1. Komercialno čist (CP) titan razreda 3 in 4 sta opredeljena z naraščajočo vsebnostjo kisika in železa. Kako se ta vsebina intersticijskih elementov neposredno prevede v njihove mehanske lastnosti in kakšen je primarni kompromis-zmogljivosti med večjo trdnostjo in sposobnostjo izdelave?
Mehanske lastnosti komercialno čistega (CP) titana ne določajo zlitine v tradicionalnem smislu, temveč koncentracija intersticijskih elementov-predvsem kisika (O) in sekundarno železa (Fe). Ti majhni atomi se prilegajo v prostore med večjimi atomi titana v kristalni mreži in ustvarjajo napetost mreže.
Stopnja 3 (UNS R50500): Vsebuje nižje ravni kisika in železa. Velja za srednje{3}}trden CP titan.
Razred 4 (UNS R50700): ima najvišjo dovoljeno vsebnost kisika in železa med razredi CP, zaradi česar je najmočnejši.
Neposredni prevod v mehanske lastnosti:
Povečana vmesna vsebnost deluje kot močan utrjevalec-raztopine. Ko se ravni kisika in železa dvignejo od Gr3 do Gr4:
Povečanje natezne trdnosti in tečenja: deformacija mreže, ki jo povzročajo intersticiji, ovira gibanje dislokacij (napak v kristalni strukturi), zaradi česar je kovina težje plastično deformirati. Posledica tega je večja trdnost.
Zmanjšanje duktilnosti in lomne žilavosti: to je ključni kompromis-. Ista deformacija rešetke, ki zagotavlja trdnost, tudi zmanjša sposobnost materiala za plastično deformacijo pred zlomom. Posledično ima razred 4 večjo trdnost, vendar nižjo duktilnost (raztezek) in udarno žilavost v primerjavi z razredom 3.
Kompromis glede izdelave-:
To zmanjšanje duktilnosti neposredno vpliva na sposobnost izdelave:
Stopnja 3 je bolj prizanesljiva za hladno krivljenje, sekanje in druge operacije oblikovanja. Njegova višja duktilnost mu omogoča, da prenese večje deformacije brez razpok.
Razred 4, čeprav je še oblikovan, zahteva bolj previdno ravnanje med izdelavo. Postopki, kot je hladno upogibanje, bodo morda potrebovali večje upogibne radije, pri agresivni obdelavi materiala pa obstaja večje tveganje za razpoke. Pogosto ima koristi od tehnik vročega oblikovanja za kompleksne oblike.
Če povzamemo: izberite stopnjo 3 za aplikacije, ki zahtevajo optimalno sposobnost oblikovanja in žilavost; izberite razred 4, ko je potrebna največja trdnost CP titana in se lahko postopek izdelave prilagodi njegovi nižji duktilnosti.
2. Za cevni sistem za hlajenje morske vode je CP Titanium (Gr2/Gr3) pogosto izbran namesto nerjavnih jekel. Katera je temeljna elektrokemična lastnost, zaradi katere je titan praktično odporen na luknjičasto in razpokano korozijo v kloridih, tudi pri povišanih temperaturah?
Temeljna lastnost titana je izjemno visoka odpornost na lokalno korozijo, ki jo poganja narava njegovega pasivnega filma.
Pasivni film: po izpostavitvi zraku ali vlagi titan takoj tvori gosto, oprijemo in neprekinjeno zaščitno plast titanovega dioksida (TiO₂). Ta oksidni film je izjemno stabilen in zelo netopen v številnih okoljih, vključno s-slanicami, bogatimi s klori.
Razgradni potencial (potencial pittinga): V elektrokemičnem smislu ima vsaka kovina značilen "potencial pittinga" (E_pit) v danem okolju. Jamičasta korozija se začne, ko uporabljeni potencial preseže to vrednost. Potencial luknjanja titana v kloridnih raztopinah je izredno visok, pogosto nad potencialom razgradnje vode (nastajanje kisika). To pomeni, da v večini praktičnih aplikacij z gazirano morsko vodo elektrokemični potencial nikoli ne doseže dovolj visoke ravni, da bi razbil film TiO₂.
Repasivacija: Tudi če je film mehansko poškodovan (npr. zaradi prask ali abrazivnih delcev), se skoraj v trenutku preoblikuje v prisotnosti vode ali zraka in zaceli razpoko, preden lahko pride do znatne korozije.
