1. Nøkkelytelseskrav for titanlegeringer med høy-temperatur
Styrketensjon: Oppretthold tilstrekkelig strekk- og flytestyrke ved måltemperaturer uten betydelig nedbrytning.
Krypemotstand: Minimer permanent deformasjon under langvarige-statiske eller sykliske belastninger ved høye temperaturer (en nøkkelfeilmodus for strukturelle komponenter med høy-temperatur).
Oksidasjonsmotstand: Dann en tett, stabil oksidfilm for å forhindre alvorlig oksidasjon og avleiring i luft med høy-temperatur eller korrosive atmosfærer.
Mikrostrukturell stabilitet: Unngå fasetransformasjoner (f.eks. → faseovergang eller utfelling av sprø intermetalliske faser) som kan kompromittere ytelsen under langvarig høy-temperatureksponering.
2. Primær høy-titaniumlegeringer for 400 grader + service
2.1 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242)
Kjemisk sammensetning og mikrostruktur: Den inneholder aluminium (-stabilisator), tinn (nøytral forsterker), zirkonium (kornforedler) og molybden (moderat -stabilisator). Mikrostrukturen består av en primær -fasematrise med en liten brøkdel av -fase (5–10 %) ved korngrenser, noe som sikrer både høy-temperaturstabilitet og moderat duktilitet.
Høy-temperaturytelse:
Ved 450 grader forblir strekkstyrken over 700 MPa (sammenlignet med<600 MPa for Grade 5 at the same temperature), and its yield strength exceeds 600 MPa.
Den viser utmerket krypemotstand: under en spenning på 300 MPa ved 450 grader er krypetøyningshastigheten mindre enn 1×10^-7/t, langt lavere enn grad 5 (som overstiger 1×10^-5/t under samme forhold).
Dens oksidasjonsmotstand er overlegen grad 5: etter 1000 timers eksponering ved 500 grader er oksidlagets tykkelse bare ~15 μm, uten avskalling eller intern oksidasjon.
Applikasjonsscenarier: Mye brukt i fly-motorkomponenter som kompressorblader (trinn med lavt-til-middels trykk), ledeskovler og eksoshus, samt høye-konstruksjonsdeler for gassturbiner og komponenter til rakettmotordrivstoff.
2.2 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti-6246)
Kjemisk sammensetning og mikrostruktur: Den har de samme grunnelementene som Ti-6242, men med et høyere molybdeninnhold (6 % vs. 2 % i Ti-6242), øker -fasefraksjonen (10–15 %) og forbedrer nedbørstyrken under varmebehandling. Mikrostrukturen har likeaksede korn og en -fasematrise med fine utfellinger etter aldring.
Høy-temperaturytelse:
Ved 500 grader er strekkstyrken ~650 MPa, og flytestyrken er ~580 MPa, noe som gjør den 10–15 % sterkere enn Ti-6242 ved denne temperaturen.
Krypemotstanden er enestående: under 250 MPa spenning ved 500 grader, er 1000-timers krypedeformasjon mindre enn 0,1 %, og oppfyller kravene til høylast-flymotorkomponenter.
Oksidasjonsmotstand er sammenlignbar med Ti-6242, med et beskyttende oksidlag som dannes ved temperaturer opp til 550 grader for kortvarig bruk.
Applikasjonsscenarier: Primært brukt for høy-aero-motorkomponenter, inkludert høy-kompressorskiver, rotoraksler og turbinbladrøtter (for motorer med turbininnløpstemperaturer under 600 grader ), samt strukturelle deler for supersoniske fly.
2.3 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr (Ti-52244)
Kjemisk sammensetning og mikrostruktur: Den inneholder høye nivåer av -stabilisatorer (molybden og krom), som beholder en metastabil -fasematrise ved romtemperatur og danner fine utfellinger under aldring. Legeringen har en ensartet, ikke-retningsbestemt mikrostruktur uten korngrensesprøhet.
Høy-temperaturytelse:
Ved 450 grader når dens strekkstyrke ~750 MPa, og den opprettholder høy utmattingsstyrke (større enn eller lik 350 MPa under syklisk belastning), og overgår nær- legeringer i dynamiske belastningsscenarier.
Krypemotstanden er tilstrekkelig for 450 graders service (krypbelastning<0.2% at 300 MPa for 1000 hours) and it has good oxidation resistance in air, with minimal scaling up to 500°C.
Applikasjonsscenarier: Ideell for sveisede høy-temperaturkomponenter som for eksempel fly-eksosmanifolder, flyetterbrennerstrukturer og trykkbeholdere med høy-temperatur i kjemiske prosessanlegg (for korrosive høy-temperaturmedier).
2,4 Ti-1100 (Ti-6Al-2,75Sn-4Zr-0,4Mo-0,45Si)
Kjemisk sammensetning og mikrostruktur: Den inneholder silisium (et kryp-bestandig element som danner fine silisidutfellinger) for å forbedre krypeytelsen ved høy-temperatur. Mikrostrukturen er en primær -fasematrise med dispergerte silisidpartikler og en spor -fase, som sikrer langsiktig- mikrostrukturell stabilitet ved 600 grader.
Høy-temperaturytelse:
Ved 550 grader er dens strekkfasthet ~680 MPa, og krypemotstanden er uovertruffen blant titanlegeringer: under 200 MPa spenning ved 600 grader er krypedeformasjonen på 1000 timer<0.15%.
Dens oksidasjonsmotstand forsterkes av dannelsen av et Si-rikt oksidlag, som hemmer ytterligere oksygendiffusjon; etter 500 timer ved 600 grader, forblir oksidlaget tett og vedheftende.
Applikasjonsscenarier: Reservert for avanserte-motorer med høy-trykkkompressorkomponenter (for motorer med høy-kraft), hypersoniske termiske konstruksjonsdeler for kjøretøy og høy-temperaturkomponenter i romfremdriftssystemer (der vektreduksjon er kritisk og nikkel-baserte superlegeringer er for tunge).
3. Utvalgsretningslinjer for titanlegeringer med høy-temperatur
For 400–450 graders service: Ti-6242 er det kostnadseffektive-valget, som balanserer ytelse og produksjonsevne for de fleste flymotorer og industrielle applikasjoner.
For 450–550 graders service: Ti-6246 er foretrukket for høystyrkekrav, mens Ti-52244 er optimal for sveisede komponenter.
For 550–600 graders service: Ti-1100 er det eneste levedyktige alternativet for titanlegering, selv om det krever spesialisert varmebehandling og har høyere produksjonskostnader (en avveining- av ytelsen ved ekstreme høye temperaturer).
4. Begrensninger og tilleggsmerknader
Titanlegeringer anbefales generelt ikke for kontinuerlig drift over 600 grader, siden deres oksidasjonsmotstand og krypeevne forringes raskt (nikkel-baserte superlegeringer blir det primære alternativet for 600 grader + ultra-høye-temperaturforhold).
For bruk ved høye-temperaturer i korrosive atmosfærer (f.eks. med svovel- eller kloridforurensninger), kan overflatebelegg (f.eks. aluminid- eller silisidbelegg) påføres for ytterligere å forbedre oksidasjons- og korrosjonsmotstanden til disse legeringene.
