Μηχανικές ιδιότητες τιτανίου βαθμού 5 (Ti-6Al-4V): Πλήρης αναφορά

Τι είναι το Titanium Grade 5;

Το τιτάνιο βαθμού 5, που ονομάζεται Ti-6Al-4V και UNS R56400, είναι ένα κράμα τιτανίου άλφα-βήτα που περιέχει περίπου 6% αλουμίνιο και 4% βανάδιο. Οι καθορισμένες περιοχές ανά ASTM B348 είναι αλουμίνιο 5,5-6,75% και βανάδιο 3,5-4,5%. Το αλουμίνιο σταθεροποιεί την άλφα φάση και αυξάνει την αντοχή και την αντίσταση ερπυσμού, ενώ το βανάδιο σταθεροποιεί τη φάση βήτα, βελτιώνοντας την εργασιμότητα σε θερμό και επιτρέποντας τη θερμική επεξεργασία. Ο βαθμός 5 αντιπροσωπεύει περίπου το ήμισυ του συνόλου του τιτανίου που καταναλώνεται παγκοσμίως, επειδή παρέχει την καλύτερη πρακτική ισορροπία αντοχής, βάρους, αντοχής στη διάβρωση και δυνατότητα κατασκευής για εξαρτήματα μηχανικής.

Βασικές μηχανικές ιδιότητες με μια ματιά

Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τις μηχανικές ιδιότητες θερμοκρασίας δωματίου-της ανόπτησης ράβδου τιτανίου, πλάκας και σφυρηλάτησης βαθμού 5, που είναι η συνθήκη αναφοράς για τις περισσότερες εργασίες σχεδιασμού. Το υλικό παρέχεται συνήθως σε ASTM B348 (μπάρα), ASTM B265 (πλάκα και φύλλο) ή AMS 4911 (αεροδιαστημική πλάκα).

Οι ανοπτημένες τιμές είναι η σωστή αναφορά για την προμήθεια. Μετά την επεξεργασία του διαλύματος και τη γήρανση, η αντοχή σε εφελκυσμό μπορεί να αυξηθεί πάνω από 1100 MPa, αλλά η ολκιμότητα και η αντοχή σε θραύση μειώνονται. Η βήτα ανόπτηση βελτιώνει την αντοχή σε θραύση με κάποιο κόστος της τελικής αντοχής, επομένως η διαδρομή θερμικής-επεξεργασίας θα πρέπει να ταιριάζει με την απαίτηση σέρβις.

Αντοχή, σκληρότητα και θερμική επεξεργασία

Η αντοχή σε εφελκυσμό και διαρροή είναι τα πρώτα ακίνητα που ελέγχουν οι αγοραστές. Για ανοπτημένη ράβδο, η ελάχιστη αντοχή εφελκυσμού ASTM B348 είναι 895 MPa και η ελάχιστη αντοχή διαρροής είναι 828 MPa. τυπικές δοκιμές υλικού μύλου στην περιοχή εφελκυσμού 950 MPa και απόδοση 880 MPa με επιμήκυνση 12-14%. Η σκληρότητα είναι συνήθως 30-36 HRC, γεγονός που παρέχει καλή αντοχή στη φθορά και την τοπική παραμόρφωση σε συνδετήρες με σπείρωμα, δακτυλίους και επιφάνειες ρουλεμάν. Στην κατάσταση STA, η σκληρότητα μπορεί να φτάσει το ανώτερο HRC της δεκαετίας του '30, γι' αυτό οι συνδετήρες αεροδιαστημικής και τα εξαρτήματα υψηλού φορτίου καθορίζονται συνήθως στην κατάσταση επεξεργασίας με διάλυμα και παλαίωσης.

