Температура плавления титана и его сплавов: Титан и его сплавы: свойства и сфера применения

alexxlab | 09.08.1985 | 0 | Разное

Содержание

4. Титановые сплавы. Материаловедение: конспект лекций [litres]

4. Титановые сплавы

Титан – металл серебристо—белого цвета. Это один из наиболее распространенных в природе элементов. Среди других элементов по распространенности в земной коре (0,61 %) он занимает десятое место. Титан легок (плотность его 4,5 г/см 3), тугоплавок (температура плавления 1665 °C), весьма прочен и пластичен. На поверхности его образуется стойкая окисная пленка, за счет которой он хорошо сопротивляется коррозии в пресной и морской воде, а также в некоторых кислотах. При температурах до 882 °C он имеет гексагональную плотно упакованную решетку, при более высоких температурах – объемно—центрированный куб. Механические свойства листового титана зависят от химического состава и способа термической обработки. Предел прочности его – 300—1200 МПа (30—120 КГС/мм 2), относительное удлинение – 4—10 %. Вредными примесями титана являются азот, углерод, кислород и водород. Они снижают его пластичность и свариваемость, повышают твердость и прочность, ухудшают сопротивление коррозии.

При температуре свыше 500 °C титан и его сплавы легко окисляются, поглощая водород, который вызывает охрупчи—вание (водородная хрупкость). При нагревании выше 800 °C титан энергично поглощает кислород, азот и водород, эта его способность используется в металлургии для раскисления стали. Он служит легирующим элементом для других цветных металлов и для стали.

Благодаря своим замечательным свойствам титан и его сплавы нашли широкое применение в авиа-, ракето—и судостроении. Из титана и его сплавов изготовляют полуфабрикаты: листы, трубы, прутки и проволоку. Основными промышленными материалами для получения титана являются ильменит, рутил, перовскит и сфен (титанит). Технология получения титана сложна, трудоемка и длительна: сначала вырабатывают титановую губку, а затем путем переплавки в вакуумных печах из нее производят ковкий титан.

Губчатый титан, получаемый магнийтермическим способом, служит исходным материалом для производства титановых сплавов и других целей.

В зависимости от химического состава и механических свойств стандартом установлены следующие марки губчатого титана: ТГ–90, ТГ–100, ТГ–110, ТГ–120, ТГ–130. В обозначении марок буквы «ТГ» означают – титан губчатый, «Тв» – твердый, цифры означают твердость по Бринеллю. В губчатый титан входят примеси: железо – до 0,2 %, кремний – до 0,04 %, никель – до 0,05 %, углерод – до 0,05 %, хлор – до 0,12 %, азот – до 0,04 %, кислород – до 0,1 %. Для изготовления различных полуфабрикатов (листы, трубы, прутки, проволока) предназначены титан и титановые сплавы, обрабатываемые давлением. В зависимости от химического состава стандарт предусматривает следующие их марки: ВТ1–00, ВТ1–0, ОТ4–0, ОТ4–1, ОТ4, ВТ5, ВТ5–1, ВТ6, ВТ20, ВТ22, ПТ–7М, ПТ–7В, ПТ–1 м. Основные компоненты: алюминий – 0,2–0,7 %, марганец – 0,2–2 %, молибден – 0,5–5,5 %, ванадий – 0,8–5,5 %, цирконий – 0,8–3 %, хром – 0,5–2,3 %, олово – 2–3 %, кремний – 0,15—0,40 %, железо – 0,2–1,5 %. Железо, кремний и цирконий в зависимости от марки сплава могут быть основными компонентами или примесями.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Медь и сплавы

Медь и сплавы Довольно часто домашние слесари отдают предпочтение меди (удельный вес 9,0 г/см2), поскольку ее мягкость и пластичность позволяют добиваться точности и высокого качества при изготовлении всевозможных деталей и изделий.Чистая (красная) медь – прекрасный

ЛЕКЦИЯ № 5. Сплавы

ЛЕКЦИЯ № 5. Сплавы 1. Строение металлов Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот.

2.

 Медные сплавы

2. Медные сплавы Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. В настоящее

3. Алюминиевые сплавы

3. Алюминиевые сплавы Название «алюминий» происходит от латинского слова alumen – так за 500 лет до н. э. называли алюминиевые квасцы, которые использовались для протравливания при крашении тканей и дубления кож.По распространенности в природе алюминий занимает третье

5. Цинковые сплавы

5. Цинковые сплавы Сплав цинка с медью – латунь – был известен еще древним грекам и египтянам. Но выплавка цинка в промышленных масштабах началась лишь в XVII в.Цинк – металл светло—серо—голубоватого цвета, хрупкий при комнатной температуре и при 200 °C, при нагревании до

Сплавы золота

Сплавы золота Для изготовления ювелирных и других изделий далеко не всегда используют чистые металлы. Происходит это из-за высокой стоимости драгоценных металлов, недостаточной твердостью их и износоустойчивости, поэтому на практике чаще всего употребляют сплавы,

7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы

7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы С целью удешевления художественных изделий при производстве недорогих украшений широко используются томпак, латунь, мельхиор, нейзильбер; при изготовлении художественных изделий – бронзы.Сплавы меди с цинком,

8. Сплавы на основе алюминия

8. Сплавы на основе алюминия Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления (деформируемые и литейные), способности к термической обработке (упрочняемые и неупрочнямые) и свойствам (рис. 8.1). Рис. 8.1. Диаграмма состояния алюминий – легирующий элемент

10.

 Серебро и его сплавы

10. Серебро и его сплавы Серебро – химический элемент, металл. Атомный номер 47, атомный вес 107,8. Плотность 10,5 г/см3. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая (ГЦК). Температура плавления 963 °C, кипения 2865 °C. Твердость по Бринеллю 16,7.Серебро – металл белого

10.4. Сплавы серебра для припоев

10.4. Сплавы серебра для припоев Припой – весьма важный вспомогательный материал в ювелирном деле.Для соединения различных элементов ювелирных изделий между собой, при работе в технике скань и зернь применяют серебряные припои – сплавы на основе серебра. Основное

11. Золото и его сплавы

11. Золото и его сплавы Золото – химический элемент, металл. Атомный номер 79, атомный вес 196,97, плотность 19,32 г/см3. Кристаллическая решетка – кубическая гранецентрировапная (ГЦК). Температура плавления 1063 °C, кипения 2970 °C. Твердость по Бринеллю – 18,5.Золото – металл желтого

11.1. Двухкомпонентные сплавы золота

11.1. Двухкомпонентные сплавы золота В ювелирной промышленности иногда применяют двухкомпонентные сплавы: золото – медь и золото – серебро. Рис. 11.1. Диаграмма состояния Сu – Аu.Золото и медь обладают неограниченной растворимостью в жидком, а при высоких температурах и в

11.2. Многокомпонентные сплавы золота

11.2. Многокомпонентные сплавы золота В ювелирной промышленности для изготовления золотых изделий используют в большинстве случаев сплавы системы золото – серебро – медь, которые могут содержать добавки других металлов: никеля, палладия, цинка, платины. Химический

11.6. Золотые сплавы для припоев

11. 6. Золотые сплавы для припоев При изготовлении ювелирных и художественных изделий из сплавов золота используется пайка. Состав и интервал температур плавки ювелирных припоев для пайки сплавов золота приведен в табл. 11.9. Маркировка золотых припоев осуществляется так

46. Магний и его сплавы

46. Магний и его сплавы Магний является химически активным металлом: образующаяся на воздухе оксидная пленка МдО в силу более высокой плотности, чем у самого магния, растрескивается и не имеет защитных свойств; порошок и стружка магния легко воспламеняются; горячий и

47. Титан и его сплавы

47. Титан и его сплавы Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью. Недостатки титана: его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости.Азот, углерод, кислород и водород, упрочняя титан,

Свойства титана | Температура плавления и плотность (Ti)

Свойства титана, которые представляют собой сочетание высокой прочности, жесткости, ударной вязкости, низкой плотности и хорошей коррозионной стойкости, обеспечиваемой различными титановыми сплавами при очень низких и повышенных температурах, позволяют снизить вес в аэрокосмических конструкциях и других высокопроизводительных процессах.

При поддержке adguard программа расширения адгуард от duty-free-spb

 

     Содержание:

  1. Титан — Titanium (Ti) определение

  2. Титан химические свойства

  3. Физические свойства титана

  4. Титан механические свойства

  5. Магнитные свойства (Ti)

  6. Сплавы из титана и их свойства

  7. Применение титановых сплавов

Свойства алюминия

Свойства алюминия создают спрос на изделия из этого металла…

Свойства меди

Свойства меди и её сплавов были известны человеку давно…

Титан имеет температуру плавления 1677°C (3051°F) и температуру кипения 3277°C (5931°F). Плотность (Ti) составляет 4,6 грамма на кубический сантиметр.

Определение: Титан — Titanium (Ti)

Титан — это металл группы олова периодической таблицы Менделеева, который по многим своим свойствам напоминает железо. Хотя титан является четвертым металлом по распространенности в земной коре, его трудно извлечь из руд из-за его необычайно высокой реакционной способности при повышенных температурах.

Определение титана описывает серебристо-серый металл, который является химическим элементом в периодической таблице элементов. Позиция таблицы Менделеева титана находится в периоде 4 периода.

Группа 4 (IVб), переходные металлы. Символ титана или аббревиатура титана в периодической таблице — Ti.

Является ли титан соединением? Титан не соединение, а элемент таблицы Менделеева. Элементы определяются как вещества, которые нельзя разложить на более простые вещества с помощью химии. Напротив, соединения определяются как вещества, образованные химической связью двух или более химических элементов.

Титан широко распространен в земной коре, и примерно 0,44% земной коры состоит из титана. Титан чаще всего встречается в природе в форме его руд, ильменита и рутила.  Однако соединения титана в той или иной степени обнаруживаются во всех горных породах, почве и живых существах.

Титан находится в середине периодической таблицы. Периодическая таблица представляет собой диаграмму, которая показывает, как химические элементы связаны друг с другом. Титан является переходным металлом и входит в группу 4 (IVB).

СИМВОЛ
Ti

АТОМНЫЙ НОМЕР
22

АТОМНАЯ МАССА
47,88

СЕМЕЙСТВО
Группа 4 (IVB)
Переходный металл

Титан был одним из первых элементов, открытых современными химиками. Период «современной» химии начинается после середины восемнадцатого века. Этот период выбран потому, что впервые были разработаны основные понятия современной химии.

Титан был открыт английским священником Уильямом Грегором (1761-1817). Грегор изучал минералы в качестве хобби. Он не считал себя химиком, и все же его исследования привели к открытию титана.

