1. Dlouhodobá-tepelná stabilita vysokoteplotních-titanových slitin
(1) Návrh slitiny pro tepelnou stabilitu
Alfa stabilizátory (Al, Sn, Zr): Hliník (6–8 hmotn. %) a cín (1–3 hmotn. %) zpevňují fázi alfa a zvyšují teplotu beta-transusu slitiny (zpožďují fázovou transformaci při vysokých teplotách); zirkonium (2–4 hmotn. %) zjemňuje zrna a zlepšuje odolnost proti tečení, aniž by byla ohrožena tažnost. Například Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242) má teplotu beta-transus ~1000 stupňů , o 15–20 % vyšší než Ti-6Al-4V, což umožňuje stabilní provoz při 450–500 stupních po dobu 10000+ hodin.
Beta stabilizátory (Mo, Nb, Ta): Molybden (1–2 hmotn. %) a niob (2–5 hmotn. %) zlepšují tažnost slitiny při vysokých-teplotách a zpomalují hrubnutí beta fáze; tantal (1–3 % hmotn.) zvyšuje tepelnou stabilitu snížením rychlosti atomové difúze v matrici. Pokročilé druhy jako Ti-1100 (Ti-6Al-2,7Sn-4Zr-0,4Mo-0,45Si) obsahují křemík (0,4–0,5 % hmotn.) za vzniku jemných silicidových precipitátů (Ti₅Si₃), které spojují hranice zrn a zabraňují tečení při 550 až 600 stupních.
Nízká-kontrola vsunutých reklam: Přísné limity pro kyslík (<0.15 wt%), nitrogen (<0.015 wt%), and hydrogen (<0.010 wt%) prevent the formation of brittle interstitial compounds that degrade thermal stability over time.
(2) Mikrostrukturní stabilita během dlouhodobého-dlouhodobého-vystavení vysokým teplotám
Lamelární/bi{0}}modální mikrostruktury: Většina vysokoteplotních{0}}tříd je tepelně-zpracována tak, aby vytvořila lamelární nebo bi{2}}modální (rovnoosá alfa + lamelární alfa-beta) mikrostruktura. Například Ti-6242 v plně lamelárním stavu udržuje jemnou, stejnoměrnou distribuci alfa lamel v beta matrici při 500 stupních po dobu 20 000 hodin, bez významného hrubnutí zrn nebo fázové segregace. Naproti tomu u konvenčního Ti-6Al-4V dochází po 5000 hodinách expozice ke zhrubnutí v alfa fázi a ztrátě pevnosti nad 350 stupňů.
Odolnost proti fázové degradaci: Při teplotách nižších než 600 stupňů zabraňují vysokoteplotní slitiny titanu tvorbě škodlivých fází (např. křehká omega fáze nebo hrubé hydridy), které trápí standardní druhy. Například Ti-1100 si uchovává svou alfa-beta mikrostrukturu při 600 stupních po dobu 10 000 hodin, s pouze 10–15% snížením pevnosti v tahu (z 900 MPa na 750–800 MPa), ve srovnání se 40% ztrátou pevnosti u Ti-6Al-4V při stejné teplotě.
(3) Zachování mechanických vlastností
Odolnost proti tečení: Vysokoteplotní titanové slitiny vykazují vynikající vlastnosti při tečení při jejich konstrukčních teplotách. Ti-6242 má rychlost deformace při tečení<1×10⁻⁹ per hour at 450°C and 200 MPa stress (10x lower than Ti-6Al-4V under the same conditions), with total creep deformation <0.1% after 10,000 hours. Ti-1100 achieves a creep strain rate of <5×10⁻⁹ per hour at 550°C and 250 MPa, meeting the demands of aero-engine compressor blades.