Επειδή ο βαθμός 5 είναι ένα κράμα άλφα-βήτα, οι τελικές του ιδιότητες εξαρτώνται από το ιστορικό επεξεργασίας. Μια λεπτή, ισοαξονισμένη μικροδομή άλφα-συν-βήτα από την ανόπτηση μύλου δίνει τον καλύτερο συνδυασμό αντοχής και ολκιμότητας, ενώ μια δομή Widmanstatten από την επεξεργασία βήτα βελτιώνει την αντοχή σε ερπυσμό και θραύση για εξυπηρέτηση σε υψηλές{{5} θερμοκρασίες.

Αντοχή στη διάβρωση Τιτανίου 5ου βαθμού

Το τιτάνιο 5 είναι ανθεκτικό στη διάβρωση επειδή σχηματίζει ένα σταθερό, αυτοεπιδιορθούμενο φιλμ οξειδίου παρουσία οξυγόνου ή νερού. Η μεμβράνη καθιστά το κράμα ανθεκτικό στο θαλασσινό νερό, τα οξειδωτικά οξέα, τα διαλύματα χλωρίου και τις περισσότερες βιομηχανικές ατμόσφαιρες, επομένως σπάνια απαιτείται προστασία με επίστρωση ή βαφή. Σε θαλάσσια περιβάλλοντα, το Ti-6Al-4V είναι ουσιαστικά απρόσβλητο σε ρωγμές από διάβρωση και διάβρωση λόγω καταπόνησης, γεγονός που εξηγεί τη μεγάλη διάρκεια ζωής του σε υπεράκτιο εξοπλισμό και εναλλάκτες θερμότητας θαλασσινού νερού. Οι κύριοι περιορισμοί είναι τα αναγωγικά οξέα, το υδροφθορικό οξύ και τα μέσα που περιέχουν φθόριο, όπου το παθητικό φιλμ διασπάται. Αυτές οι συνθήκες απαιτούν δοκιμή διάβρωσης πριν από την επιλογή.

Συγκόλληση και Κατασκευή

Το τιτάνιο 5 βαθμού συγκόλλησης απαιτεί αυστηρή θωράκιση επειδή το κράμα αντιδρά με οξυγόνο, άζωτο και υδρογόνο πάνω από περίπου 500 C, θραύοντας τη συγκόλληση. Η συγκόλληση τόξου με αέριο βολφραμίου (GTAW) με οπίσθια και οπίσθια θωράκιση αργού υψηλής καθαρότητας-ή συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων στο κενό είναι οι τυπικές διαδικασίες. Η είσοδος θερμότητας πρέπει να ελέγχεται για να ελαχιστοποιηθεί η ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα και να αποφευχθεί ο σχηματισμός άλφα-περίπτωσης. Το μέταλλο πλήρωσης ανά AWS A5.16 (ERTi-5) χρησιμοποιείται για την αντιστοίχιση της σύνθεσης. Με σύγχρονο εξοπλισμό, η συγκόλληση με λέιζερ και η κατασκευή προσθέτων χρησιμοποιούνται επίσης για την παραγωγή πολύπλοκων εξαρτημάτων Ti-6Al-4V για αεροδιαστημικές και ιατρικές εφαρμογές.

Τυπικές Εφαρμογές

Αεροδιαστημική: δομές σκελετού αεροσκάφους, εξαρτήματα προσγείωσης-, μέρη κινητήρα όπως λεπίδες και δίσκοι, συνδετήρες

Ιατρικά: χειρουργικά εργαλεία και συσκευές μη-εμφυτευμάτων. τα μόνιμα εμφυτεύματα χρησιμοποιούν συνήθως την παραλλαγή επιπλέον-χαμηλού-διάμεσου βαθμού 23 ανά ASTM F136

Αυτοκίνητο και μηχανοκίνητος αθλητισμός: βαλβίδες, μπιέλες, ελατήρια ανάρτησης, εξαρτήματα εξάτμισης

Ναυτικά και υπεράκτια: άξονες προπέλας, εξαρτήματα αντλίας θαλασσινού νερού, υποθαλάσσιο υλικό