Диоксид титана или рутил (Ti02) и титанат железа или ильменит (FeTiO3) являются основными источниками металла. В настоящее время титан получают путем хлорирования руды в присутствии углерода при высокой температуре с образованием TiCl, который затем восстанавливается расплавленным магнием с образованием MgCl2 и титана.

Полученный губчатый титан разделяют на мелкие частицы (на стружку) путем измельчения и отделяют от избытка магния и хлорида магния, связанных с его восстановлением. Затем он плавится в дуговых печах для получения больших слитков титана или титановых сплавов.

Хотя титановые сплавы обладают свойствами, которые делают их очень привлекательными для определенных конструкционных применений, высокая стоимость этих сплавов в прошлом препятствовала их использованию в инженерных конструкциях. До относительно недавнего интереса к разработке конструкционных титановых сплавов соединения титана в основном использовались в качестве металлургических, раскислителей и денитрогенизаторов для повышения ударной вязкости стальных сплавов, в качестве белых пигментов в красках и керамике, а также в красителях и протравах для бумаги и текстиля.

Конструкционные сплавы титана — пластичны, легки по весу, обладают хорошими усталостными свойствами и коррозионной стойкостью. Удельный вес титана составляет всего 2/3 от веса стали и только на 60 % больше, чем у алюминия. С другой стороны, прочность титана намного выше, чем у алюминия, поскольку она на тот же порядок, что и у легированных сталей. Эти весо-прочностные свойства титановых сплавов обеспечивают им самое высокое соотношение прочности и веса среди всех конструкционных материалов. Считается, что титан занимает промежуточное положение между сталью и алюминием по жесткости при растяжении и сдвиге.

Титан химические свойства

Титан, как и другие элементы, представляет собой смесь нескольких изотопов с атомным весом от 46 до 50. Соотношение этих изотопов было рассчитано на основе спектрографического анализа. Математические расчеты с использованием пропорций и массовых чисел определили средний атомный вес титана 47,88.

Титан имеет большое сечение захвата и были идентифицированы пять других изотопов титана. Титан 43 имеет период полураспада 0,58 секунды и является бета-положительным излучателем. Титан 45 имеет две формы: бета-положительная и гамма-излучающая с периодом полураспада 3,08 часа и вторая форма с периодом полураспада 21 день. Титан 51 имеет период полураспада 72 дня и является бета-отрицательным и гамма-излучателем. Существует также метастабильная форма титана 51 с периодом полураспада 6 минут, которая также является гамма- и бета-отрицательным излучателем.

Валентность 

Как и для переходных элементов, титан имеет переменную валентность и обычно находится в двух-, трех- и четырехвалентном состояниях. В литературе сообщается о валентностях пять и выше, но их обоснование никогда не приводилось.

Газы

 Химическая активность титана зависит от температуры. Взаимодействие металла с другими веществами легче протекает при повышенных температурах. Это свойство особенно ярко проявляется в чрезвычайной реакционной способности металла по отношению к атмосферным газам при высоких температурах.

Это требует использования инертной атмосферы для горячей обработки и защиты поверхности при высоких температурах. Быстрое сочетание титана с реактивными газами атмосферы при температуре выше 950°F приводит к образованию накипи на поверхности. С большими интервалами времени и повышением температуры газы диффундируют в решетку.

Металл соединяется с кислородом, образуя длинную серию оксидов от TiO до Ti 7 O 12 , каждый из которых имеет свой оттенок и при кратковременном воздействии на поверхность образуется радужная пленка. Хотя это поверхностное окисление происходит при 950°F, заметной диффузии в решетку не происходит ниже 1300°F. Воспламенение металла происходит на воздухе при температуре 2200°F, а атмосфера чистого кислорода снижает эту температуру до 1130°F.

Реакционная способность титана с азотом аналогична его действию с кислородом, при котором на поверхности образуется желто-коричневый налет в виде нитрида. Азот будет диффундировать в решетку с ограниченной глубиной проникновения.  Это свойство было использовано в нитридной оболочке из металла.

Наиболее уникальной из газотитановых реакций является реакция между водородом и металлом. Реакция протекает при температурах немного выше комнатной, и одним граммом титана может быть поглощено до 400 см3 газа. В небольших количествах газ добавляется в качестве междоузлия, но при более высоких концентрациях образуется гидрид TiH. Однако добавление водорода к титану стабильно только при температуре ниже 680°F; выше этой температуры газ выделяется и горит.

Все эти газотитановые реакции ускоряются при снижении давления паров и требуется полная защита от атмосферы.

Водяной пар и углекислый газ разлагаются горячим металлическим титаном. При температуре выше 1500°F водяной пар и металл объединяются, образуя оксид и выделяя водород. При более высоких температурах горячий металл будет поглощать CO 2 и может образовывать оксид и карбид.

Кислоты

Химическая активность титана по отношению к галогенидам также проявляется в его соединении с их кислотами.  Самая быстрая реакция снова с фторидом. Эта реакция имеет различные применения; является одним из основных растворителей металлов и их сплавов для химического анализа; он используется как общий травитель как в макро-, так и в микромасштабе, в металлографических работах; и он также используется в качестве средства для удаления накипи.

Действие соляной кислоты и сходным образом серной кислоты протекает медленно при комнатной температуре. Однако небольшой подвод тепла ускоряет атаку, что приводит к образованию низших хлоридов и моносульфата. Эти реакции используются так же, как и фтористоводородная кислота и поскольку они менее токсичны и коррозионно-активны, они постепенно заменяют фторид кислоты.

Органика

Химическая активность титана по отношению к органическим материалам используется металлургической промышленностью лишь в незначительной степени. Реакции органической кислоты и титана образуют цветные пленки на поверхности металла и используются металлографами для окрашивания микрообразцов.

Твердые вещества

В расплавленном состоянии титан соединяется со многими металлами, металлоидами и углеродистыми веществами, образуя очень важные системы. В оксидном состоянии он реагирует с щелочными, щелочноземельными и тяжелыми неблагородными металлами с образованием титанатов, некоторые из которых изучаются в сочетании с более дешевыми методами производства.

Реакция на металлоиды, особенно на оксиды металлов, чрезвычайно беспокоила литейщиков, поскольку расплавленный титан сильно разрушает большинство известных огнеупоров с образованием систем металл-металлоид. Такие огнеупорные материалы, как двуокись кремния и окись алюминия, настолько сильно разрушаются, что их использование опасно. Из всех металлоидов только оксид бериллия и оксид тория показали сколько-нибудь заметное сопротивление жидкому металлу.

Еще одна очень важная реакция — это реакция углерода и титана. Металл в расплавленном состоянии имеет большое сродство к углероду и из-за его пагубного влияния на свойства титана необходимо соблюдать крайнюю осторожность, чтобы свести к минимуму его присутствие в готовых изделиях.

Электрохимия

Электроосаждение металла может осуществляться различными сложными методами, ни один из которых не дает промышленно применимых пленок. Для восстановления металла из его четырехвалентного состояния в двух- и трехвалентную формы использовались электролитические средства с использованием кислых электролитов и электродов из свинца, меди, платины или ртутной струи.

Безопасность

Химическая активность титана в целом неопасна. За исключением мелкодисперсных частиц, подвергшегося воздействию дымящей азотной кислоты в течение длительного времени, не обнаружено ни взрывоопасности, ни воспламенения.

Физические свойства титана

Чистый металлический титан может существовать в виде темно-серого блестящего металла или в виде темно-серого порошка. Он имеет температуру плавления 1677°C (3051°F) и температуру кипения 3277°C (5931°F). Его плотность составляет 4,6 грамма на кубический сантиметр. Металлический титан хрупок в холодном состоянии и может легко разрушиться при комнатной температуре.  При более высоких температурах он становится податливым и пластичным. Ковкий означает, что его можно сбивать в тонкие листы. Пластичный означает, что его можно вытягивать в тонкую проволоку.

Элемент обладает интересным физическим свойством. Небольшие количества кислорода или азота делают его намного сильнее.

Титан — единственный элемент, который может гореть в чистом азоте и горит как в кислороде, так и в азоте при высоких температурах.

Атомный номер

22

Атомный вес

47,88

Относительное содержание в земной коре, %

0,44

Плотность при 25°С, г/см 3

4,5

Атомный радиус для координационного числа шесть в кристалле, нм

0,145

Температура плавления, °С

1668

Температура кипения, °С

3287

Температура фазового превращения, °С

882

    Шестиугольный ⇆ объемно-центрированный кубический

Постоянные решетки α-Ti при комнатной температуре, нм

с = 0,4679

а = 0,2951

Теплота превращения, кДж/моль

3,685

Коэффициент линейного расширения при 25°С, К –1

8,5 × 10–6

Скрытая теплота плавления, кДж/моль

20,9

Скрытая теплота возгонки, Дж/моль

464,7

Скрытая теплота парообразования, кДж/моль

397,8

Удельная теплоемкость при 25°С, Дж·г –1· К –1

0,523

Титан механические свойства

Прочностные свойства

Нелегированный титан может иметь предел прочности при растяжении в диапазоне от 250 МПа для металла высокой чистоты, полученного в процессе восстановления йода, до 690 МПа для металла, полученного из губчатого титана высокой твердости. Изделия из нелегированного титана, выплавленные дугой, обладают достаточной пластичностью.

Пластичность

Пластичные изделия из коммерчески чистого титана, полученные дуговым плавлением, имеют диапазон удлинения от 20% до 40% и уменьшения площади от 45% до 65%, в зависимости от содержания междоузлий. Йодный процесс титана дает продукт, обладающий 55% удлинением при 80% уменьшении площади.

Как и в случае со сталью, титан сплавляют с другими металлами для повышения прочности. Такие металлические добавки, как Al , V , Cr , Fe , Mn , Sn  используются либо в виде бинарных добавок, либо в виде сложных систем. Результирующее увеличение прочности достигается при снижении пластичности.

Модуль упругости

Нелегированный титан имеет модуль около 15×10 6 фунтов на квадратный дюйм и может быть увеличен до около 18×10 6 фунтов на квадратный дюйм путем легирования.  Модуль титана лучше, чем у алюминия (10,4×10 6 ) и магния (6,4×10 6 ), но хуже, чем у стали (29×10 6 ).

Как и модуль упругости, модуль сдвига, модуль жесткости титана находится между алюминием и сталью.

Твердость

Титан является гораздо более твердым металлом, чем алюминий и приближается к высокой твердости, которой обладают некоторые термообработанные легированные стали. Титан йодидной чистоты имеет твердость 90 VHN (Виккерс), нелегированный технический титан имеет твердость около 160 VHN, а при легировании и термообработке титан может достигать твердости в диапазоне от 250 до 500 VHN. Можно ожидать, что типичный коммерческий сплав с пределом текучести 130 000 фунтов на квадратный дюйм будет иметь твердость около 320 VHN или 34 градуса по шкале Роквелла.

