Ιδιότητες και ανάλυση τιτανίου: Αντοχή στη θερμότητα, μαγνητισμός και αντοχή

Αντίσταση στη θερμότητα και χρήση υψηλής- θερμοκρασίας

Το τιτάνιο ξεχωρίζει πρώτα για το πόση θερμότητα ανέχεται ενώ διατηρεί χρήσιμες μηχανικές ιδιότητες. Το αλουμίνιο χάνει την αρχική του απόδοση στους περίπου 150 βαθμούς Κελσίου και ο συνηθισμένος ανοξείδωτος χάλυβας στους 310 βαθμούς Κελσίου περίπου, ενώ τα κράματα τιτανίου εξακολουθούν να διατηρούν καλές μηχανικές ιδιότητες στην περιοχή 500 έως 600 βαθμών Κελσίου. Αυτό το κενό εξηγεί τη θέση του υλικού στο θερμό πλαίσιο του αεροσκάφους και τις δομές του κινητήρα.

Μια πρακτική απεικόνιση είναι η ταχύτητα πτήσης. Όταν ένα αεροσκάφος φτάσει περίπου τα 2,7 Mach, η επιφάνεια της δομής ανεβαίνει στους 230 βαθμούς Κελσίου, ένα επίπεδο στο οποίο δεν μπορούν πλέον να χρησιμοποιηθούν κράματα αλουμινίου και μαγνησίου, ενώ τα κράματα τιτανίου εξακολουθούν να πληρούν τις απαιτήσεις. Η αντίσταση στη θερμότητα αυτής της τάξης είναι ο λόγος που το τιτάνιο επιλέγεται για δίσκους και λεπίδες συμπιεστή κινητήρων αεροσκαφών και για το δέρμα της πίσω ατράκτου.

Χαμηλή-Απόδοση θερμοκρασίας

Το τιτάνιο συμπεριφέρεται επίσης καλά στο άλλο άκρο της κλίμακας θερμοκρασίας. Ορισμένα κράματα τιτανίου, συμπεριλαμβανομένης της εξαιρετικά-χαμηλής-ενδιάμεσης έκδοσης του Ti-5Al-2,5Sn, αποκτούν αντοχή καθώς πέφτει η θερμοκρασία ενώ χάνουν σχετικά μικρή πλαστικότητα, ώστε να διατηρούν καλή ολκιμότητα και σκληρότητα στο βαθύ κρύο. Τέτοιοι βαθμοί χρησιμοποιούνται για υλικό πυραυλοκινητήρων υγρού υδρογόνου και υγρού οξυγόνου και για δοχεία και δεξαμενές αποθήκευσης εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας σε πλήρωμα διαστημόπλοια, όπου ένα υλικό δεν πρέπει να γίνει εύθραυστο.

Μαγνητισμός και μη-Μαγνητικές εφαρμογές

Το ίδιο το τιτάνιο δεν είναι μαγνητικό και τα κράματα τιτανίου που δεν περιέχουν σίδηρο είναι επίσης μη-μαγνητικά, επομένως το υλικό αποφεύγει τις μαγνητικές παρεμβολές κατά τη λειτουργία. Ένα κύτος πίεσης υποβρυχίου κατασκευασμένο από μη-μαγνητικό τιτάνιο δεν ενεργοποιεί νάρκες μαγνητικής-επιρροής, που είναι ένας λόγος που το υλικό έχει υιοθετηθεί για ναυτικές κατασκευές.

Πέρα από την άμυνα, την πολεμική αεροπορία και την κατασκευή όπλων, το μη{0}}μαγνητικό και το μη ανθεκτικό στη διάβρωση-τιτάνιο χρησιμοποιείται στη σιδηροδρομική μηχανική, τις επικοινωνίες, την αεροδιαστημική και την αεροπορία, τα εργαστήρια υψηλής{2} τεχνολογίας, τα νοσοκομεία, την ιατρική, την πυρηνική βιομηχανία, τα συστήματα μαγνητικού συντονισμού, τα μαγνητικά φασματόμετρα υψηλού{1}μαγνητικού πεδίου3}. Οι βιομηχανικοί χρήστες περιλαμβάνουν έργα εξωτερικού χώρου, κατασκευές προβλήτας, καταδυτικό εξοπλισμό, χημικά εργοστάσια, εξοπλισμό πυρόσβεσης, αφαλάτωση θαλασσινού νερού, ναυπηγική βιομηχανία, υπεράκτιες πλατφόρμες πετρελαίου και φυσικού αερίου και τη βιομηχανία αλατιού.

