1. Dolgotrajna-toplotna stabilnost visoko{2}}temperaturnih titanovih zlitin
(1) Legirana zasnova za toplotno stabilnost
Alfa stabilizatorji (Al, Sn, Zr): Aluminij (6–8 mas. %) in kositer (1–3 mas. %) okrepita alfa fazo in zvišata beta-transus temperaturo zlitine (zakasnitev fazne transformacije pri visokih temperaturah); cirkonij (2–4 mas. %) prečisti zrna in izboljša odpornost proti lezenju brez ogrožanja duktilnosti. Na primer, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242) ima temperaturo beta-transusa ~1000 stopinj, 15–20 % višjo kot Ti-6Al-4V, kar omogoča stabilno delovanje pri 450–500 stopinjah 10000+ ur.
Beta stabilizatorji (Mo, Nb, Ta): molibden (1–2 mas. %) in niobij (2–5 mas. %) izboljšata visoko-temperaturno duktilnost zlitine in zavirata grobitev beta faze; tantal (1–3 mas. %) poveča toplotno stabilnost z zmanjšanjem hitrosti atomske difuzije v matrici. Napredne vrste, kot je Ti-1100 (Ti-6Al-2,7Sn-4Zr-0,4Mo-0,45Si), vsebujejo silicij (0,4–0,5 mas. %), da tvorijo fine silicidne oborine (Ti₅Si₃), ki pritrdijo meje zrn in zavirajo deformacijo pri lezenju pri 550–600 stopinjah.
Nizek-vmesni nadzor: Stroge omejitve kisika (<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 med dolgotrajno-izpostavljenostjo-visokim temperaturam
Lamelarne/bi{0}}modalne mikrostrukture: Večina visoko{0}}temperaturnih razredov je toplotno-obdelanih, da tvorijo lamelno ali bi{2}}modalno (enakoosna alfa + lamelna alfa-beta) mikrostrukturo. Na primer, Ti-6242 v popolnoma lamelarnem stanju ohranja fino, enakomerno porazdelitev lamel alfa v matriki beta pri 500 stopinjah 20.000 ur, brez znatnega grobljenja zrn ali fazne segregacije. V nasprotju s tem se pri običajnem Ti-6Al-4V po 5.000 urah izpostavljenosti pojavi ogrozitev alfa-faze in izguba trdnosti nad 350 stopinj.
Odpornost na fazno degradacijo: Pri temperaturah pod 600 stopinj se visoko{1}}temperaturne titanove zlitine izognejo tvorbi škodljivih faz (npr. krhka omega faza ali grobi hidridi), ki pestijo standardne kakovosti. Ti-1100 na primer ohrani svojo alfa-beta mikrostrukturo pri 600 stopinjah 10.000 ur, z le 10–15-odstotnim zmanjšanjem natezne trdnosti (z 900 MPa na 750–800 MPa) v primerjavi s 40-odstotno izgubo trdnosti za Ti-6Al-4V pri enaki temperaturi in trajanju.
(3) Zadrževanje mehanskih lastnosti
Odpornost proti lezenju: Visoko{0}}temperaturne titanove zlitine kažejo vrhunsko zmogljivost lezenja pri svojih načrtovanih temperaturah. Ti-6242 ima hitrost lezenja<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.
Trdnost utrujenosti: Pod ciklično visoko{0}}temperaturno obremenitvijo te zlitine ohranijo 60–70 % svoje trdnosti pri sobni-temperaturi (10⁷ ciklov). Na primer, Ti-6242 ima odpornost proti utrujenosti ~250 MPa pri 450 stopinjah (v primerjavi z . 150 MPa za Ti-6Al-4V pri 350 stopinjah), kar omogoča zanesljivo delovanje v komponentah, ki so nagnjene k vibracijam, kot so ohišja turbin.
Zadrževanje duktilnosti: Dolgotrajna-izpostavljenost 500 stopinjam zmanjša raztezek Ti-6242 samo za 20–25 % (z 12 % na 9–10 %), medtem ko Ti-6Al-4V izgubi 50 % svoje duktilnosti (z 12 % na 6 %) pri 350 stopinjah v istem času.
2. Odpornost proti oksidaciji visoko{1}}temperaturnih titanovih zlitin med dolgotrajno-uporabo
(1) Oksidacijski mehanizem titanovih zlitin pri visokih temperaturah
Zunanji sloj: Porozni TiO₂ (rutil), ki pod termičnim cikliranjem poči in se lomi;
Srednji sloj: Ti₃O₅, pol-prevodni oksid s slabimi zaščitnimi lastnostmi;
Notranji sloj: Ti₂O₃, krhki oksid, ki povzroča krhkost površine in zmanjšuje življenjsko dobo zaradi utrujenosti.
(2) Legiranje in površinske obdelave za večjo odpornost proti oksidaciji
Legiranje silicija in aluminija: Silicij (0,3–0,5 mas. %) v razredih, kot je Ti-1100, tvori neprekinjeno plast SiO₂ pod filmom TiO₂, ki deluje kot difuzijska ovira za kisik in zmanjša stopnjo rasti oksida za 50–60 % pri 600 stopinjah. Aluminij (7–8 mas. %) poveča vsebnost aluminija v oksidni plasti in tvori mešano lestvico Al₂O3-TiO₂ z višjim tališčem in nižjo prepustnostjo kisika kot čisti TiO₂.
Dodatki kroma in niobija: Krom (1–2 mas. %) izboljša oprijem oksida z zmanjšanjem neusklajenosti toplotnega raztezanja med plastjo oksida in substratom, medtem ko niobij (3–5 mas. %) stabilizira rutilno fazo TiO₂ in zavira nastajanje razpok v oksidni lestvici.
Površinski premazi: Za uporabo pri ultra-visokih-temperaturah (550–700 stopinj) so visoko{4}}temperaturne titanove zlitine pogosto prevlečene zaluminidne prevleke(npr. paket-cementirani Al-Ti premazi) ozkeramične prevleke(npr. z itrijem-stabiliziran cirkonij, YSZ). Te prevleke tvorijo gosto Al₂O₃ ali keramično pregrado, ki zmanjša stopnjo oksidacije za 90 % pri 650 stopinjah v primerjavi z neprevlečenimi zlitinami. Ti-1100, prevlečen z-aluminidom, na primer poveča težo<0.1 mg/cm² after 1000 hours at 600°C, vs. 1.2 mg/cm² for uncoated Ti-1100.
(3) Dolgotrajne-omejitve učinkovitosti oksidacije
Neprevlečene zlitine: večina neprevlečenih visokotemperaturnih titanovih zlitin lahko ohrani sprejemljivo odpornost proti oksidaciji do 550–600 stopinj za 10.000 ur, pri čemer je skupna debelina oksida omejena 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.
Prevlečene zlitine: Z aluminidnimi ali keramičnimi prevlekami se zgornja temperaturna meja razširi na 650–700 stopinj za dolgotrajno-uporabo (10.000 ur) z debelino 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.