Ударопрочность

Знание прочности на растяжение и пластичности металла недостаточно для многих инженерных приложений без знания ударной вязкости.  Титан относится к тем немногим металлам, которые обладают хорошей ударной вязкостью наряду с высокой прочностью и пластичностью.

Титан может иметь ударную вязкость в диапазоне от более чем 100 футо-фунтов по Шарпи для йодистого продукта более высокой чистоты и 30 футо-фунтов для коммерческого нелегированного продукта до 1 или 2 футо-фунтов для некоторых высокопрочных, но хрупких сплавов.

Магнитные свойства (Ti) титана

Титан слабо притягивается к магнитам, так как является парамагнитным материалом. Основной причиной его парамагнитной природы является его электронная конфигурация с 4 неспаренными электронами, поскольку парамагнетизм зависит от неспаренных электронов. Второй причиной является его магнитный момент, т.е. 1,73 БМ. Титан является парамагнитным в степенях окисления -1, +2 и +3. Но приятно отметить, что магнитная восприимчивость титана очень мала и положительна, что делает его магнитные свойства очень слабыми по сравнению с ферромагнитными материалами.

Магнитны ли титановые сплавы?

Как и следовало ожидать, некоторые титановые сплавы обладают магнитными свойствами. Все зависит от того, какие материалы интегрированы в этот сплав. Если сплав включает кобальт, железо или никель, то можно определенно ожидать, что титановый сплав, созданный с использованием этих соединений, будет обладать магнитными свойствами. Поскольку титан уже изначально обладает некоторыми магнитными свойствами, ему легко усилить эти свойства при смешивании с магнитным металлом.

Однако это не означает, что все титановые сплавы будут магнитными. На самом деле, правда далека от этого. Здесь вам нужно отметить, что если сплав не содержит материалов с магнитными свойствами, то титан не будет навязывать свои слабые магнитные свойства всему результату. Вместо этого вы получите очень хорошее сочетание материалов, сплав, который можно использовать во многих ситуациях, но который не обладает какими-либо важными магнитными свойствами.

В заключение, титановые сплавы могут быть магнитными, но с такой же вероятностью они не могут быть магнитными. Результат зависит от того, что входит в состав сплава и на основании этого вы сможете получить ответ. Одно можно сказать наверняка: титановые сплавы будут магнитными только в том случае, если титан сочетается с такими материалами, как никель, кобальт, железо или чем-либо еще, обладающим сильными магнитными свойствами. Если нет, то титан не привнесет в сплав никаких своих слабых магнитных свойств.

Сплавы из титана и их свойства

Титановые сплавы очень популярны в промышленности из-за их очень высокой прочности на растяжение и ударной вязкости, а также их очень легкого веса и исключительной коррозионной стойкости. Титановые сплавы производятся путем объединения чистого титана с другими металлами или химическими компонентами. Присутствие этих различных металлов и химических компонентов изменяет физические свойства титанового сплава. Титан сам по себе относительно силен — примерно так же прочен, как сталь, — но в сочетании с другими металлами и химическими компонентами он становится значительно прочнее.  С другой стороны, титановый сплав имеет и другие преимущества, кроме повышенной прочности.

Что такое титановый сплав?

Титановый сплав представляет собой металлический или химический сплав, преимущественно состоящий из чистого титана с рассеянными другими металлами или химическими элементами. Он сделан путем точного комбинирования титана с другими металлами и химическими ингредиентами. Смеси дают остыть, как только будет достигнуто правильное соотношение. Как правило, титановый сплав содержит следы алюминия, ниобия, тантала, молибдена, ванадия, циркония, марганца, железа, никеля, хрома, кобальта и меди.

Типы титанового сплава

В зависимости от металлургической структуры сплавы титана можно разделить на три широкие категории, перечисленные ниже:

  1. Альфа-сплавы:

    Они легированы небольшим количеством кислорода для повышения твердости и прочности на растяжение технически чистого титана. Можно производить ряд экономически чистых марок титана со значениями прочности в диапазоне от 290 до 740 МПа, регулируя добавляемые количества.

    Хотя небольшие количества бета-фазы возможны, если уровни примесей бета-стабилизаторов, таких как железо, значительны, эти материалы номинально имеют полностью альфа-структуру. Хотя альфа-сплавы не могут подвергаться термообработке для повышения прочности, добавление 2,5% меди к титану позволяет получить материал, который реагирует на обработку раствором и старение так же, как алюминиево-медные сплавы. Алюминий представляет собой альфа-стабилизатор, присутствующий в нескольких коммерчески доступных сплавах в качестве легирующей добавки к титану.

  2. Альфа-бета-сплавы:

    Бета-фаза стабилизирована ванадием, молибденом, железом и хромом и были созданы различные альфа-бета-сплавы. Обычно это материалы средней и высокой прочности с пределом прочности при растяжении в диапазоне от 620 до 1250 МПа и сопротивлением ползучести в диапазоне от 350 до 400°C.  Мало- и многоцикловая усталость и вязкость разрушения становятся все более важными для конструктивных характеристик. Таким образом, процессы термомеханической и термической обработки были разработаны для обеспечения наилучших механических свойств сплавов для различных применений. Сплавы, близкие к альфа, используемые для максимального сопротивления ползучести при температурах выше 450°C. При температурах до 600°С они обладают достаточным сопротивлением ползучести.

  3. Бета-сплавы:

    Бета-сплавы представляют собой другой тип титанового вещества. Полностью бета-сплавы могут быть получены, когда к титану добавлено достаточное количество бета-стабилизирующих элементов. Эти материалы существуют уже давно, но только недавно приобрели популярность. Они легче поддаются тяжелой обработке, чем альфа-бета-сплавы, могут подвергаться термообработке до высокой прочности, а некоторые из них обладают лучшей коррозионной стойкостью, чем коммерчески чистые марки. Существуют международные и национальные спецификации для титановых материалов, используемых в аэрокосмической отрасли, но их не существует для материалов, используемых в других областях.  Сборник спецификаций ASTM обычно используется в этой отрасли.

Примеры титановых сплавов

В следующей таблице представлен список титановых сплавов вместе с их примерами.

Типы титанового сплаваПримеры титанового сплава
Альфа-титановый сплавСплавы Ti/Pd – ASTM классы 7 и 11
Альфа + соединениеTi-2,5%Cu – IMI 230
Почти альфа-титановые сплавыTi-8%Al-1%Mo-1%V
Ti-6%Al-5%Zr-0,5%Mo-0,2%Si – IMI 685
Ti-6%Al—2%Sn-4%Zr-2%Mo -0,08%Si
Ti-5,5%Al-3,5%Sn-3%Zr-1%Nb-0,3%Mo-0,3%Si – IMI 829
Ti-5,8%Al-4%Sn-3,5%Zr-0,7%Nb- 0,5%Mo-0,3%Si – IMI 834
Ti-6%Al-3%Sn-4%Zr-0,5%Mo-0,5%Si – Ti 1100
Альфа-бета титановые сплавыTi-6%Al-4%V
Ti-4%Al-4%Mo-2%Sn-0,5%Si
Ti-4%Al-4%Mo-4%Sn-0,5%Si – IMI 551
Ti-6% Al-6%V-2%Sn
Ti-6%Al-2%Sn-4%Zr-6%Mo
Метастабильные бета-титановые сплавыTi-3%Al-8%V-6%Cr-4%Zr-4%Mo – Beta C
Ti-15%Mo-3%Nb-3%Al-0,2%Si – Timetal 21 S
Ti-15%V -3%Cr-3%Sn-3%Al

Титановые сплавы также можно классифицировать по их механической прочности следующим образом:

  • Низкопрочный титановый сплав (прочность <=500 МПа): например, марки ASTM 1, 2, 3, 7 и 11.
  • Титановый сплав средней прочности (прочность от 500 до 900 МПа): например, марки ASTM 4, 5 и 9, Ti-2,5% Cu, Ti-8% Al-1% Mo-0,1% V.
  • Титановый сплав средней прочности (прочность от 900 до 1000 МПа): например, Ti-6%Al-2%Sn-4%Zr-2%Mo, Ti-5,5%Al-3,5%Sn-3%Zr-1%Nb- 0,3%Mo-0,3%Si
  • Высокопрочный титановый сплав (прочность от 1000 до 1200 МПа): например, Ti-3%Al-8%V-6%Cr-4%Zr-4%Mo, Ti-4%Al-4%Mo-2%Sn- 0,5%Si, Ti-6%Al-6%V-2,5%Sn, Ti-15%V-3%Cr-3%Sn-3%Al, Ti-5%Al-2%Sn-4%Mo- 2%Zr-4%Cr, Ti-6%Al-5%Zr-0,5%Mo-0,2%Si, Ti-6%Al-2%Sn-4%Zr-6%Mo, Ti-11%Sn- 5%Zr-2,5%Al-1%Mo, Ti-5,8%Al-4%Sn-3,5%Zr-0,7%Nb-0,5%Mo-0,3%Si
  • Очень высокопрочный титановый сплав (прочность >1200 МПа): например, Ti-10%V-2%Fe-3%Al, Ti-4%Al-4%Mo-4%Sn-0,5%Si

Температура перехода

При комнатной температуре и давлении титан кристаллизуется в плотноупакованную гексагональную фазу с отношением ас/а, равным 1,587.  Титан претерпевает аллотропное превращение в объемно-центрированную кубическую фазу при температуре около 890 ° C, которая устойчива к температуре плавления.

Некоторые легирующие элементы, известные как альфа-стабилизаторы, повышают температуру перехода из альфа-бета в другие, известные как бета-стабилизаторы, понижают ее. Алюминий, галлий, германий, углерод, кислород и азот являются альфа-стабилизаторами. Бета-стабилизаторами являются молибден, ванадий, тантал, ниобий, марганец, железо, хром, кобальт, никель, медь и кремний.

Марки титанового сплава

  • Титановый сплав 5 класса, Ti 6Al-4V. Титан класса 5, является наиболее широко используемым из всех титановых сплавов и известен как «рабочая лошадка» среди титановых сплавов. На его долю приходится половина всего использования титана на планете. Термообработку можно использовать для повышения прочности Ti 6Al-4V. Титан класса 5 используется в сварных конструкциях при температурах до 600 градусов по Фаренгейту.  Превосходная прочность этого сплава при малом весе, полезная формуемость и высокая коррозионная стойкость делают его хорошим выбором. Благодаря своей универсальности сплав Ti 6AI-4V является оптимальным сплавом для использования в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, медицинскую, морскую и химическую.
  • Титановый сплав 7 класса. Класс 7 механически и физически идентичен классу 2, за исключением того, что он содержит палладий в качестве промежуточного элемента, что делает его сплавом. Титановый сплав Grade 7 является наиболее коррозионностойким титановым сплавом с превосходной свариваемостью и технологичностью. Химические процессы и компоненты промышленного оборудования используют класс 7.

