W jaki sposób pierwiastki stopowe zwiększają wytrzymałość stopów tytanu?

Stopy tytanu są wzmacniane poprzez dodanie wybranych pierwiastków, które zmieniają właściwości roztworu stałego, stabilność faz, procesy wytrącania oraz reakcję na obróbkę cieplną. Aluminium wzmacnia przede wszystkim fazę α; wanad i molibden stabilizują i wzmacniają fazę β tytanu, natomiast cyna i cyrkon wzmacniają stopy żaroodporne. W poniższych sekcjach porównano te efekty z działaniem manganu, chromu, krzemu, miedzi oraz pierwiastków ziem rzadkich.

Aluminium

Prawie każdy stop tytanu, z wyjątkiem tytanu czystego handlowo, zawiera aluminium, głównie w celu wzmocnienia poprzez roztwór stały. Każdy 1% aluminium w masie zwiększa wytrzymałość na rozciąganie w temperaturze pokojowej o około 50 MPa. Rozpuszczalność aluminium w tytanie jest ograniczona do 7,5%. Powyżej tej granicy uporządkowany Ti₃Al (α₂) powoduje zmiany struktury i negatywnie wpływa na plastyczność, wytrzymałość oraz odporność na korozję naprężeniową, dlatego w przypadku aluminium zazwyczaj stosuje się wyłącznie gatunek 7%.

Aluminium poprawia odporność na utlenianie, zmniejsza gęstość i podnosi temperaturę rekrystalizacji. Dodatek 5% może zwiększyć temperaturę rekrystalizacji z 600 °C dla czystego tytanu do 800 °C. Wzmacnia on wiązania atomowe w roztworze stałym tytanu i poprawia wytrzymałość w wysokich temperaturach. W stopach β poddawanych obróbce cieplnej około 3% aluminium może hamować powstawanie kruchej fazy ω, powstającej w wyniku rozkładu metastabilnej fazy β. Aluminium zwiększa również rozpuszczalność wodoru w α-Ti, zmniejszając podatność na kruchość związaną z wodorkami.

Cyrkon i cyna

Cynk, podobnie jak cyrkon, jest pierwiastkiem neutralnym i skutecznie wzmacnia roztwór stały α bez znaczącego obniżania plastyczności. Poprawia odporność na pełzanie i odgrywa ważną rolę w stopach tytanu odpornych na wysokie temperatury.

Cyrkon wykazuje wysoką rozpuszczalność zarówno w α-Ti, jak i β-Ti i jest zazwyczaj dodawany wraz z innymi pierwiastkami w celu dodatkowego wzmocnienia. Cyrkon i cyna przyczyniają się do tego, że stopy żaroodporne typu single-α osiągają lepszą odporność na wysoką temperaturę i pełzanie przy mniejszej utracie plastyczności niż aluminium, co zapewnia dobrą formowalność i spawalność. Cynę zmniejsza również podatność na kruchość wodorową. Przy nadmiernym stężeniu uporządkowany Ti₃Sn powoduje odkształcenia i zmniejsza plastyczność oraz stabilność termiczną.

Wanad i molibden

Wanad jest pierwiastkiem izomorficznym względem β, charakteryzującym się nieograniczoną rozpuszczalnością w tytanie β oraz pewną rozpuszczalnością w tytanie α. Wzmacnia materiał skuteczniej niż cyna, zachowując jednocześnie dobrą plastyczność, a ponadto może poprawiać odporność na pełzanie i stabilność termiczną.

Molibden wykazuje również izomorfizm β. Zapewnia on wzmocnienie w postaci roztworu stałego, poprawia obrabialność na gorąco, odporność na pełzanie i stabilność termiczną, a także zmniejsza skłonność do kruchości wodorowej. Wanad i molibden są najczęściej stosowanymi stabilizatorami fazy β. Wzmacniają one fazę β, obniżają temperaturę przemiany, zwiększają hartowność oraz poprawiają reakcję na obróbkę cieplną. Stopy tytanu zawierające którykolwiek z tych pierwiastków nie ulegają reakcji eutektoidalnej i zachowują dobrą stabilność strukturalną w wysokich temperaturach. Sam wanad zapewnia odporność na pełzanie jedynie do około 400°C. Molibden jest skuteczniejszy, ale zwiększa gęstość, a także poprawia odporność na korozję, zwłaszcza na korozję szczelinową w roztworach chlorków.

Mangan i chrom

Mangan i chrom znacznie wzmacniają i stabilizują fazę β oraz charakteryzują się mniejszą gęstością niż molibden czy wolfram. Są one szeroko stosowane w wysokowytrzymałych, metastabilnych stopach β. Ich powolne reakcje eutektoidalne z tytanem mogą obniżać długoterminową stabilność w wysokich temperaturach oraz odporność na pełzanie. Dodanie pierwiastka izomorficznego względem fazy β, zwłaszcza molibdenu, hamuje te reakcje.

Miedź

Część miedzi rozpuszcza się w fazie α, a część tworzy TiCu₂, poprawiając stabilność termiczną i wytrzymałość w wysokich temperaturach. Powyżej granicy rozpuszczalności starzenie może prowadzić do wzmocnienia dyspersyjnego i znacznie zwiększyć wytrzymałość w temperaturze pokojowej oraz w podwyższonych temperaturach.

Krzem

Krzem poprawia wytrzymałość w wysokich temperaturach. Przy zawartości masowej powyżej około 0,2% tworzy Ti₅Si₃ w stopach niezawierających cyrkonu oraz (Ti₂Zr)₅Si₃ w stopach zawierających cyrkon. Krzemki te poprawiają odporność na pełzanie, ale zmniejszają stabilność termiczną. Wysoka temperatura eutektoidalna krzemu, wynosząca 860 °C, sprzyja odporności na wysoką temperaturę, dlatego stopy żaroodporne często zawierają około 0,25% krzemu, nie przekraczając przy tym maksymalnej rozpuszczalności w fazie α. Ponieważ atomy krzemu i tytanu znacznie różnią się wielkością, krzem ulega segregacji w miejscach dyslokacji i hamuje ich ruch. Zwiększa on również rozpuszczalność wodoru w fazie β oraz zmniejsza skłonność do kruchości wodorowej.

Pierwiastki ziem rzadkich

Dodatki pierwiastków ziem rzadkich poprawiają odporność na wysoką temperaturę i stabilność termiczną. W wyniku utleniania wewnętrznego powstają drobne, stabilne cząstki pierwiastków ziem rzadkich_xO_y cząstki, które zapewniają wzmocnienie dyspersyjne. Proces ten obniża stężenie tlenu w matrycy i powoduje przenikanie cyny do tlenków metali ziem rzadkich, co pomaga ograniczyć kruchość fazy α₂ opady. Pierwiastki ziem rzadkich również silnie hamują wzrost ziaren β i powodują ich rozdrobnienie, poprawiając tym samym ogólne właściwości materiału.

Rozwój stopów tytanu zmierza w kierunku wysoko stopowanych układów wieloskładnikowych. Dodatki stopowe zapewniają wzmocnienie poprzez roztwór stały, stabilizują fazy α lub β, poprawiają reakcję na obróbkę cieplną, ograniczają szkodliwe skutki oraz zwiększają odporność na wysoką temperaturę i korozję.