Χημική επεξεργασία: αντλίες, βαλβίδες, σωλήνες εναλλάκτη θερμότητας και δοχεία σε υπηρεσία χλωρίου

Αθλητικά είδη: σκελετοί ποδηλάτων, κεφαλές μπαστούνι του γκολφ, καταδυτικός εξοπλισμός

Συχνές Ερωτήσεις

1. Είναι το τιτάνιο Grade 5 ισχυρότερο από το Grade 2 εμπορικά καθαρό τιτάνιο;

Ναί. Ο βαθμός 5 έχει ελάχιστη αντοχή εφελκυσμού 895 MPa ανά ASTM B348, περίπου τρεις φορές το ελάχιστο 345 MPa του ανόπτησης Βαθμού 2. Το αντίτιμο-είναι χαμηλότερη ολκιμότητα και μορφοποίηση, επομένως ο βαθμός 2 παραμένει προτιμότερος όπου κυριαρχεί η ψυχρή διαμόρφωση.

2. Ποια είναι η αντοχή σε εφελκυσμό του ανοπτημένου Ti-6Al-4V;

Τυπικά 895-950 MPa για ανόπτηση ράβδου και πλάκας, με ελάχιστο όριο 895 MPa ανά ASTM B348. Μετά την επεξεργασία του διαλύματος και τη γήρανση, μπορούν να επιτευχθούν τιμές άνω των 1100 MPa.

3. Μπορεί το τιτάνιο βαθμού 5 να υποστεί θερμική επεξεργασία;

Ναί. Η επεξεργασία διαλύματος ακολουθούμενη από γήρανση αυξάνει τη δύναμη και τη σκληρότητα, ενώ η ανόπτηση αποκαθιστά την ολκιμότητα. Η βήτα ανόπτηση βελτιώνει την αντοχή σε θραύση. Η θερμική επεξεργασία πρέπει να ακολουθεί κατάλληλους κύκλους, επειδή η απόκριση εξαρτάται από το μέγεθος του τμήματος και την προηγούμενη επεξεργασία.

4. Γιατί το τιτάνιο βαθμού 5 χρησιμοποιείται σε ιατρικές συσκευές αλλά όχι πάντα σε εμφυτεύματα;

Ο βαθμός 5 είναι βιοσυμβατός και χρησιμοποιείται ευρέως σε χειρουργικά εργαλεία και συσκευές τραυματισμού. Για τα μόνιμα εμφυτεύματα, προτιμάται η έκδοση ELI (Grade 23, UNS R56401), επειδή η χαμηλότερη περιεκτικότητα σε οξυγόνο βελτιώνει την αντοχή στο κάταγμα και την αντοχή στην κόπωση στο ανθρώπινο σώμα.

5. Πώς συγκρίνεται η πυκνότητα του βαθμού 5 με τον χάλυβα;

Το τιτάνιο κατηγορίας 5 έχει πυκνότητα 4,43 g/cm3, περίπου το 56% του 7,85 g/cm3 του χάλυβα. Ένα εξάρτημα Ti-6Al-4V μπορεί επομένως να ζυγίζει περίπου το μισό από ένα εξάρτημα από χάλυβα ίσου μεγέθους, ενώ προσφέρει συγκρίσιμη ή υψηλότερη αντοχή.

6. Διαβρώνεται το Ti-6Al-4V στο θαλασσινό νερό;

Όχι. Η μεμβράνη παθητικού οξειδίου το καθιστά αποτελεσματικά ανοσοποιητικό στη γενική διάβρωση, την προσβολή από κοιλότητες και ρωγμές στο θαλασσινό νερό σε θερμοκρασίες λειτουργίας. Είναι ένα τυπικό υλικό για θαλάσσιους άξονες, εναλλάκτες θερμότητας και εξαρτήματα ανοικτής θάλασσας.