  • Титановый сплав 11 класса. Марка 11 по существу идентична марке 1, за исключением того, что для улучшения коррозионной стойкости было добавлено небольшое количество палладия, что делает его сплавом. Другими полезными качествами являются оптимальная пластичность, способность к холодной штамповке, функциональная прочность, ударная вязкость и выдающаяся свариваемость.  Этот сплав можно использовать в тех же областях применения титана, что и сплав класса 1, но он более устойчив к коррозии. 

  • Титановый сплав класса 12, Ti 3Al 2,5. Титан марки 12 получает оценку «отлично» за высококачественную свариваемость. Это прочный сплав с высокой прочностью при высоких температурах. Титан марки 12 имеет свойства, эквивалентные нержавеющей стали класса 300. Этот сплав может быть подвергнут горячей или холодной формовке с использованием листогибочного пресса, гидропрессовки, вытяжки или методом ударного молота. Он может быть сформирован различными способами, полезными в широком диапазоне приложений. Сильная коррозионная стойкость этого сплава делает его идеальным для использования в производственном оборудовании, где щелевая коррозия является проблемой.

  • Титановый сплав Grade 23, Ti 6AL-4V ELI. Представляет собой чистый Ti 6Al-4V. Катушки, пряди, провода и плоские провода могут быть изготовлены из этого типа сплава. Это лучший вариант для любого применения, где требуется сочетание высокой прочности, легкости, исключительной коррозионной стойкости и высокой ударной вязкости. Он более устойчив к повреждениям, чем другие сплавы. Марка 23 является идеальной маркой стоматологического и медицинского титана из-за этих преимуществ. Из-за его биосовместимости, хорошей усталостной прочности и низкого модуля упругости его можно использовать в биомедицинских приложениях, таких как имплантированные компоненты. 

  • Титановый сплав 6 класса, Ti 5Al-2.5Sn. Ti 5Al-2.5Sn — нетермообрабатываемый сплав с хорошими сварочными свойствами и стабильностью. Он также имеет высокую степень термостабильности, прочности, коррозионной стойкости и сопротивления ползучести. 

Ползучесть — это термин, используемый для описания процесса пластической деформации с течением времени, происходящего при высоких температурах. Титановый сплав Ti 5Al-2,5Sn используется в самолетах, планерах и криогенных устройствах.

Применение титановых сплавов

Изделия из титана могут поразному вписываться в нашу повседневную жизнь .

Металлический титан безопасен для окружающей среды, потому что он обладает такими превосходными свойствами, как малый вес, высокая прочность, коррозионная стойкость и биосовместимость, и его можно легко перерабатывать благодаря его свойству мало меняться с течением времени. Соответственно, он используется для различных применений в нашей повседневной жизни, начиная от самолетов и заканчивая предметами первой необходимости.

Титановые сплавы находят широкое применение в

  • Химической обработке
  • Производстве хлората
  • Опреснение
  • Морские применения
  • Компоненты производственного оборудования
  • Авиационные турбины
  • Компоненты двигателя
  • Элементы конструкции самолета
  • Аэрокосмический крепеж
  • Высокопроизводительные автоматические детали
  • Спортивное оборудование
  • Ортопедические штифты и винты
  • Ортопедические тросы
  • Лигатурные зажимы
  • Хирургические скобы
  • Пружины
  • Ортодонтические аппараты
  • При замене суставов
  • Криогенные сосуды
  • Устройства для фиксации костей
  • Гидрометаллургическое применение
  • Химическое производство при повышенной температуре
  • Криогенные процессы

Аэрокосмическая промышленность

Можно сказать, что аэрокосмическая промышленность подходит для максимального использования свойств титана, таких как легкий вес, высокая прочность и отличная коррозионная стойкость.  Титан, который может обеспечить легкий вес при сохранении прочности, является материалом, необходимым для эволюции самолетов, целью которых является не только достижение экономических характеристик, но и дальнейшее повышение эффективности использования топлива.

ФункцииЛегкий вес, высокая прочность и высокая коррозионная стойкость
Примеры
целей использования
Детали реактивных двигателей (например, вентиляторы и компрессоры), конструкционные материалы для корпусов самолетов, топливные баки, шасси, болты и пружины.

Около половины мирового спроса на титан приходится на аэрокосмическую отрасль. Титан начал использоваться в больших количествах в 1960-х годах, в первую очередь в качестве материала для реактивных двигателей из-за его легких и прочных характеристик, а также он используется в частях корпуса самолета, включая шасси, переднюю кромку и болты. .
Кроме того, поскольку легкие пластмассы, армированные углеродным волокном (CFRP), используются во многих частях корпуса самолета, титан, который имеет коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту CFRP и не имеет проблем с коррозией, используется более широко, поскольку он хорошо совместим с углепластиком.

Общая промышленность — различные химические заводы

Титан, который относительно устойчив к коррозии рядом химических веществ и морской воды, широко используется в установках, таких как заводы по производству сжиженного природного газа (СПГ), заводы по опреснению морской воды и химические заводы.

ФункцииЛегкий вес, высокая прочность и высокая коррозионная стойкость
Примеры
целей использования
Лопасти турбин, оборудование для опреснения морской воды и конденсаторы на электростанциях/опреснителях морской воды; электроды, резервуары для хранения, водопровод и лампочки на химических заводах/электролизных предприятиях

Автоцистерна. Что касается автоцистерн, которые перевозят такие химикаты, как гипохлорит натрия и хромат натрия, то в качестве материала для цистерн используется легкий, высококоррозионностойкий и прочный титан.

Теплообменник. Титан используется как безопасный и экономичный материал для теплообменников, которые эксплуатируются в тяжелых условиях, в том числе при высокой температуре и высоком давлении.

Строительство — архитектура и памятники

Благодаря легкому весу, долговечности и признанной текстуре материала титан используется для крыш традиционной японской архитектуры, музеев, крыш и экстерьеров куполообразных стадионов и в настоящее время заслужил репутацию нового и лучшего строительного материала.

ФункцииЛегкий вес, высокая прочность, высокая коррозионная стойкость и окрашиваемость
Примеры
целей использования
Кровельные материалы, стеновые и строительные материалы, внутренние и наружные стены, напольные материалы, строительные материалы для окраски, памятники, таблички и перила

Автомобили и мотоциклы

Титан также играет активную роль в производстве автомобилей и мотоциклов.  В частности, из деталей мотоциклов именно в глушителях больше всего используется титан. Титан высоко ценится за его термостойкость, прочность и устойчивость к ржавчине в качестве материала для глушителей, используемых в тяжелых условиях.

ФункцииЛегкий вес, высокая прочность, высокая коррозионная стойкость и высокая термостойкость
Примеры
целей использования
Глушители, шатуны, клапаны двигателя и пружины

Повседневные нужды — товары для спорта и отдыха

Титан используется в более широком спектре приложений в нашей повседневной жизни, включая не только клюшки для гольфа, но и теннисные ракетки, наручные часы, очки, ножи, ювелирные изделия и скульптуры.

ФункцииЛегкий вес, высокая прочность, модность, высокая коррозионная стойкость и биосовместимость
Примеры
целей использования
Оборудование для гольфа, теннисные ракетки, лыжные товары, велосипеды и снаряжение для альпинизма.

Наручные часы и очки. Титан, обладающий такими свойствами, как легкость, коррозионная стойкость, биосовместимость (т. е. не вызывает аллергии на металл), умеренная упругость, широко используется в качестве материала для оправ стекол. По той же причине он также используется для изготовления наручных часов, а роскошная текстура титана является одним из его преимуществ.

Ювелирные изделия. Титан широко используется в ювелирных изделиях, включая серьги-клипсы, ожерелья, булавки для галстука и запонки, потому что он легкий, не вызывает аллергии на металл, имеет уникальную текстуру и модный вид.

Кухонные ножи и другие ножи. Титан подходит для кухонных ножей, так как не наносит вреда человеческому организму и гигиеничен. Он обладает превосходными свойствами, такими как легкий вес и удобство использования, а титановые ножи могут оставаться острыми в шесть раз дольше, чем ножи из нержавеющей стали.

Здоровье

Поскольку титан обладает высокой биосовместимостью и редко вызывает аллергию на металлы, он широко используется в качестве материала для имплантатов, таких как искусственные корни зубов и искусственные кости, и область его применения расширяется.

ФункцииНетоксичность, биосовместимость, высокая коррозионная стойкость и высокая прочность
Примеры
целей использования
Материалы для искусственных костей, сердечных клапанов, кардиостимуляторов, хирургических инструментов, корней зубов и сплавов с памятью формы.

Стоматологические инструменты из титана. В стоматологии используются многие инструменты из титанового сплава, который легче стали. Такие инструменты из титана превосходят инструменты из нержавеющей стали по коррозионной стойкости и прочности.

Искусственные корни зубов. Поскольку титан обладает высокой биосовместимостью и безвреден для организма человека, его используют в качестве материала для искусственных корней зубов.

© 2022 All Rights Reserved.

2.3. Титан и его сплавы

Титан – металл серебристо-белого цвета, имеющий малую плотность (4,5 г/см3). Температура плавления титана

(1668 ± 4)°С в зависимости от степени его чистоты.

Титан имеет две полиморфные модификации: α-титан с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию (-титан с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900°С. Температура полиморфного α↔ превращения составляет 882°С.

Механические свойства титана существенно зависят от чистоты металла от примесей.

Чистый титан с малым содержанием водорода (менее 0,002 %) не обладает хладноломкостью при прочности в = 1300 МПа и сохраняет высокую пластичность даже при температуре жидкого гелия.

По удельной прочности в интервале температур

300÷600°С сплавы титана не имеют себе равных; при темпе-ратуре ниже 300°С они уступают алюминиевым сплавам, а выше 600°С – сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости

(Е = 112 ГПа), почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций. Для повышения жесткости приходится увеличивать толщину деталей и их массу.

Хотя титан относится к числу химически активных металлов, он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка ТiO2, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с электролитом. Оксидная пленка на титане возникает при окислении на воздухе, анодном окислении и самопассивации его не только в сильно окисли-тельных, но и в слабокислых и нейтральных растворах. Толщи-на оксидной пленки, образующейся на титане после длительного пребывания на воздухе, обычно достигает 5÷6 нм.