Θερμική αγωγιμότητα, μέτρο ελαστικότητας και αντοχή

Το τιτάνιο μεταφέρει τη θερμότητα αργά. Η θερμική του αγωγιμότητα είναι μόνο το ένα πέμπτο του χάλυβα, το ένα δέκατο τρίτο του αλουμινίου και το ένα είκοσι-πέμπτο του χαλκού, επομένως το υλικό θερμαίνεται γρήγορα στην επιφάνεια αλλά μεταφέρει τη θερμότητα αργά. Η κακή αγωγιμότητα είναι ένα μειονέκτημα στην κοπή και τη συγκόλληση επειδή η θερμότητα συγκεντρώνεται τοπικά, ωστόσο είναι ένα πλεονέκτημα όπου απαιτείται φράγμα χαμηλής{3} αγωγιμότητας.

Το μέτρο ελαστικότητας του τιτανίου είναι περίπου το μισό από αυτό του χάλυβα. Ως δομικό υλικό, αυτή η χαμηλή ακαμψία αποτελεί περιορισμό, επειδή ένα μέλος τιτανίου του ίδιου τμήματος θα κάμπτεται περισσότερο υπό το φορτίο, επομένως η ακαμψία παρά η αντοχή διέπει συχνά το σχέδιο.

Η δύναμη είναι ωστόσο υψηλή. Το κράμα Ti-6Al-4V φτάνει σε αντοχή εφελκυσμού περίπου 960 MPa με αντοχή διαρροής περίπου 892 MPa, μια διαφορά μόνο περίπου 58 MPa μεταξύ των δύο. Ένα τόσο μικρό περιθώριο μεταξύ απόδοσης και τελικής αντοχής σημαίνει ότι το υλικό έχει περιορισμένη ικανότητα να ανακατανέμει την τοπική υπερφόρτωση και είναι επίσης η προέλευση της έντονης επαναφοράς ελατηρίου που πρέπει να ξεπεραστεί κατά τη διαμόρφωση και τη μηχανική κατεργασία.

Απόσβεση, Προστασία από Οξείδωση και Τρεις Ειδικές Λειτουργίες

Το τιτάνιο έχει χαμηλή ικανότητα απόσβεσης. Χτυπήστε με ίση δύναμη ένα κουδούνι από τιτάνιο και ένα κουδούνι ίδιου σχήματος και μεγέθους από χαλκό ή χάλυβα και το κουδούνι τιτανίου χτυπά αισθητά περισσότερο, επειδή η ενέργεια που παρέχεται από το χτύπημα δεν διαχέεται εύκολα. Η χαμηλή απόσβεση χρησιμοποιείται σε μουσικά όργανα και σε εφαρμογές όπου η δόνηση επιθυμείται να παραμείνει, ενώ η αντίθετη απαίτηση ισχύει σε κατασκευές όπου η δόνηση πρέπει να κατασταλεί.

Σε υψηλή θερμοκρασία το τιτάνιο συνδέεται ισχυρά με το υδρογόνο και το οξυγόνο, επομένως η οξείδωση και η απορρόφηση του υδρογόνου πρέπει να ελέγχονται. Η συγκόλληση τιτανίου πραγματοποιείται με προστασία αργού για την αποφυγή μόλυνσης. Ο σωλήνας και το φύλλο τιτανίου υποβάλλονται σε θερμική επεξεργασία υπό κενό. Τα σφυρήλατα τιτανίου υποβάλλονται σε θερμική επεξεργασία σε ελεγχόμενη ελαφρώς οξειδωτική ατμόσφαιρα. Η μόλυνση αυτού του είδους ευθραυστεύει το μέταλλο και μειώνει την σκληρότητα των συγκολλημένων αρμών.

Τρεις λειτουργίες διακρίνουν το τιτάνιο και τα κράματά του από τα συνηθισμένα δομικά μέταλλα.

