L'estructura de cristall darrere del rendiment del titani

El titani pur experimenta una transformació al·lotròpica a 882 graus (1620 graus F).

Per sota dels 882 graus → el titani existeix com a -Ti (titani alfa)

Per sobre de 882 graus → el titani es transforma en -Ti (titani beta)

Aquesta transformació de fase és una de les raons més importants per les quals els aliatges de titani es poden dissenyar per a combinacions dramàticament diferents de força, ductilitat, resistència a la fatiga i resistència a la calor.

Fase (titani alfa): estable, resistent a la corrosió-, soldable

El titani alfa té una estructura de cristall{0}}hexagonal (HCP).

Avantatges clau

Excel·lent resistència a la corrosió

Soldabilitat superior

Excel·lent resistència a la fluència

Bona estabilitat-a alta temperatura

Excel·lent biocompatibilitat

Limitacions

No es pot reforçar significativament amb tractament tèrmic

Resistència moderada en comparació amb aliatges avançats

Aplicacions típiques

Equips de processament químic

Bescanviadors de calor d'aigua de mar

Dispositius mèdics

Sistemes de dessalinització

Aliatges alfa comuns

Titani grau 1

Titani grau 2

Titani de grau 7 (resistència a la corrosió millorada amb Pd-)

Fase (beta titani): formable, tractable tèrmicament, ultra{0}}alta resistència

El titani beta té una estructura cristal·lina cúbica-centrada (BCC).

Avantatges clau

Excel·lent conformabilitat en fred

Temperabilitat profunda

Resposta al-tractament tèrmic

Potencial de força molt alt

Mòdul elàstic inferior per a algunes aplicacions biomèdiques

Limitacions

Menys estable tèrmicament que els aliatges alfa

Més car a causa dels afegits d'aliatge

Aplicacions típiques

Elements de fixació aeroespacial

Fils d'ortodòncia

Components del tren d'aterratge

Molles{0}}d'alta resistència

Aliatges beta comuns

Beta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)

Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al

Ti-5553

Ti-10V-2Fe-3Al

+ Aliatges de titani: el millor dels dos mons

Els aliatges de titani més utilitzats contenen fases alfa i beta.

Aquests aliatges combinen:

Alta resistència

Excel·lent resistència a la fatiga

Bona soldabilitat

Excel·lent resistència a la corrosió

Capacitat de-tractament tèrmic

L'aliatge més popular: Ti-6Al-4V (Grau 5 / TC4)

Ti-6Al-4V representa la majoria del consum global d'aliatge de titani.

L'alumini (Al) estabilitza la fase

El vanadi (V) estabilitza la fase

Aplicacions

Parts estructurals d'aeronaus

Components de la turbina

Implants ortopèdics

Ferreteria marina

Peces de titani impreses en 3D

Variant mèdica

Ti-6Al-4V ELI (grau 23, ASTM F136)

Elements d'aliatge: qui estabilitza què?

Estabilitzadors

Aquests augmenten la temperatura de transformació alfa-a-beta.

Alumini (Al)

Oxigen (O)

Nitrogen (N)

Carboni (C)

Estabilitzadors

Aquests redueixen la temperatura de transformació i poden retenir la fase beta a temperatura ambient.

Estabilitzadors beta isomorfs

Vanadi (V)

Molibdè (Mo)

Niobi (Nb)

Tàntal (Ta)

Estabilitzadors beta eutectoides

Ferro (Fe)

Crom (Cr)

Manganès (Mn)

Elements Neutres

Zirconi (Zr)

Estany (Sn)

Aquests milloren les propietats mecàniques generals sense canviar molt l'equilibri de fase.

Classificació de l'aliatge de titani

Aliatges alfa

Exemples: TA1, TA2, Grau 1, Grau 2

Característiques:

Excel·lent resistència a la corrosió

Excel·lent soldabilitat

Microestructura estable

Aliatges alfa-beta

Exemples: TC4, Ti-6Al-4V, Ti-6242

Característiques:

Força i duresa equilibrades

Tractable tèrmicament

Àmpliament utilitzat en els sectors aeroespacial i mèdic

Aliatges Beta

Exemples: TB5, Ti-5553, Beta C

Característiques:

Força ultra-alta

Excel·lent conformabilitat en fred

Aplicacions aeroespacials avançades

Per què són importants les fases alfa i beta en la impressió 3D

A Laser Powder Bed Fusion (LPBF) i Electron Beam Melting (EBM), les velocitats de refrigeració influeixen molt en l'evolució de la fase alfa-beta.

Els fabricants utilitzen:

Solució tractament i envelliment

Pressió isostàtica en calent (HIP)

Recuit d'alleujament d'estrès

controlar:

Transformació martensítica

Rendiment a la fatiga

Estrès residual

Uniformitat de la microestructura

Això és fonamental per a la fabricació d'additius amb certificació-aeroespacial i d'implant{1}}.

Per què són importants en els implants mèdics

Els dissenyadors d'implants moderns utilitzen cada cop més aliatges de titani beta perquè ofereixen:

Mòdul elàstic inferior

Reducció de la protecció contra l'estrès

Millora de l'osteointegració

Compatibilitat amb ressonància magnètica

Excel·lent biocompatibilitat

Els aliatges biomèdics populars inclouen:

Ti-6Al-4V ELI

Ti-13Nb-13Zr

Ti-24Nb-4Zr-8Sn

Per què són importants a l'aeroespacial

Els enginyers aeroespacials adapten l'equilibri de fases per optimitzar:

Força específica

Resistència a la fatiga

Tenacitat a la fractura

Resistència a la fluència

Tolerància al dany

Exemples:

Ti-6Al-4V per a cèl·lules d'avió

Ti-6242 per a components del compressor

Ti-17 i Ti-5553 per a trens d'aterratge i forjats estructurals

Resum simple

Alfa i beta són estructures cristal·lines, no metalls separats.

882 graus és la temperatura de transformació de fase del titani pur.

La fase alfa ofereix estabilitat, resistència a la corrosió i soldabilitat.

La fase beta ofereix formabilitat i una resistència-tractable per calor ultra-alta.

Els aliatges alfa-beta com el Ti-6Al-4V ofereixen el millor rendiment global.

El control de fases és la base del disseny d'aliatges de titani en la fabricació aeroespacial, mèdica, marina i additiva.