Благодаря оксидной пленке титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его выплавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

Сплавы титана имеют несколько меньшую жаро-прочность, чем специальные стали. Рабочая температура их использования не более 500÷550°С. При превышении этой температуры титан и его сплавы легко окисляются и интенсивно поглощают газы.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и некоторыми другими элементами.

Титановые сплавы подвергают термической обработке – рекристаллизационному отжигу, закалке и старению, а также химико-термической обработке.

Отжиг титановых сплавов проводят после холодной деформации. Температура их рекристаллизации составляет в среднем 500°С, и отжиг при температуре 700÷800°С вполне достаточен для устранения наклепа.

Превращения при закалке и старении в титановых сплавах в принципе похожи на соответствующие превращения в стали. Однако столь существенного упрочнения, как в сталях, в титановых сплавах не происходит. В результате фазовой перекристаллизации происходит измельчение зерна, что положительно сказывается на их пластических свойствах.

Титановые сплавы обладают низкими антифрикци-онными свойствами. Для повышения износостойкости их под-вергают азотированию. Азотирование проводят в среде газообразного азота при температуре около 900°С, длительность процесса до 50 ч.

Азотирование повышает поверхностную твердость, износостойкость и жаропрочность. Для уменьшения хрупкости азотированного слоя проводят вакуумный отжиг заготовок при 800÷900°С.

Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию.

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют большую прочность, в том числе при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

В табл. 4.9 приведены основные промышленные титановые сплавы. За основу классификации принято соотношение α- и -фаз в структуре сплава и особенности структурных превращений, происходящих при их термической обработке.

Сплавы с α-структурой характеризуются невысокой прочностью при комнатной температуре и не упрочняются при термообработке. Их недостатком является низкая технологи-ческая пластичность, а достоинством – хорошая свариваемость и высокие механические свойства при крио-генных температурах.

Псевдо-α-сплавы, сохраняя достоинства α-сплавов, благодаря присутствию небольших количеств -фазы (до 5 %) имеют более высокую технологическую пластичность и хорошо обрабатываются давлением.

Двухфазные (α)-сплавы характеризуются наилучшим сочетанием механических и технологических свойств. По структуре после закалки различают мартенситный и переходный классы (α)-сплавов. Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат не более 25 % -фазы. Увеличение количества -фазы в сплавах переходного класса до 50 % обеспечивает им самую высокую прочность этой группы сплавов как в отожженном, так и в закаленном состояниях.

Таблица 4.9

Классификация титановых сплавов (ГОСТ 19807 – 74)

Группа сплавов

Марка

сплава

Средний химический состав, %

α-Сплавы

ВТ-00

Нелегированный титан

ВТ-0

То же

ВТ5

Ti-5Al

ВТ5-1

Ti-5Al-2,5Sn

Псевдо-α-сплавы

ОТ4-0

Ti-0,8Al-0,8Mn

ОТ4

Ti-3,5Al-1,5Mn

(α)-Сплавы мартенситного класса

ВТ6С

Ti-5Al-4,0V

ВТ6

Ti-6Al-4,5V

ВТ16

Ti-2,5Al-5Mo-5V

(α)-Сплавы переходного класса

ВТ22

Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr

ВТ30

Ti-3Al-7Mo-11Cr

Псевдо -сплавы

ВТ35

Ti-3Al-1,5Mo-15V-3Sn-3Cr

-сплавы

4201

Ti-33Mo

Псевдо--сплавы после закалки имеют структуру метастабильной -фазы. В этом состоянии они имеют хорошую пластичность и сравнительно низкую прочность, благодаря чему хорошо обрабатываются давлением. После старения их прочность возрастает в 1,5 раза.

Однофазные -сплавы отличаются высокой коррозион-ной стойкостью. Однако сплавы со стабильной -структурой сравнительно редко применяют из-за необходимости их легирования большим количеством изоморфных элементов (V, Мо, Nb), имеющих высокую стоимость, и из-за высокой плотности, понижающей удельную прочность изделий.

Титановые сплавы склонны к повышенному налипанию на инструмент, что в сочетании с их низкой теплопроводостью затрудняет процесс механической обработки. При обработке резанием целесообразно применение инструмента с твердосплавными пластинами.

Устойчивость титана к хлорсодержащим окислительным средам обусловила его широкое использование в химической промышленности для производства хрома, хлоратов, диоксида хлора. При этом оборудование из титановых сплавов характеризуется высокой долговечностью и низкими затратами на текущий ремонт.

Титан пригоден для форсунок, работающих на морской воде, сеток фильтров, теплообменников, работающих в азотной кислоте. Так, в 60 %-ной азотной кислоте при 250°С теплообменники из титана работают без повреждений в течение двух лет, а теплообменники из нержавеющей стали – всего 6 месяцев.

Крыльчатки из титана для центробежных насосов показали наиболее высокую коррозионную и эрозионную стойкость.

Паровые реактивные диффузоры, регулирующие высокое давление пара, изготовленные из титана, работают без заметных признаков разрушения 5 лет.

Технический титан марки ВТ1 и сплав 0Т4 применяются при изготовлении теплообменно-конденсационной аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов.

Высокая коррозионная стойкость титана в кислотах позволяет применять его в нефтяном и химическом машиностроении. Из титана изготовляют трубчатые теплообменники с трубками диаметром 25 мм и длиной 3 м, работающие в среде 15 %-ного раствора гипохлорита натрия. Коррозионная стойкость сварных соединений ВТ1 и 0Т4 в средах процесса прямой перегонки нефти (совместное воздействие хлористого водорода и сероводорода), а также и в жирных кислотах не уступает коррозионной стойкости основного металла. Глубинный показатель скорости коррозии составляет 0,001÷0,064 мм/год.

Титан и его сплавы являются перспективным материалом для изготовления труб конденсационно-холодильного оборудования. В химической промышленности успешно применяют конденсаторы и холодильники с трубными пучками из титана.

Титановые сплавы: классификация, свойства, прочность, маркировка

Титан широко распространен на земле. После Al, Fe и Mg он занимает четвертое место из присутствующих металлов в земной коре и является девятым элементом по распространенности на Земле. Титановые сплавы (ТС) обладают уникальным спектром свойств, благодаря сочетанию высокой прочности и жесткости, ударной вязкости и аникоррозионности, что обеспечивает широкий спектр применения для работы в средах, как с низкими, так и высокими температурами, позволяя снизить вес аэрокосмических конструкций и узлов крупногабаритной техники.

Содержание

  • 1 Общая характеристика свойств титана и его сплавов
  • 2 Классификация групп
  • 3 Высокопрочные конструкционные ТС
  • 4 Жаропрочные Ti-сплавы
  • 5 Химические сплавы
  • 6 Маркировка титановых сплавов
  • 7 Производство титана и его сплавов
  • 8 Область применения
  • 9 Нюансы термообработки титановых сплавов

Общая характеристика свойств титана и его сплавов

Атомный вес Ti составляет 47.88. Он является упруго жестким,  около 115 ГПа модуля Юнга, прочным, легким, устойчивым к коррозионным процессам. Ti и титановые сплавы обладают пределом прочности на разрыв в диапазоне 210-1380 МПа, что приближается к пределу прочности, характерному для многих сложных сталей.

Он имеет чрезвычайно низкую плотность примерно 60.0% от плотности Fe. Его можно упрочнить путем легирования растворенным веществом. Ti немагнитен и обладает отличными теплообменными способностями. Одним из его важных свойств титановых сплавов — высокая Т плавления – 1725. 0 C, то есть почти на 200 C больше, чем у стали, и на 1000 C – чем у Al.

Ti пассивирован, и, следовательно, его сплавы имеют высокую степень устойчивости к воздействию большинства минеральных кислот. Он нетоксичен и совместим с биологическими тканями и минералами. Превосходная коррозионная устойчивость и биосовместимость совместно с превосходной прочностью сделали их полезными для химической промышленности и биоматериалов.  Ti не является хорошим проводником электротока. Если проводимость Cu принять за 100.0%, то у Ti будет  только 3.1%, из этого следует, что он довольно хороший резистор.

Слиток титана

Классификация групп

Сплавы Ti подразделяют на следующие группы:

  1. Высокопрочные конструкционные — твердые растворы, с оптимальным соотношением прочностных характеристик и пластичности.
  2. Жаропрочные титановые сплавы — твердые растворы с необходимым количеством присадок, обеспечивающих стойкость в зонах с высокими температурами при незначительном снижении пластичности.
  3. ТС на базе химического соединения, способных конкурировать со сплавами Ni в определенном интервале температур.

Высокопрочные конструкционные ТС

Высокопрочные сплавы – ВТ-14, ВТ-22, ВТ-23, ВТ-15 (1000.0-1500.0 МПа).

ВТ-22 – свариваемый ТС с высокими прочностными характеристиками и прокаливаемостью. Он нашел широкое применение при изготовлении отечественных самолетов: Ил-76/ 86/ 96, Ан-72/ 74/124/224/148, Як-42, МиГ-29 и других. Из данного ТС изготовляются крупногабаритные детали для внутреннего силового набора, узлов шасси и сварных узлов, например, траверс и балок тележек основных шасси.

ВТ- 22И, полученный высокотехнологичным методом изотермического деформирования в условиях сверхпластичности, может обеспечить выпуск тонкостенных деталей сложной конфигурации и гарантирует надежную сварку титановых сплавов. Высокий и стабильный уровень механических свойств достигается однородной мелкозернистой структурой, что снижает трудоемкость мехобработки деталей на 35–40%.

Трубы из титанового сплава для теплообменников

Жаропрочные Ti-сплавы

Жаропрочные титановые сплавы – ВТ3 1, ВТ8-1,ВТ-9, ВТ8М-1, ВТ-18, ВТ-25 (1000.0-1500.0МПа).

ВТ8-1, ВТ8М-1 — эти марки титановых сплавов отличаются жаропрочностью, стойкостью от трещин и стабильностью при Т 400-550С. Они имеют низкую чувствительность к местным напряжениям и используются для авиационных двигателей, имеющих большой ресурс работы.

Отечественный сплав ВТ-25 с прочностным показателем до 1150.0 МПа, значительно превосходит зарубежные аналоги, обладает самыми высокими свойствами при Т до 550.0С.

ВТ-18 обладает самыми прочными свойствами при Т до 600.0С – лучший среди отечественных сплавов, используемых в промышленности.

