1. Langvarig-termisk stabilitet av titanlegeringer med høy-temperatur
(1) Legeringsdesign for termisk stabilitet
Alfastabilisatorer (Al, Sn, Zr): Aluminium (6–8 vekt%) og tinn (1–3 vekt%) styrker alfafasen og øker legeringens beta-transustemperatur (forsinker fasetransformasjon ved høye temperaturer); zirkonium (2–4 vekt%) foredler korn og forbedrer krypemotstanden uten å gå på bekostning av duktiliteten. For eksempel har Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242) en beta-transustemperatur på ~1000 grader, 15–20 % høyere enn Ti-6Al-4V, noe som muliggjør stabil drift ved 450–500 grader i 10,000+ timer.
Betastabilisatorer (Mo, Nb, Ta): Molybden (1–2 vekt%) og niob (2–5 vekt%) forbedrer legeringens høye-temperaturduktilitet og forsinker forgrovningen av betafasen; tantal (1–3 vekt%) forbedrer termisk stabilitet ved å redusere atomdiffusjonshastigheter i matrisen. Avanserte kvaliteter som Ti-1100 (Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si) inneholder silisium (0.4–0.5 vekt%) for å danne fine silisidutfellinger (Ti₅Si₃), som fester korngrenser og hemmer krypdeformasjon ved 500–600 grader.
Lav-mellomliggende kontroll: Strenge grenser for oksygen (<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) Mikrostrukturell stabilitet under langvarig-høy-temperatureksponering
Lamellære/bi{0}}modale mikrostrukturer: De fleste høye-temperaturgrader er varme-behandlet for å danne en lamellær eller bi-modal (likeakset alfa + lamellær alfa-beta) mikrostruktur. For eksempel opprettholder Ti-6242 i fullstendig lamelltilstand en fin, jevn alfa-lamellerfordeling i betamatrisen ved 500 grader i 20 000 timer, uten signifikant kornforgrovning eller fasesegregering. I kontrast opplever konvensjonell Ti-6Al-4V alfa-fase forgrovning og styrketap over 350 grader etter 5000 timers eksponering.
Motstand mot fasenedbrytning: Ved temperaturer under 600 grader unngår titanlegeringer med høy-temperatur dannelsen av skadelige faser (f.eks. sprø omegafase eller grove hydrider) som plager standardkvaliteter. Ti-1100, for eksempel, beholder sin alfa-beta-mikrostruktur ved 600 grader i 10 000 timer, med bare 10–15 % reduksjon i strekkfasthet (fra 900 MPa til 750–800 MPa), sammenlignet med 40 % styrketap for Ti-6Al-4V ved samme temperatur og varighet.
(3) Mekanisk eiendomsbevaring
Krypemotstand: Titanlegeringer med høy-temperatur viser overlegen krypeytelse ved designtemperaturer. Ti-6242 har en kryptøyningshastighet på<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.
Tretthetsstyrke: Under syklisk høy-temperaturbelastning beholder disse legeringene 60–70 % av romtemperatur-utmattelsesstyrken (10⁷ sykluser). For eksempel har Ti-6242 en utmattingsstyrke på ~250 MPa ved 450 grader (vs. 150 MPa for Ti-6Al-4V ved 350 grader), noe som muliggjør pålitelig service i komponenter som er utsatt for vibrasjoner som turbinhus.
Duktilitetsbevaring: Lang-eksponering for 500 grader reduserer forlengelsen av Ti-6242 med bare 20–25 % (fra 12 % til 9–10 %), mens Ti-6Al-4V mister 50 % av duktiliteten (fra 12 % til 6 %) ved 350 grader over samme varighet.
2. Oksidasjonsmotstand for titanlegeringer med høy-temperatur under lang-tjeneste
(1) Oksidasjonsmekanisme for titanlegeringer ved høye temperaturer
Ytre lag: Porøs TiO₂ (rutil), som sprekker og sprekker under termisk sykling;
Mellomlag: Ti₃O₅, et halv-ledende oksid med dårlige beskyttende egenskaper;
Indre lag: Ti₂O₃, et sprøtt oksid som forårsaker overflatesprøhet og reduserer utmattelseslevetiden.
(2) Legering og overflatebehandlinger for forbedret oksidasjonsmotstand
Silisium- og aluminiumslegering: Silisium (0,3–0,5 vekt%) i kvaliteter som Ti-1100 danner et kontinuerlig SiO₂-lag under TiO₂-filmen, som fungerer som en diffusjonsbarriere for oksygen og reduserer oksidveksthastigheten med 50–60 % ved 600 grader. Aluminium (7–8 vekt%) øker aluminiuminnholdet i oksidlaget, og danner en blandet Al₂O₃-TiO₂-skala med høyere smeltepunkt og lavere oksygenpermeabilitet enn ren TiO₂.
Tilsetninger av krom og niob: Krom (1–2 vekt%) forbedrer oksidadhesjonen ved å redusere termisk ekspansjonsmisforhold mellom oksidlaget og substratet, mens niob (3–5 vekt%) stabiliserer rutilfasen til TiO₂ og hemmer sprekkdannelse i oksidskalaen.
Overflatebelegg: For applikasjoner med ultra-høy-temperatur (550–700 grader), er titanlegeringer med høy-temperatur ofte belagt medaluminidbelegg(f.eks. pakk-sementert Al-Ti-belegg) ellerkeramiske belegg(f.eks. yttria-stabilisert zirkoniumoksid, YSZ). Disse beleggene danner en tett Al2O3 eller keramisk barriere, som reduserer oksidasjonshastigheten med 90 % ved 650 grader sammenlignet med ubelagte legeringer. For eksempel har en aluminid-belagt Ti-1100 en vektøkning på<0.1 mg/cm² after 1000 hours at 600°C, vs. 1.2 mg/cm² for uncoated Ti-1100.
(3) Ytelsesgrenser for-langsiktig oksidasjon
Ubelagte legeringer: De fleste ubelagte titanlegeringer med høy-temperatur kan opprettholde akseptabel oksidasjonsmotstand opp til 550–600 grader i 10 000 timer, med total oksidtykkelse begrenset til<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.
Belagte legeringer: Med aluminid eller keramiske belegg strekker den øvre temperaturgrensen seg til 650–700 grader for langtidsbruk (10 000 timer), med oksidtykkelse<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.