To vedenje je v ostrem nasprotju z nerjavnimi jekli. Medtem ko nerjavna jekla tvorijo tudi pasivni film (Cr₂O3), je dovzetna za razgradnjo s kloridnimi ioni pri veliko nižjih potencialih, kar vodi do luknjičaste in razpokane korozije, zlasti v topli, stoječi morski vodi. Titanov neprepustni oksidni film omogoča, da je "go-" material za storitve morske vode, toplotne izmenjevalnike in aplikacije na morju, kjer nerjavna jekla ne bi delovala.
3. Cevovodi Ti-6Al-4V (razred 5) so določeni za visokotlačne letalske in vesoljske sisteme. Katere so dvo{8}}fazne mikrostrukturne komponente (alfa in beta) in kako ta mikrostruktura zagotavlja vrhunsko razmerje med trdnostjo in težo ter odpornost na utrujenost v primerjavi z razredi CP?
Stopnja 5 je zlitina alfa-beta, kar pomeni, da je njena mikrostruktura pri sobni temperaturi sestavljena iz mešanice dveh faz:
Alfa ( ) faza: heksagonalna tesno zapakirana (HCP) kristalna struktura. Ta faza je stabilna, zagotavlja dobro odpornost proti lezenju in določa osnovno trdnost in odpornost proti koroziji zlitine.
Beta ( ) faza: kubična (BCC) kristalna struktura-osredotočena na telo. Ta faza zagotavlja izboljšano duktilnost, sposobnost oblikovanja in, kar je bistveno, sposobnost utrjevanja zlitine s toplotno obdelavo.
Vrhunsko razmerje med-trdnostjo in-težo:
Dodatek 6 % aluminija (alfa stabilizator) in 4 % vanadija (beta stabilizator) ustvari veliko močnejšo trdno raztopino kot intersticijska ojačitev v titanu CP.
Še pomembneje je, da je razred 5 mogoče toplotno -obdelati (obdelati z raztopino in starati). Ta proces obori drobne delce alfa faze znotraj matrice beta faze, kar ustvarja ogromne notranje ovire za gibanje dislokacij. To precipitacijsko utrjevanje lahko poveča natezno trdnost stopnje 5 na več kot 1000 MPa v primerjavi z največ ~550 MPa za titan stopnje 4 CP.
To znatno povečanje trdnosti je doseženo le z minimalnim povečanjem gostote. Posledično razmerje med trdnostjo-in-težo je najvišje med tremi razredi, zaradi česar je idealen za-težavno kritične letalske hidravlične cevi in sisteme goriva.
Izboljšana učinkovitost pri utrujenosti:
Odpoved zaradi utrujenosti je posledica ciklične obremenitve. Fina, razpršena dvo-fazna mikrostruktura pravilno toplotno{2}}obdelane cevi razreda 5 je zelo učinkovita pri:
Zadrževanje mikro{0}}razpok: vmesnik med alfa in beta fazo lahko zatopi ali ustavi rastočo utrujenostno razpoko.
Porazdelitev napetosti: mešanica močnejše, bolj krhke faze (alfa) s tršo, bolj duktilno fazo (beta) ustvari kompozitu-podobno strukturo, ki bolje prenaša ciklične obremenitve.
CP titan s svojo eno-fazno (vse alfa) mikrostrukturo ima dobro odpornost proti utrujenosti, vendar se ne more kosati z optimizirano-finozrnato alfa-beta strukturo razreda 5 za najzahtevnejše visoko-ciklične aplikacije utrujenosti.
4. Varjenje je kritičen postopek spajanja titanovih cevi. Katera je najpomembnejša postopkovna zahteva med varjenjem vseh vrst titana in katera posebna napaka se pojavi, če ta zahteva ni izpolnjena?
Najpomembnejša edina zahteva je uporaba izjemno strogega in -zaščitnega sistema za inertne pline visoke čistosti za zaščito staljene varilne bazena in sosednje toplotno-prizadete cone (HAZ) pred atmosfersko kontaminacijo.
Titan ima zelo visoko afiniteto za kisik, dušik in vodik, zlasti pri temperaturah nad 500 stopinj (930 stopinj F). Če ni zaščiten, bo zlahka absorbiral te elemente iz zraka.