Síla únavy: Při cyklickém vysokoteplotním-zatěžování si tyto slitiny zachovají 60–70 % své únavové pevnosti při pokojové teplotě- (10⁷ cyklů). Například Ti-6242 má únavovou pevnost ~250 MPa při 450 stupních (vs . 150 MPa pro Ti-6Al-4V při 350 stupních), což umožňuje spolehlivou službu v součástech náchylných k vibracím, jako jsou skříně turbín.
Zachování tažnosti: Dlouhodobé-vystavení 500 stupňům snižuje protažení Ti-6242 pouze o 20–25 % (z 12 % na 9–10 %), zatímco Ti-6Al-4V ztrácí 50 % své tažnosti (z 12 % na 6 %) při 350 stupních za stejnou dobu.
2. Odolnost vysokoteplotních titanových slitin proti oxidaci během dlouhodobého-provozu
(1) Oxidační mechanismus slitin titanu při vysokých teplotách
Vnější vrstva: Porézní TiO₂ (rutil), který při tepelném cyklování praská a odlupuje se;
Střední vrstva: Ti₃O₅, polo{0}}vodivý oxid se špatnými ochrannými vlastnostmi;
Vnitřní vrstva: Ti₂O₃, křehký oxid, který způsobuje křehnutí povrchu a snižuje únavovou životnost.
(2) Legování a povrchové úpravy pro zvýšenou odolnost proti oxidaci
Slitina křemíku a hliníku: Křemík (0,3–0,5 % hmotn.) v jakostech jako Ti-1100 tvoří souvislou vrstvu SiO₂ pod filmem TiO₂, která působí jako difúzní bariéra pro kyslík a snižuje rychlost růstu oxidů o 50–60 % při 600 stupních . Hliník (7–8 % hmotn.) zvyšuje obsah hliníku v oxidové vrstvě a vytváří smíšené okují Al2O3-TiO2 s vyšším bodem tání a nižší propustností pro kyslík než čistý TiO2.
Přísady chrómu a niobu: Chrom (1–2 hmotn. %) zlepšuje adhezi oxidů snížením nesouladu tepelné roztažnosti mezi vrstvou oxidu a substrátem, zatímco niob (3–5 hmotn. %) stabilizuje rutilovou fázi TiO₂ a inhibuje tvorbu trhlin v oxidovém měřítku.
Povrchové nátěry: Pro ultra-vysoko{1}}teplotní aplikace (550–700 stupňů) jsou vysokoteplotní{4}} slitiny titanu často potaženyaluminidové povlaky(např. balit-cementované Al-ti povlaky) nebokeramické povlaky(např. oxid zirkoničitý-stabilizovaný yttriem, YSZ). Tyto povlaky tvoří hustou Al203 nebo keramickou bariéru, snižující rychlost oxidace o 90 % při 650 stupních ve srovnání s nepotaženými slitinami. Například aluminid-potažený Ti-1100 má nárůst hmotnosti o<0.1 mg/cm² after 1000 hours at 600°C, vs. 1.2 mg/cm² for uncoated Ti-1100.
(3) Limity dlouhodobého-oxidačního výkonu
Nepovlakované slitiny: Většina nepotažených vysokoteplotních titanových slitin{0}} si může udržet přijatelnou odolnost proti oxidaci až 550–600 stupňů po dobu 10 000 hodin, přičemž celková tloušťka oxidu je omezena na<10 μm and weight gain <0.5 mg/cm². Above 600°C, the oxide layer thickens rapidly (exceeding 20 μm at 650°C for 1000 hours) and becomes prone to spalling under thermal cycling, leading to intergranular oxidation and embrittlement.
Povlakované slitiny: U aluminidových nebo keramických povlaků se horní teplotní limit rozšiřuje na 650–700 stupňů pro dlouhodobý-provoz (10 000 hodin) s tloušťkou oxidu<8 μm and weight gain <0.2 mg/cm² at 700°C. However, coating degradation (e.g., interdiffusion of coating and substrate elements) becomes a limiting factor beyond 700°C, requiring periodic recoating for critical components.