Химические сплавы

Интерметаллические (химические) титановые сплавы основаны на так называемой интерметаллической фазе. Технический интерес представляют TiAl, Ti3Al, Al3Ti и Ti2AlNb. Свойства интерметаллидов находятся между керамикой и металлами.
TiAl – жаропрочные титановые сплавы, демонстрируют превосходные свойства, такие как жаропрочность, стойкость к окислению и ползучести, низкую плотность и высокую усталостную прочность. При этом TiAl демонстрирует низкую пластичность. Это необходимо учитывать при проектировании компонентов, и это является основным препятствием для широкого использования во многих приложениях.

ТС используется для выпуска поковки, заготовки, пластины и листы из TiAl. Также доступны сложные отливки, потому что он применяется для некоторых высокотемпературных компонентов практически чистой формы. TiAl представляет интерес для таких применений, как лопасти реактивного двигателя, колеса компрессора для турбонагнетателей, автомобильных клапанов и другие жаростойких компонентов. Для высокотемпературного применения, требующего небольшого веса, это хорошая альтернатива суперсплавам до 850 C.

Маркировка титановых сплавов

Существуют две кристаллографические формы титана,  учитывающихся при маркировке:

  • Альфа-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке;
  • бета-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке с кубическим телом (BCC).

Чистый титан существует в форме альфа-фазы при температуре выше 883 C и в форме бета-фазы при температуре ниже 883 C.Температура аллотропического превращения альфа-титана в бета-титан называется температурой бета-трансуса.
Легирующие элементы в ТС могут стабилизировать либо альфа-фазу, либо бета-фазу сплава.

Алюминий (Al), галлий (Ga), азот (N), кислород (O) стабилизируют альфа-фазу.

Молибден (Mo), ванадий (V), вольфрам (W), тантал (Ta), кремний (Si) стабилизируют вета-фазу.

Титановые сплавы подразделяются на четыре группы по фазовому составу:

  1. Коммерчески чистые и низколегированные ТС. Он состоит из зерен-фазы и дисперсных сфероидных частиц бета-фазы. Небольшие количества железа, присутствующие в сплавах, стабилизируют бета-фазу и обладает относительно низкой механической прочностью и хорошей коррозионной стойкостью.
  2. Титановые альфа сплавы состоят исключительно из альфа-фазы. Они содержат алюминий в качестве основного легирующего элемента, стабилизирующего альфа-фазу. Они имеют хорошую вязкость разрушения и сопротивление ползучести в сочетании с умеренной механической прочностью, которая сохраняется при повышенных температурах. Такие ТС легко свариваются, но их работоспособность в горячем состоянии оставляет желать лучшего.
  3. Титановые альфа-бета сплавы, содержат 4-6% стабилизаторов вета-фазы, поэтому они состоят из смеси обеих фаз. Сплавы альфа-вета подвергаются термообработке. Они имеют высокую механическую прочность и хорошую горячую форму. Сопротивление ползучести таких ТС ниже, чем у альфа-сплавов.
  4. Титановые бета-сплавы богаты вета-фазой. Они содержат значительное количество вета-фазных стабилизаторов, термически обрабатываемыедо очень высокой прочности и имеют хорошую форму в горячем состоянии. Пластичность и усталостная прочность этих ТС в условиях термообработки низкие.

Титановые сплавы обозначаются согласно их составам:

  • Ti-5Al-2.5Sn идентифицирует титановый сплав, содержащий 5% алюминия и 2,5% олова.
  • Ti-6Al-4V идентифицирует Ti-сплав, содержащий 6% алюминия и 4% ванадия.

Параллельно этой системе обозначений существуют и другие системы обозначения титановых сплавов (ASTM, IMI, военная система).

Производство титана и его сплавов

Титан производится с использованием процесса Kroll. Основные стадии включают извлечение, очистку, производство губки, создание сплава, а также формование. В начале выплавки производитель получает титановые концентраты с рудников. Хотя рутил можно использовать в его естественной форме, ильменит обрабатывают для удаления железа, чтобы он содержал не менее 85% диоксида титана. Эти материалы помещаются в реактор с псевдоожиженным слоем вместе с газообразным хлором и углеродом. Материал нагревают до 900 C, и последующая химическая реакция приводит к образованию нечистого тетрахлорида титана (TiCl4) и оксида углерода. Далее различные нежелательные хлориды металлов, которые образуются, должны быть удалены.

Прореагировавший металл помещается в большие дистилляционные емкости и нагревается. На этом этапе примеси отделяются с помощью фракционной перегонки и осаждения. На этом этапе удаляются хлориды металлов, в том числе железо, ванадий, цирконий, кремний и магний.

Очищенный тетрахлорид титана переносится в виде жидкости в реакторную емкость из нержавеющей стали. Затем добавляют магний, и контейнер нагревают до температуры около 1100 C. Аргон закачивается в емкость для удаления воздуха и предотвращает загрязнение сплава кислородом или азотом. Магний реагирует с хлором с образованием жидкого хлорида магния. Это оставляет твердое титановое твердое вещество, так как температура плавления титана выше, чем в реакции.

Твердое титановое вещество удаляют из реактора путем бурения, а затем обрабатывают водой и соляной кислотой для удаления избытка магния. Полученное твердое вещество представляет собой пористый металл, называемый губкой. Чистая титановая губка может быть преобразована в пригодный для использования сплав с помощью дуговой печи с расходуемым электродом. В этот момент губка смешивается с различными добавками сплава. Точное соотношение материала губки к сплаву формулируется в лаборатории до производства. Затем эту массу прессуют в компакты и сваривают вместе, образуя губчатый электрод.

Губчатый электрод помещают в вакуумно-дуговую печь для плавления. В этом охлаждаемом водой медном контейнере электрическая дуга используется для плавления губчатого электрода с образованием слитка. Весь воздух в контейнере либо удаляется (образуя вакуум), либо атмосфера заполняется аргоном для предотвращения загрязнения.

После изготовления слитка его вынимают из печи и проверяют на наличие дефектов. Поверхность может быть кондиционирована по требованию заказчика. Затем слиток отправляется покупателю готовой продукции, где он может быть измельчен и изготовлен в различные продукты.

Производство титана

Область применения

Титановый сплав, который имеет высокую коррозионную стойкость, высокую удельную прочность и хорошую термостойкость, используется для различных частей космического корабля, включая наружную оболочку топливного бака и крылья. Сочетая легкий вес с высокой прочностью, титан помогает усилить планеры и повысить производительность реактивных двигателей. В случае космического челнока, титан используется для многих критических частей, включая наружные панели топливного бака и детали крыла.

В самолетах используется большое количество титанового сплава, потому что он легкий и чрезвычайно прочный при высоких температурах. ТС применяется для укрепления каркасной конструкции и способствует техническому прогрессу реактивных двигателей.

Титановые сплавы применение:

  • Установки для сжиженного природного газа;
  • установки опреснения морской воды;
  • нефтеперерабатывающие заводы;
  • атомные электростанции;
  • автоцистерны для химических реагентов, потому что ТС легок, устойчив к коррозии, и чрезвычайно сильный;
  • теплообменники, которые используются в экстремальных условиях высокой температуры и высокого давления;
  • биомедицинские приложения.

Огромными преимуществами титана являются его высокое отношение прочности к весу и антикоррозионность. В сочетании с нетоксичным состоянием и способностью эффективно противостоять коррозии от биологических жидкостей титан стал базовым металлом для имплантата в области медицины, со сроком службы более 20 лет.

Еще одним преимуществом Ti для применения в медицинской отрасли является его неферромагнитное свойство, позволяющее безопасно обследовать больных с применением МРТ и ЯМР.

Титановый протез сустава

Нюансы термообработки титановых сплавов

В настоящее время из-за растущего спроса на титан и его сплавы с улучшенными физическими и химическими свойствами многие исследователи проявляют большой интерес к улучшению процессов обработки под воздействием температуры для получения новых видов сплавов.

ТС подвергаются термообработке для достижения следующего:

  1. Снятие напряжения, чтобы уменьшить остаточные явления, возникающие в процессе изготовления.
  2. Отжиг для достижения оптимального сочетания пластичности, обрабатываемости, стабильности размеров и структурной устойчивости.
  3. Обработка раствора и старение, для увеличения прочности.

Комбинации процессов используются для оптимизации свойств и получения других преимуществ, таких как:

  • Вязкости разрушения;
  • предела выносливости;
  • высокой температуры ползучести;
  • стойкости к преимущественному химическому воздействию;
  • предотвращение искажения;
  • подготовки ковки для последующих операций формования и изготовления.

Термическая обработка титановых сплавов ее типы:

  1. Снятие напряжения. С ТС снимается стресс, без отрицательного влияния на прочность или пластичность. Процесс ковки происходит при температуре от 595 до 705 C в течение до двух часов с последующим воздушным охлаждением. Это уменьшает нежелательные остаточные напряжения, которые могут возникнуть в процессе ковки.
  2. Отжиг, который обычноприменяется для ковки заготовок, не является полным отжигом и может оставить следы холодной или теплой обработки. Дуплексный и триплексный отжиг используются для улучшения сопротивления ползучести и вязкости разрушения.
  3. Обработка раствора и старение. Этот процесс состоит из нагрева сплава до определенной температуры, закалки с контролируемой скоростью в масле, воздухе или воде и старении. Выдержка состоит из повторного нагревания до температуры от 425 до 650 C в течение примерно двух часов. Этот процесс развивает более сильные стороны, чем другие.

Таким образом, Ti -сплавы обладают огромным потенциалом для выбора дизайнером «материала будущего» из-за его уникального сочетания металлургических свойств, таких как высокое отношение прочности к весу в диапазоне температур от минус до 540 C. В этом отношении его базовые сплавы превосходят все обычные конструкционные материалы, что позволяет применять их в самых важных процессах.

Обрабатываемость титана и его сплавов » Ремонт Строительство Интерьер


Титан и его сплавы обычно относятся к материалам, имеющим весьма плохую обрабатываемость. Температура плавления титана составляет 1668° С. При комнатной температуре он является пластичным материалом с гексагональной плотноупакованной структурой, переходящей в объемно-центрированную структуру при температуре 882° С. Поставляется несколько марок технически чистого титана в зависимости от соотношения углерода, азота и кислорода; твердость и прочности титана повышаются, а пластичность уменьшается с увеличением содержания этих элементов.

