Ontwikkelingsstatus van titaniumlegeringen met hoge sterkte en hoge elasticiteit

Ontwikkelingsstatus van titaniumlegeringen met hoge sterkte en hoge elasticiteit

Het elastische vervormingsvermogen van metalen materialen wordt beïnvloed door de vloeigrens en elasticiteitsmodulus, en de elastische limiet (ε0,2) van de treklijn is over het algemeen minder dan 1%. De sterkte van traditionele titaniumlegeringen ligt in het bereik van 400 ~ 1500 MPa volgens de legeringsklasse, de elastische modulus ligt tussen 50 ~ 120 GPa, wat veel lager is dan staal (ongeveer 210 GPa), en de elastische vervormingscapaciteit is ongeveer tweemaal die van staal. Titaniumlegering heeft een uitstekend elastisch vervormingsvermogen vanwege de hoge sterkte en lage elastische modulus en wordt veel gebruikt in de ruimtevaart.

In de jaren vijftig gebruikten de Verenigde Staten voor het eerst TI-6AL-4V bouten van titaniumlegering op de B-52-bommenwerper, waardoor de toepassing van bevestigingsmiddelen van titaniumlegeringen in de ruimtevaart werd geopend. Met de voortdurende lichtgewichtvereisten van ruimtevaart en wapens, heeft de toepassing van lichtgewicht, zeer sterke en zeer elastische titaniumlegeringen in bevestigingsmiddelen geleidelijk het traditionele 30CrMosia-staal vervangen, waardoor de veiligheid en betrouwbaarheid van de apparatuur is verbeterd. Momenteel veelgebruikte α+β en β-type titaniumlegeringen, zoals Ti-6Al-4V, Ti-3Al-5Mo-4.5V, Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al en Ti-15Mo-3Al- 2.7Nb-0.3Si (β 21S), enz., de treksterkte is in principe 1000 MPa-niveau.

Sinds de jaren 70 gebruikt McDonnell Douglas de TI-13V-11CR-3AL om veren voor burgerluchtvaartuigen te vervaardigen, verenstaal te vervangen en het gewicht met 70% te verminderen. Later begonnen Lockheed, Boeing en Airbus materialen van een β-titaniumlegering te gebruiken om veercomponenten te maken, zoals landingsgestelvergrendelingen, hydraulische retour en vliegtuigbesturing. Typische legeringen zijn Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn en Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (β-C), en hun elasticiteitsmodulus is ongeveer 104 GPa. De treksterkte is 1300 ~ 1450 MPa.

Typische merken die in China worden gebruikt zijn TB2, TB3 en TB5. Op dit moment nemen α+β en β-type titaniumlegeringen die worden gebruikt voor veren en bevestigingsmiddelen over het algemeen een α+β tweefasenstructuur aan om een ​​hoge sterkte te verkrijgen. Tegelijkertijd is de elasticiteitsmodulus (90~120 GPa) ook hoger, wat resulteert in lagere elastische eigenschappen. Daarom is het moeilijk om te voldoen aan de eisen van geavanceerde vliegtuigen voor zeer sterke en zeer elastische materialen. Als speciaal klinknagelmateriaal wordt de β-type Ti-45Nb-legering op grote schaal gebruikt in lucht- en ruimtevaartproducten in binnen- en buitenland. De legering heeft de voordelen van een lage elasticiteitsmodulus, goede plasticiteit en goede koudvervormbaarheid, maar de sterkte, vooral de vloeigrens, is laag en de sterkte en elastische eigenschappen zijn slecht op elkaar afgestemd.

Om de elasticiteitsmodulus van medische titaniumlegeringen te verminderen, is sinds de jaren negentig een reeks metastabiele β-type titaniumlegeringen met lage elastische modulus ontwikkeld, zoals Ti-29NB-13Ta-4.6Zr en Ti-35NB-5Ta-7Zr , enz., om betere elastische eigenschappen te verkrijgen. Deze titaniumlegering is echter ontwikkeld voor de medische sector. De sterkte van titaniumlegering is laag en het is moeilijk om te voldoen aan de hoge sterkte en hoge elasticiteitseisen van titaniumlegeringen voor luchtvaartbevestigingsmiddelen en veren. In 2003 ontwikkelde Toyota Central Research Institute of Japan een multifunctionele titaniumlegering (rubbermetaal) met uitstekende uitgebreide eigenschappen. De typische samenstelling is ti-23nb -0,7 ta-2zr -1,2 2o (atoomfractie %). De legering wordt vervormd door 90% koudwalsen. De rugsterkte kan 1200 MPa bereiken, de elastische modulus is 55 GPa en de elastische limiet kan ongeveer 2,5% bereiken. Het vertoont een uitstekende afstemming van hoge sterkte en hoge elasticiteit. De legering heeft een constante elasticiteit in een breed temperatuurbereik.

De metastabiele β-type legering Ti-24Nb-4Zr-8Sn (Ti-2448), ontwikkeld door het Institute of Metal Materials van de Chinese Academie van Wetenschappen, vertoont ook uitstekende elastische eigenschappen, met zijn elastische modulus van slechts 42 GPa en elastische rek als hoog als 3,3%. Na oplossingsverouderingsbehandeling heeft het ook een uitstekende aanpassing aan hoge sterkte en hoge elasticiteit. Rubbermetaal en TI-2448 zijn typische vertegenwoordigers van geavanceerde titaniumlegeringen met hoge sterkte en hoge elasticiteit. Dit toont aan dat titaniumlegeringen een hoge sterkte en hoge elasticiteit kunnen bereiken. Zijn uitstekende prestaties zijn afhankelijk van een ingenieus ontwerp van de componenten en een geschikte voorbereidingstechnologie.

Nicole