4V si zachováva pevnosť až 400–500 ° C, robí to ideálnym pre stupne kompresora kde je rozhodujúca vysoká tepelná a únavová odolnosť.

Lekársky a zubný

• Ortopedické implantáty:

• • Náhrady bedrového kĺbu a kolena, zariadenia na spinálnu fúziu, kosť, a skrutky.
  • TI -6AL -4V ELI (Známka 23) je zvýhodňovaný vďaka svojmu zvýšená lomová húževnatosť a nízky intersticiálny obsah, zníženie rizika zlyhania implantátu.

• Zubné aplikácie:

• • koruny, zubné implantáty, a ortodontické konzoly kvôli biokompatibilita a osseointegrácia, podpora silného uchytenia kostí.

• Chirurgické nástroje:

• • Nástroje ako kliešte, vŕtačka, a skalpelové rukoväte, ktoré vyžadujú oboje vysoká pevnosť a odolnosť voči sterilizácii.

Automobilový šport

• Vysokovýkonné komponenty:

• • Ramená zavesenia pretekárskych áut, ventily, spojovacie tyče, a výfukové systémy.
  • Titán znižuje hmotnosť o 40–50 % v porovnaní s oceľou, zlepšenie zrýchlenia, brzdenie, a palivovej účinnosti v súťažnom motoristickom športe.

• Luxusné a elektrické vozidlá (EV):

• • Nové použitie v krytoch batérií a konštrukčných častiach elektrických vozidiel, kde nízka hmotnosť a odolnosť proti korózii rozširujú dosah a spoľahlivosť.

Morský a pobrežie

• Námorný & Obchodné plavidlá:

• • Vrtuľové hriadeľ, potrubné systémy morskej vody, a výmenníky tepla.
  • Ti-6Al-4V je odolný voči chloridom vyvolaná jamková a štrbinová korózia, lepšie ako nehrdzavejúce ocele a zliatiny medi.

• Olej & Plynárenské stavby na mori:

• • Používa sa v stúpačkách, podmorské ventily, a vysokotlakové zariadenia z dôvodu jeho odolnosť voči kyslému plynnému prostrediu a praskanie korózie stresu.

Priemyselné a chemické spracovanie

• Výmenník tepla & Reaktory:

• • Odoláva Ti-6Al-4V oxidačné a mierne redukčné prostredie, ideálne pre zariadenia na výrobu chlóru a zásad a odsoľovacie systémy.

• Generovanie energie:

• • Lopatky turbíny a komponenty kompresora v jadrové a fosílne elektrárne kde je rozhodujúca odolnosť proti korózii a únave.

• 3D Tlač priemyselných dielov:

• • Bežne používané v aditívna výroba (Am) pre letecké držiaky, potrubie, a prototypy.

Spotrebný a športový tovar

• Športové vybavenie:

• • Hlavy golfového klubu, bicykle, tenisové rakety, a horolezeckou výbavou, využívajúc jeho ľahká a vysoká pevnosť.

• Luxusné hodinky a elektronika:

• • Prípady, rámy, a konštrukčné komponenty kde odolnosť proti poškriabaniu a estetika sú cenené.

8. Výhody titánovej zliatiny Ti-6Al-4V

• Vysoký pomer pevnosti k hmotnosti
  Ti-6Al-4V je približne 45% ľahší ako oceľ pričom ponúka porovnateľnú alebo vyššiu pevnosť v ťahu (~900–1100 MPa), vďaka čomu je ideálny pre ľahké, vysoko výkonné komponenty.
• Výnimočná odolnosť proti korózii
  Tvorba stabilného a samoliečiaceho sa vrstva oxidu TiO₂ chráni zliatinu pred koróziou v mori, chemický, a priemyselné prostredie.
• Vynikajúca odolnosť proti únave a zlomeniu
  Zaručuje vynikajúcu odolnosť proti cyklickému zaťaženiu a šíreniu trhlín dlhodobá trvanlivosť, najmä v leteckom a automobilovom priemysle.
• Vynikajúca biokompatibilita
  Prirodzene inertné a netoxické, Ti-6Al-4V je široko používané v lekárskych implantátoch a chirurgických nástrojoch vďaka svojej kompatibilite s ľudským telom.
• Tepelná stabilita
  Udržuje mechanický výkon pri teploty do 500°C, vďaka čomu je vhodný pre komponenty motora a aplikácie náročné na teplo.
• Všestrannosť vo výrobe
  Dá sa spracovať cez kovanie, odlievanie, obrábanie, a pokročilé techniky ako aditívna výroba (3D tlač), ponúka flexibilitu dizajnu.