Характеристики обрабатываемости титана отличаются от характеристик обрабатываемости других чистых металлов, рассмотренных ранее, и по нескольким критериям нельзя сказать, что он имеет плохую обрабатываемость. Стойкость инструмента ограничивается или износом задней поверхности, или деформацией инструмента, или обоими критериями вместе. Скорости съема металла для приемлемой стойкости инструмента ниже, чем при обработке железа. Однако силы резания и потребляемая мощность значительно меньше, чем при обработке железа, никеля или даже меди, особенно в диапазоне низких скоростей резания. Эти малые силы резания связаны с гораздо меньшей площадкой контакта на передней поверхности инструмента, чем при обработке резанием любого из ранее рассмотренных материалов, за исключением магния. Вследствие малой площадки контакта угол сдвига большой и стружка тонкая, часто незначительно толще, чем величина подачи. Образующаяся стружка сплошная, но с явно выраженными сегментами («пилообразная»), и при обработке сплавов это становится особенно заметным (рис. 7.33). При резании технически чистого титана нарост не образуется, и зона пластического течения на передней поверхности в среднем очень тонкая, обычно менее 0,012 мм и часто значительно тоньше.

Основные трудности механической обработки титана связаны с большой продолжительностью работы инструмента и низкими допустимыми скоростями съема металла, несмотря на небольшие силы резания. Причиной этого являются высокие температуры и неблагоприятное распределение температуры в инструментах, используемых для обработки титана. Температуры в зоне пластического течения выше, чем при обработке железа при той же скорости резания, например, максимальная температура на передней поверхности инструмента составляла 900°С после обработки технически чистого титана со скоростью 91 м/мин и 650°С после обработки железа с той же скоростью и при стандартных режимах резания. Градиенты температуры в инструментах, используемых для обработки титана, приведенные на рис. 7.34, должны быть сравнены с градиентами температуры при обработке железа и никеля. Распределение температуры при обработке титана более похоже на распределение температуры при обработке железа, однако холодная зона около режущей кромки очень узкая, и зона высокой температуры расположена гораздо ближе к режущей кромке. Общая длина контакта очень короткая, и нагретые зоны не распространяются вдоль передней поверхности. Таким образом, несмотря на низкие силы резания, напряжения на передней поверхности высокие, и в зоне наибольших напряжений возле режущей кромки генерируется высокая температура. Это приводит к деформации режущей кромки и быстрому выходу инструмента из строя вследствие образования новых источников нагрева на деформированной и изношенной задней поверхности. Зачастую разрушение начинается с вершины инструмента.

Градиенты температуры в инструментах для обработки титановых сплавов аналогичны градиентам температуры, возникающим при обработке технически чистых металлов и отличаются от градиентов температуры при обработке стали или никелевых сплавов. Вообще, влияние легирующих добавок проявляется в увеличении температуры при любых режимах резания и, следовательно, в уменьшении допустимой скорости резания. При обработке резанием технически чистого титана влияние увеличивающегося количества посторонних примесей углерода, азота и кислорода имеет явно выраженный характер. В одной серии экспериментов повышение содержания кислорода от 0,13 до 0,20% снизило скорость срезания, при которой образуется температура 900° С, от 91 до 53 м/мин.

При обработке сплавов, содержащих вторую фазу, повышение температуры при любой скорости резания более заметно. При стандартных режимах во время проведения экспериментов инструменты, используемые для обработки сплавов, содержащих 6% Al и 4% V, нагревались до температуры выше 900° С (на передней поверхности) при скорости резания около 19 м/мин. При обработке коммерческих сплавов, содержащих 11% Sn, 2,25% Al и 4% Mo, выход из строя инструментов из быстрорежущей стали, вызванный напряжениями и температурой, наблюдался после обработки в течение только 30 с при скорости 12 м/мин. При выходе из строя инструментов из быстрорежущей стали не только режущая кромка деформируется под действием нормальных напряжений сжатия, но и срезается нагретая быстрорежущая сталь, образуя лунку износа на передней поверхности, аналогично тому как это происходит при обработке стали.

Помимо деформации, диффузионные процессы, по-видимому, в основном являются причиной износа инструментов как из быстрорежущей стали, так и из твердого сплава при обработке титановых сплавов. При обработке инструментами из твердых сплавов большая стойкость достигается при применении WC—Co сплава, чем твердого сплава для обработки стали, содержащего TiC и TaC. Применение TiC, который успешно препятствует диффузионному износу при обработке стали, оказывает обратный эффект в отношении диффузионного износа при обработке титана и его сплавов. Имеются данные о том, что кубические зерна карбидов, содержащие TiC, диффундируют в обрабатываемый титан быстрее, чем зерна WC. Износостойкость при диффузионном износе и сопротивление деформированию при высоких температурах делают твердый сплав на основе WC—Co пригодным для обработки титановых сплавов. Даже при применении вольфрамовых сплавов скорости резания при механической оработке сплавов с более высоким сопротивлением ползучести низкие, например, 30 м/мин.

Титан — характеристики, свойства сплавов и их применение

Титан — характеристики, свойства сплавов и их применение

Титан (Ti) от латинского Titanium – лёгкий серебристо-белый металл. Температура плавления 1668 °C, кипения 3287 °C. Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C. Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10−6 К−1 в интервале от −120 до +860 °C. Прочность металла мало зависят от температуры, но при этом напрямую зависит от предварительной обработки. Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790-800 МПа, модуль нормальной упругости 103 ГПа, модуль сдвига 39,2 ГПа. У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140-170 МПа, относительное удлинение 55-70%, твёрдость по Бринеллю 716 МПа. Титан характеризуется с повышенной вязкостью, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, из-за чего требуется нанесение смазочного материала. Покрывается защитной плёнкой оксида TiO2, стояк к коррозии кроме щелочной среды. Повышенная устойчивость титана к испарению в вакууме, плюс легкость делают металл востребованным при конструировании космических кораблей. Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,387 К. При температурах выше 73 кельвин титан парамагнитен.

Основные категории титановых сплавов

  • Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы. Имеют очень твердый состав, благодаря которому достигается идеальный баланс пластичности и прочности.
  • Жаропрочные титановые сплавы. Имеют твердый состав, включающий в себя определенное количество химического соединения, что несколько снижает пластичность, зато придает высокую жаропрочность.
  • Титановые сплавы на основе химического соединения. Этот жаропрочный состав имеет малую плотность и может составить конкуренцию никелевым соединениям по жаропрочности при определенной температуре.

Сейчас титан очень широко используют в конструкционной деятельности. Еще 200 лет назад его считали неподходящим для конструирования, но прошло время, и на данный момент это один из самых долговечных и надежных материалов с широким спектром других полезных свойств.

Марки и химический состав

Процентное соотношение элементов в деформируемых титановых сплавах по ГОСТ 19807–91.

Марки Ti Al V Mo Sn Zr Mn Cr Si Fe O H N C
ВТ1-00 Основа 0,08 0,15 0,10 0,008 0,04 0,05
ВТ1-0 То же 0,10 0,25 0,20 0,010 0,04 0,07
ВТ1-2 То же 0,15 1,5 0,30 0,010 0,15 0,10
ОТ4-0 То же 0,4–1,4 0,30 0,5–1,3 0,12 0,30 0,15 0,012 0,05 0,10
ОТ4-1 То же 1,5–2,5 0,30 0,7–2,0 0,12 0,30 0,15 0,012 0,05 0,10
ОТ4 То же 3,5–5,0 0,30 0,8–2,0 0,12 0,30 0,15 0,012 0,05 0,10
ВТ5 То же 4,5–6,2 1,2 0,8 0,30 0,12 0,30 0,20 0,015 0,05 0,10
ВТ5-1 То же 4,3–6,0 1,0 2,0 –3,0 0,30 0,12 0,30 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ6 То же 5,3–6,8 3,5–5,3 0,30 0,10 0,60 0,20 0,015 0,05 0,10
ВТ6с То же 5,3–6,5 3,5–4,5 0,30 0,15 0,25 0,15 0,015 0,04 0,10
ВТ3-1 То же 5,5–7,0 2,0–3,0 0,50 0,8–2,0 0,15–0,40 0,2–0,7 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ8 То же 5,8–7,0 2,8–3,8 0,50 0,20–0,40 0,30 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ9 То же 5,8–7,0 2,8–3,8 1,0–2,0 0,20–0,35 0,25 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ14 То же 3,5–6,3 0,9–1,9 2,5–3,8 0,30 0,15 0,25 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ20 То же 5,5–7,0 0,8–2,5 0,5–2,0 1,5–2,5 0,15 0,25 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ22 То же 4,4–5,7 4,0–5,5 4,0–5,5 0,30 0,5–1,5 0,15 0,5–1,5 0,18 0,015 0,05 0,10
ПТ-7М То же 1,8–2,5 2,0–3,0 0,12 0,25 0,15 0,006 0,04 0,10
ПТ-3В То же 3,5–5,0 1,2–2,5 0,30 0,12 0,25 0,15 0,006 0,04 0,10
АТ3 То же 2,0–3,5 0,2–0,5 0,20–0,40 0,2–0,5 0,15 0,008 0,05 0,10

Свойства титана

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза – железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. Модули упругости характеризуют способность материала упруго деформироваться при приложении к нему силы. Анизотропия заключается в различии свойств упругости в зависимости от направления действия силы. С повышением температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана – существенный его недостаток, т. к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.

Титан – парамагнитный металл. Обычно у парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании уменьшается. Магнитная восприимчивость характеризует связь между намагниченностью вещества и магнитным полем в этом веществе. Титан составляет исключение из этого правила – его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

На нашем сайте, в каталоге титанового проката, вы можете ознакомится и приобрести следующие виды продукции из титана:

  • Блин титановый
  • Карточка титановая
  • Квадрат титановый
  • Лист титановый
  • Плита титановая
  • Пруток титановый
  • Слиток титановый
  • Труба титановая
  • Фольга титановая
  • Шестигранник титановый
  • Проволока титановая

Применение титана

На шельфовых трубопроводах специального назначения применяются для соединения труб титановые блины. Они не ржавеют, не окисляются при контакте с воздухом и агрессивными веществами, жаропрочные и жаростойкие, долго не изнашиваются. Применяются в горной и нефтедобывающей промышленности.

В медицине титан используют благодаря биологической и физиологической инертности по отношению к живому организму, в сочетании с антикоррозионной стойкостью и повышенным механическим качествам. Титановые карточки применяется в изготовлении протезов, зубных имплантатов, в стоматологических и эндодонтических инструментах.

Широкое использование титана и его сплавов в морском судостроении, из-за малой плотности материала. Исключительная стойкость при воздействии морской водой, делает титан незаменимым материалом, для обшивки судов как правило для этого используется листовой титан. Обшитые листами корпуса судов не требуют окраски, и десятилетиями не ржавеют и не разрушаются в морской воде. Малая плотность позволяет снижать массу корабля, что повышает его маневренность и дальность хода. Также широко используются титановые квадраты. Эрозионная и навигационная стойкость позволят не бояться больших скоростей в морской воде: частицы песка не повредят титановым рулям. Прутки из титановых сплавов применяются для изготовления валов, распорок, опоры, части якоря. На подводных лодках титан используется для изготовления деталей палубной арматуры, антенн, приборов, рукояток, постоянно погруженных в морскую воду. Из титана делают корпуса подводных лодок сверхглубокого погружения до 6 км.