Specifična napaka: Krhkost
Absorpcija teh intersticijskih elementov povzroči močno krhkost zvarnega spoja, ki se kaže kot:
Kontaminacija s kisikom in dušikom: Ti elementi se intersticijsko raztopijo v mreži titana, kar povzroči dramatično povečanje trdnosti in katastrofalno izgubo duktilnosti in žilavosti. Zvar in razbarvana HAZ (ki je videti modra, vijolična ali bela) postaneta trda in krhka.
Kontaminacija z vodikom: vodik lahko povzroči nastanek krhkih hidridov v mikrostrukturi, kar dodatno zmanjša žilavost loma in lahko povzroči zapoznele razpoke v urah ali dneh po varjenju.
Praksa zaščite:
To zahteva veliko strožji protokol zaščite kot za nerjavno jeklo:
Primarna zaščita: argon visoke-čistosti (ali mešanica helija in argona) iz varilnega gorilnika.
Sledeča zaščita: Podaljšan tok inertnega plina preko vročega, utrjujočega zvara, dokler se ne ohladi pod ~400 stopinj.
Povratno čiščenje: Notranjost cevi je treba očistiti z argonom, da zaščitite koren zvara pred oksidacijo. Čistost notranje atmosfere se pogosto preveri z merilnikom kisika pred začetkom varjenja.
Zvar, ki kaže kakršno koli razbarvanje, ki presega svetlo slamnato barvo, se šteje za potencialno onesnaženo in se lahko zavrne, saj razbarvanje kaže na nastanek oksida in intersticijski prevzem.
5. V kemični predelovalni industriji se je treba za ravnanje z vročo, oksidirajočo kislino odločiti med cevmi razreda CP 4 in razreda 5. Katera ključna lastnost odpornosti proti koroziji razlikuje ta dva in zakaj bi lahko bil "šibkejši" razred CP primernejša izbira?
Ključna lastnost razlikovanja je splošna odpornost proti koroziji v oksidativnih medijih in komercialno čist titan (CP) pogosto prekaša razred 5 v teh specifičnih okoljih.
Razlog: galvanska korozija znotraj mikrostrukture
CP Titanium (stopnje 1-4): ima enofazno (alfa) mikrostrukturo. Je homogen, saj imajo vsa zrna enak elektrokemijski potencial. Ta homogenost spodbuja nastanek enakomernega, stabilnega pasivnega filma TiO₂.
Stopnja 5 (Ti-6Al-4V): ima dvo-fazno (alfa-beta) mikrostrukturo. Alfa in beta faza imata nekoliko drugačno kemijsko sestavo in zato nekoliko različne elektrokemijske potenciale. To ustvarja nevarnost mikrogalvanske korozije v HAZ zvara ali v osnovni kovini pod določenimi pogoji.
V močno oksidirajoči kislini (npr. dušikovi kislini, kromovi kislini) se potencial premakne v območje, kjer je film TiO₂ stabilen. Pri homogenem CP titanu to povzroči odlično, enakomerno pasivnost. Vendar pa je v razredu 5 manj-plemenita beta faza lahko selektivno napadena na alfa-beta mejah, kar vodi do prednostne korozije. Aluminij v razredu 5 lahko tudi zmanjša svojo odpornost proti koroziji v nekaterih alkalijah.
Zakaj je "šibkejši" razred CP pogosto boljša izbira:
Čeprav je razred 5 močnejši, njegova trdnost ni vedno glavna zahteva za stacionarno cev. Pri kemični procesni cevi, ki deluje z vročimi, oksidirajočimi kislinami, je glavna skrb enakomerna odpornost proti koroziji in dolgoročna-neoporečnost. CP Grade 4 zagotavlja zadostno mehansko trdnost za večino cevovodov in nudi vrhunsko, bolj predvidljivo in zanesljivejšo odpornost proti koroziji v teh specifičnih okoljih zaradi svoje mikrostrukturne homogenosti.
Navodilo za izbiro: pri ne{0}}oksidirajočih ali redukcijskih kislinah lahko obe delujeta slabo. Toda za oksidativna okolja je CP razred 4 običajno bolj-odporen proti koroziji in zato varnejša izbira. Razred 5 je rezerviran za aplikacije, pri katerih sta njegovo vrhunsko razmerje-z-težo in odpornost proti utrujenosti absolutno potrebna, na primer v visoko-tlačnih ali vibrirajočih sistemih, pod pogojem, da je preverjena njegova korozijska učinkovitost v določenem toku procesa.