9. Obmedzenia a výzvy titánovej zliatiny Ti-6Al-4V

• Vysoké náklady na materiál a spracovanie
  Ti-6Al-4V je podstatne drahší ako bežné zliatiny ako hliník alebo uhlíková oceľ vysoká cena titánovej špongie (≈ 15 – 30 USD/kg) a energeticky náročný proces Kroll.
• Náročná strojovateľnosť
  Nízka tepelná vodivosť (o 6.7 W/m · k) vedie k lokalizovanému ohrevu počas obrábania, spôsobujúci opotrebenie nástroja, nízka rýchlosť rezania, a vyššie výrobné náklady.
• Obmedzená prevádzková teplota
  Zatiaľ čo silné pri miernych teplotách, mechanické vlastnosti sa zhoršujú 500° C, obmedzenie jeho používania v prostrediach s ultravysokou teplotou, ako sú niektoré komponenty turbín.
• Komplexné požiadavky na zváranie
  Vyžaduje zváranie Ti-6Al-4V tienenie inertným plynom (argón) aby sa zabránilo kontaminácii kyslíkom alebo dusíkom. Bez riadnej kontroly, zvary môžu byť krehké a náchylné na praskanie.
• Citlivosť na kyslík a nečistoty
  Dokonca aj malé hladiny kyslíka (>0.2%) koleno drasticky znížiť ťažnosť a tvrdosť, náročné na prísnu kontrolu kvality počas spracovania a skladovania.

10. Štandardy a špecifikácie

• ASTM B348: Tepaný Ti-6Al-4V (pruh, listy, taniere).
• ASTM B367: Liate komponenty Ti-6Al-4V.
• AMS 4928: Kovaný Ti-6Al-4V pre letecký priemysel.
• ISO 5832-3: Lekárske implantáty (stupeň ELI).
• MIL-T-9046: Vojenské špecifikácie pre letecké aplikácie.

11. Porovnanie s inými materiálmi

Ti-6Al-4V titánová zliatina sa často porovnáva s inými široko používanými inžinierskymi materiálmi, ako sú hliníkové zliatiny (Napr., 7075), nehrdzavejúca oceľ (Napr., 316L), a superzliatiny na báze niklu (Napr., Odvoz 718).

12. Záver

TI-6AL-4V titánová zliatina zostáva chrbticou vysokovýkonných priemyselných odvetví, ponúka bezkonkurenčnú rovnováhu síl, zníženie hmotnosti, a odolnosť proti korózii.

Zatiaľ čo jeho náklady a problémy so spracovaním pretrvávajú, pokroky v aditívnej výrobe a práškovej metalurgii znižujú plytvanie materiálom a výrobné náklady, zabezpečenie jeho rastúceho významu v letectve, lekársky, a budúce technológie na prieskum vesmíru.

 

Časté otázky

Prečo je Ti-6Al-4V drahší ako oceľ?

Surová titánová špongia ($15–30/kg) a komplexné spracovanie (vákuové topenie, špecializované obrábanie) aby bol Ti-6Al-4V 5–10× drahší ako oceľ, hoci jeho úspora hmotnosti často kompenzuje náklady životného cyklu.

Je Ti-6Al-4V magnetický?

Nie. Jeho alfa-beta mikroštruktúra je nemagnetická, vďaka čomu je vhodný pre letecké a medicínske aplikácie, kde je magnetizmus problematický.

Môže byť Ti-6Al-4V použitý pre styk s potravinami?

Áno. Spĺňa štandardy FDA (21 CFR 178.3297) pre styk s potravinami, s odolnosťou proti korózii, ktorá nezabezpečuje vylúhovanie kovu.

Ako je Ti-6Al-4V v porovnaní s Ti-6Al-4V ELI?

TI-6AL-4V ELI (Extra nízka intersticiálna) má nižší obsah kyslíka (<0.13%) a žehličstvo (<0.25%), zvýšenie ťažnosti (12% predĺženie) a biokompatibilita – uprednostňuje sa pre lekárske implantáty.

Aká je maximálna teplota, ktorú Ti-6Al-4V vydrží?

Vykonáva spoľahlivo až do 400 ° C. Nad 500 ° C, rýchlosti tečenia sa zvyšujú, Obmedzenie použitia vo vysokohorových aplikáciách (Napr., horúce sekcie plynovej turbíny, kde sú preferované niklové superzliatiny).