Μνήμη σχήματος.Ένα κράμα Ti{0}}Ni σε κατάλληλη αναλογία επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα σε μια καθορισμένη θερμοκρασία, η οποία είναι το φαινόμενο μνήμης σχήματος. Τέτοια κράματα χρησιμοποιούνται στην αεροδιαστημική, τα πλοία, τα όπλα, τις ιατρικές συσκευές και τους βιομηχανικούς ενεργοποιητές.

Υπεραγωγιμότητα.Όταν ψύχεται προς το απόλυτο μηδέν, το σύρμα που κατασκευάζεται από κράμα Nb-Ti χάνει την ηλεκτρική του αντίσταση και γίνεται υπεραγώγιμο, επομένως ένα μεγάλο ρεύμα περνά χωρίς θέρμανση και χωρίς κατανάλωση ενέργειας.

Απορρόφηση υδρογόνου.Ένα κράμα Ti{0}}Fe σε κατάλληλη αναλογία απορροφά μεγάλες ποσότητες υδρογόνου και μπορεί να το απελευθερώσει ξανά υπό ελεγχόμενες συνθήκες, γεγονός που επιτρέπει την ασφαλή αποθήκευση του υδρογόνου και καθιστά το κράμα υποψήφιο υλικό αποθήκευσης ενέργειας μαζί με κυλίνδρους υψηλής- πίεσης.

Συχνές Ερωτήσεις

Ε: Μέχρι ποια θερμοκρασία διατηρούν τα κράματα τιτανίου καλές μηχανικές ιδιότητες;
Τα κράματα είναι γενικά ακόμα ικανοποιητικά στη ζώνη των 500 έως 600 βαθμών Κελσίου, σε σύγκριση με περίπου 150 βαθμούς Κελσίου για το αλουμίνιο και περίπου 310 βαθμούς Κελσίου για τον συνηθισμένο ανοξείδωτο χάλυβα.

Ε: Είναι το τιτάνιο μαγνητικό;
Όχι. Το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου-ελεύθερα σιδήρου δεν είναι-μαγνητικά, γι' αυτό επιλέγονται για κύτους υποβρυχίων και για εξοπλισμό που πρέπει να αποφεύγει τις μαγνητικές παρεμβολές.

Ε: Γιατί το τιτάνιο επανέρχεται τόσο πολύ κατά τη διαμόρφωση;
Το μέτρο ελαστικότητάς του είναι μόνο το μισό περίπου από εκείνο του χάλυβα και το χάσμα μεταξύ της αντοχής διαρροής και της αντοχής σε εφελκυσμό είναι μικρό, έτσι το υλικό ανακάμπτει ελαστικά όταν απελευθερώνεται το φορτίο διαμόρφωσης.

Ε: Ποιο είναι το μειονέκτημα της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας του τιτανίου;
Η θερμότητα συγκεντρώνεται στην κοπτική άκρη ή στην πισίνα συγκόλλησης αντί να ρέει, γεγονός που αυξάνει τη φθορά του εργαλείου και καθιστά πιο δύσκολο τον έλεγχο της θερμότητας της συγκόλλησης, αν και η ίδια ιδιότητα είναι χρήσιμη ως θερμικό φράγμα.

Ε: Γιατί πρέπει το τιτάνιο να συγκολληθεί κάτω από αδρανές αέριο;
Το τιτάνιο συλλαμβάνει εύκολα οξυγόνο, άζωτο και υδρογόνο όταν είναι ζεστό, και αυτά τα στοιχεία ευθραυστούν τη συγκόλληση και μειώνουν την πλαστικότητα και την σκληρότητά της, επομένως χρησιμοποιείται θωράκιση αργού για να διατηρείται το ζεστό μέταλλο καθαρό.

Ε: Ποιες είναι οι τρεις ειδικές λειτουργίες των κραμάτων τιτανίου;
Διαμορφώστε τη συμπεριφορά της μνήμης όπως βρίσκεται στα κράματα Ti-Ni, την υπεραγωγιμότητα όπως βρίσκεται στα κράματα Nb-Ti και την απορρόφηση υδρογόνου όπως βρίσκεται στα κράματα Ti-Fe.