1. Dugotrajna termička stabilnost legura titanijuma na visokim temperaturama-
(1) Dizajn legure za termičku stabilnost
Alfa stabilizatori (Al, Sn, Zr): Aluminijum (6–8 tež.%) i kalaj (1–3 tež. %) jačaju alfa fazu i podižu beta-transus temperaturu legure (odlaganje fazne transformacije na visokim temperaturama); cirkonijum (2-4 tež.%) rafinira zrna i poboljšava otpornost na puzanje bez ugrožavanja duktilnosti. Na primjer, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242) ima beta-transus temperaturu od ~1000 stepeni, 15–20% više od Ti-6Al-4V, što omogućava stabilan rad na 450–500 stepeni tokom 10,000+ sati.
Beta stabilizatori (Mo, Nb, Ta): Molibden (1-2 tež%) i niobijum (2-5 tež%) poboljšavaju duktilnost legure na visokim{4}}ima i usporavaju grublje beta faze; tantal (1-3 tež.%) poboljšava termičku stabilnost smanjenjem brzine atomske difuzije u matrici. Napredne klase kao što je Ti-1100 (Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si) sadrže silicijum (0.4-0.5 tež.%) za formiranje finih taloga silicida (Ti₅Si₃), koji pričvršćuju granice zrna i inhibiraju deformaciju puzanja6 od 05-50.
Niska-intersticijska kontrola: Stroga ograničenja kiseonika (<0.15 wt%), nitrogen (<0.015 wt%), and hydrogen (<0.010 wt%) prevent the formation of brittle interstitial compounds that degrade thermal stability over time.
(2) Mikrostrukturna stabilnost tokom dugotrajnog-izlaganja visokim-temperaturama
Lamelarne/bi{0}}modalne mikrostrukture: Većina visoko{0}}klasa na visokim temperaturama se termički-obrađuje kako bi se formirala lamelarna ili bi-modalna (jednakoosna alfa + lamelarna alfa-beta) mikrostruktura. Na primjer, Ti-6242 u potpuno lamelarnom stanju održava finu, ujednačenu distribuciju alfa lamela u beta matrici na 500 stepeni tokom 20.000 sati, bez značajnog grubljanja zrna ili fazne segregacije. Nasuprot tome, konvencionalni Ti-6Al-4V doživljava ogrubljenje u alfa fazi i gubitak čvrstoće iznad 350 stepeni nakon 5.000 sati izlaganja.
Otpornost na faznu degradaciju: Na temperaturama ispod 600 stepeni, legure titanijuma na visokim{1}}temperaturama izbegavaju stvaranje štetnih faza (npr. krhka omega faza ili grubi hidridi) koje pogađaju standardne vrste. Ti-1100, na primjer, zadržava svoju alfa-beta mikrostrukturu na 600 stepeni tokom 10.000 sati, uz samo 10-15% smanjenja vlačne čvrstoće (sa 900 MPa na 750-800 MPa), u poređenju sa gubitkom čvrstoće od 40% za Ti-6Al-4V na istoj temperaturi i istoj temperaturi.
(3) Zadržavanje mehaničke imovine
Otpornost na puzanje: Visokotemperaturne{0}}legure titanijuma pokazuju superiorne performanse puzanja na njihovim projektnim temperaturama. Ti-6242 ima stopu deformacije puzanja od<1×10⁻⁹ per hour at 450°C and 200 MPa stress (10x lower than Ti-6Al-4V under the same conditions), with total creep deformation <0.1% after 10,000 hours. Ti-1100 achieves a creep strain rate of <5×10⁻⁹ per hour at 550°C and 250 MPa, meeting the demands of aero-engine compressor blades.
Snaga zamora: Pod cikličnim visokim-opterećenjem, ove legure zadržavaju 60-70% svoje čvrstoće na zamor pri sobnoj{3}}(10⁷ ciklusa). Na primjer, Ti-6242 ima snagu zamora od ~250 MPa na 450 stepeni (vs. 150 MPa za Ti-6Al-4V na 350 stepeni), omogućavajući pouzdan servis u komponentama sklonim vibracijama kao što su kućišta turbina.
Zadržavanje duktilnosti: Dugotrajno izlaganje na 500 stepeni smanjuje istezanje Ti-6242 za samo 20-25% (sa 12% na 9-10%), dok Ti-6Al-4V gubi 50% svoje duktilnosti (sa 12% na 6%) na 350 stepeni tokom istog trajanja.
2. Otpornost na oksidaciju legura titanijuma na visokim temperaturama tokom-dugotrajnog rada
(1) Mehanizam oksidacije titanijumskih legura na visokim temperaturama
Vanjski sloj: Porozni TiO₂ (rutil), koji puca i puca pod termičkim ciklusom;
Srednji sloj: Ti₃O₅, poluprovodljivi oksid sa lošim zaštitnim svojstvima;
Unutrašnji sloj: Ti₂O₃, krhki oksid koji uzrokuje krtost površine i smanjuje vijek trajanja.
(2) Legiranje i površinska obrada za povećanu otpornost na oksidaciju
Legiranje silicijuma i aluminijuma: Silicijum (0,3–0,5 tež%) u vrstama kao što je Ti-1100 formira kontinuirani sloj SiO₂ ispod filma TiO₂, koji deluje kao difuziona barijera za kiseonik i smanjuje stopu rasta oksida za 50–60% na 600 stepeni. Aluminij (7-8 tež.%) povećava sadržaj aluminija u oksidnom sloju, formirajući mješovitu ljusku Al₂O₃-TiO₂ s višom tačkom topljenja i nižom propusnošću kisika od čistog TiO₂.
Dodatci hroma i niobija: Krom (1-2 tež.%) poboljšava adheziju oksida smanjujući neusklađenost termičkog širenja između oksidnog sloja i supstrata, dok niobijum (3-5 tež.%) stabilizira rutilnu fazu TiO₂ i inhibira stvaranje pukotina u oksidnoj skali.
Površinski premazi: Za primjene na ultra-visokim-primjenama (550-700 stepeni), legure titana na visokim{4}}ima temperaturama se često oblažu saaluminidne prevlake(npr. pakovati-cementirani Al-Ti premazi) ilikeramičke prevlake(npr. itrija{2}}stabilizirani cirkonijum, YSZ). Ovi premazi formiraju gustu Al₂O₃ ili keramičku barijeru, smanjujući stopu oksidacije za 90% na 650 stepeni u poređenju sa neobloženim legurama. Na primjer, Ti-1100 presvučen aluminidom- ima povećanje težine od<0.1 mg/cm² after 1000 hours at 600°C, vs. 1.2 mg/cm² for uncoated Ti-1100.
(3) Dugoročne granice učinka oksidacije
Neprevučene legure: Većina neobloženih legura titanijuma na visokim{0}} temperaturama može održati prihvatljivu otpornost na oksidaciju do 550–600 stepeni tokom 10.000 sati, sa ukupnom debljinom oksida ograničenom na<10 μm and weight gain <0.5 mg/cm². Above 600°C, the oxide layer thickens rapidly (exceeding 20 μm at 650°C for 1000 hours) and becomes prone to spalling under thermal cycling, leading to intergranular oxidation and embrittlement.
Obložene legure: Sa aluminijumskim ili keramičkim premazima, gornja temperaturna granica se proteže na 650–700 stepeni za dugotrajnu-službu (10.000 sati), sa debljinom oksida<8 μm and weight gain <0.2 mg/cm² at 700°C. However, coating degradation (e.g., interdiffusion of coating and substrate elements) becomes a limiting factor beyond 700°C, requiring periodic recoating for critical components.