Для изготовления конструктивных деталей вертолетов, самолетов используются титановые плиты. К примеру, у Boeing 787 Dreamliner количество титановых деталей составляет 30%. В авиастроительстве титан используется для надежности конструкции, снижает вес деталей и увеличивает долговечность. Титан материал, используемый при конструировании космического корабля «Восток», на котором Юрий Гагарин совершил первый полет в космос, а также в пилотируемых и беспилотных кораблях «Союз», «Марс», «Луна», «Венера».

Шестигранники из сплавов титана используются как конструктивный элемент двигателей космических кораблей. В изготовлении композитных и многокомпонентных материалов используется фольга из титана. Промышленное фольга толщиной до 13 мкм.

В изготовлении шин для авиатранспорта, как армирующий компонент используется титановая проволока. Она значительно снижает вес шин и повышает их долговечность. В новых моделях шин проложена дополнительная силовая сетка, предохраняющая отрыв резинового протектора от корда. Такие модели позволяют эксплуатацию самолета с большим взлетным весом.

В химической и нефтяной промышленности используются титановые трубы. Использование титана в химической промышленности позволило наладить выработку хлора и калия, мочевины и соды, отбеливающих средств, и средств бытовой химии.

Титан в виде слитков используется как сырье для дальнейшей переработки.

  • ) образуется при концентрации водорода более 200 ppm в альфа-титане. 9 Но водород также взаимодействует с дислокациями и трещинами, и было показано, что он влияет на механические свойства даже при концентрациях менее 125 ppm. 10

    Примеси внедрения уже давно признаны в практике плавки и производства слитков титана как источники дефектов расплава. Включения низкой плотности (LDI) представляют собой области интерстициально-упрочненной альфа-фазы с повышенной твердостью, пониженной пластичностью и повышенной температурой бета-перехода. 11 На протяжении многих лет для отливок и поковок применялся строгий контроль обработки, что значительно снизило возникновение промежуточных дефектов. В случае LDI, например, в настоящее время допускается менее одного дефекта на 500 000 кг произведенного титанового сплава. 12 Внедрение новых технологий, таких как плавка в холодном поде, способствовало снижению бракосочетания. Но возможности контроля дефектов, связанных с примесями, в титановых сплавах резко изменились с появлением аддитивного производства. Переработка больше не ограничивается высококвалифицированными производителями титана с уникальными производственными технологиями и средами, такими как вакуумно-дуговая переплавка или плавильные печи с холодным подом. Вместо этого титановые компоненты изготавливаются из порошка на машинах для аддитивного производства, где обращение с порошком и его хранение, а также контроль окружающей среды в машинах в значительной степени возложены на пользователей, что открывает широкий спектр методов обработки и, следовательно, самые разные уровни примесей. Хуже того, многократное увеличение удельной поверхности порошков по сравнению с сыпучими материалами подвергает титан и его сплавы воздействию элементов внедрения в атмосфере аддитивных машин, в частности кислорода, азота и водорода. Во время электронно-лучевой плавки титана слой порошка поддерживается при повышенных температурах в процессе сборки, и эти повышенные температуры улучшают растворимость и диффузионность примесей. Специалисты по аддитивному производству выиграют от более глубокого понимания взаимодействий в металлическом порошке, особенно влияния окружающей среды (парциальное давление кислорода) и роли примесей в изменении свойств порошка. Чтобы принять решение об условиях обработки, специалисты по аддитивному производству могут использовать эти научно обоснованные рекомендации по хранению порошков, обращению с ними, переработке, а также выбору и контролю атмосферы в камере сборки.

    Эти научно обоснованные рекомендации должны начинаться с изучения энергетики междоузельных атомов и вакансий в определенных узлах решетки и их распределения в основной решетке титана и продолжаться с тех же соображений для замещающих элементов. Расчеты теории функционала плотности (DFT) хорошо подходят для определения энергий межузельных атомов, вакансий и атомов замещения. Были проведены обширные исследования DFT титана, в частности, роль точечных дефектов в ω структурное превращение 13,14,15 и диффузия кислорода в решетке, 16,17 обобщенные дефекты крепления, такие как, \(\left( {10\bar 12} \right)\) границы двойников и \((10\bar 10)\) дефект упаковки плоскости призмы, миграция вакансий 18 , термодинамика из первых принципов, основанная на формализме кластерного расширения и моделировании Монте-Карло, а также при определении ближнего порядка. 19,20 Хотя были предприняты некоторые попытки систематически охарактеризовать примеси в Ti, проблема в основном сводилась к дефектным комплексам, образованным из-за растворенных веществ замещения и межузельного кислорода. 17 С этой целью крайне желательно систематическое изучение роли различных примесей в ГПУ-титане.

    Тема точечных дефектов изучается с использованием методов электронной структуры с начала 1960-х годов для объяснения механизма самодиффузии в Cu и образования и миграции вакансий в Cu. 21,22 Величина и степень анизотропии диэлектрической поляризуемости, рассчитанные для Al, Cu и Mo, дают представление о том, что расщепленная конфигурация <100> преобладает в ГЦК металлах, а расщепленная конфигурация <110> преобладает в ОЦК металлах . 23 Недавно появились модели DFT для изучения взаимодействий растворенных веществ и вакансий в Al, в которых рассматривались 3d-ряды растворенных веществ. 24 Основное состояние и термодинамика систем M-H (M = Al, Ba, Ca, K, Mg, La, Li, Na, Ni, Pd, Sc, Sr, Ti, V и Y) 25 также учился. H в Al и интерметаллические выделения Al-Cu-Mg-(Si) и Al-Zn-Mg обычно встречаются в литературе по сплавам Al. 26 Также было успешно проведено моделирование бинарных фазовых диаграмм сплавов Ti-переходных металлов с использованием методологий первых принципов. 27,28 Используя методы молекулярной статики и динамики при изучении влияния напряжения на междоузельную диффузию в Ti, показано, что одноосное напряжение в направлении \([11\bar 20]\) может увеличивать скорость роста радиационно-индуцированных пустот почти на 20%. 29 Применяя модель теории континуума, Šob et al. утверждают, что упрочнение hcp Ti растворенными веществами внедрения (O, N и C) объясняется механизмом трансформации сидячих и скользящих дислокаций. 30 Обычно ожидается, что металлы с одинаковой валентностью демонстрируют одинаковое пластическое поведение. Однако исследование деформации с помощью просвечивающей электронной микроскопии in situ и расчеты из первых принципов показали, что Ti и Zr имеют одинаковую валентность, но имеют разное поведение пластичности из-за инверсии стабильности между скользящими и сидячими ядрами дислокаций. 31 Ю и др. сообщили о своем исследовании, основанном на теории первых принципов, о том, что глубокое упрочнение hcp Ti примесями O связано с сильным химическим взаимодействием O с ядром дислокации. 16

    Эти результаты подчеркивают важную роль химической гибридизации компонентов сплава. В настоящем отчете проводится систематическое исследование точечных дефектов в ГПУ Ti с использованием теории функционала плотности из первых принципов. В данной работе исследуются энергетически предпочтительные места для точечных дефектов, такие как вакансия Ti ( V Ti ), собственные междоузлия, замещение и междоузельные положения примесных элементов с атомным номером от 1 (H) до 20 (Ca), а также несколько переходных металлов с атомным номером больше, чем у титана. Знания, полученные в результате текущей работы, в конечном итоге помогут лучше понять пути диффузии в титане и проложат путь к анализу точечных дефектов для коммерческих сплавов, таких как Ti-6Al-4V.

    Результаты

    Титан в чистом виде при комнатной температуре и атмосферном давлении кристаллизуется в ГПУ-структуре с пространственной групповой симметрией P6 3 /mmc (международная космическая группа № 194). Кристаллическая структура содержит два атома на примитивную ячейку. 32 Параметры решетки, определенные из экспериментов и теоретических исследований, показаны в таблице 1, где значения, рассчитанные с использованием обменно-корреляционных функционалов, таких как аппроксимация локальной плотности (LDA 33 ) и две различные параметризации приближения обобщенного градиента (GGA ), PW’91 34 и PBE сравниваются.

    Таблица 1 Равновесные параметры решетки ГПУ Ti, определенные с помощью различных обменно-корреляционных обработок в DFT, и их сравнение с экспериментальными значениями

    Полный размер таблицы

    Чтобы сравнить относительную стабильность различных дефектов, мы рассчитываем энергию образования, которая получается из полных энергий, рассчитанных с помощью DFT. Энергия образования определяется как 35,36,37

    D}} \right) – E_{{\mathrm{Ti}} – {\mathrm{host}}} – pn_X\mu _X$$

    (1)

    Здесь, E f (D) — энергия образования дефекта D, измеряемая в эВ/суперячейка, E Supercell (D) и E Ti−хозяин — полная энергия дефекта и чистой суперячейки соответственно. мк Х — химический потенциал для видов X и n X — количество таких примесей в дефектной суперъячейке. стр  = ±1 в зависимости от того, удаляется ли атом из суперячейки-хозяина или добавляется к ней для создания дефектной суперячейки. Концентрация точечных дефектов пропорциональна экспоненте энергии образования. Энергия образования также помогает определить коэффициент диффузии для кинематики дефектов. 38 Однако первые принципы определения энергии пласта, рассчитанной по формуле. (1) зависит от выбора μ X ; следовательно, правильный выбор химических потенциалов улучшает интерпретацию энергий образования. В нашем исследовании мк X Значения выбирают из чистого состояния примесей, называемых химическими потенциалами «элементов», а оксиды соответствующих элементов-примесей называют химическими потенциалами «оксидов». Подробно об источниках μ X и их роль в термодинамике представлена ​​во вспомогательной информации.

    Мы отмечаем, что LDA и GGA не могут предсказать свойства основного состояния сильно коррелированных систем, особенно оксидов переходных металлов, проявляющих сегнетоэлектричество, сверхпроводимость, переходы металл-изолятор и магнетизм. Проблема более остра для полупроводниковых свойств и магнитных свойств и не так серьезна для простых металлических элементов. Ситуацию в идеале можно преодолеть, включив на месте специфический для элемента и орбитально селективный член кулоновского отталкивания, называемый Хаббардом 9. 0519 U (метод DFT +  U ). Однако нет единого мнения об использовании конкретного значения U для всех расчетов, поскольку эти значения не подлежат передаче. Фактическое значение U меняется в зависимости от элементов переходных металлов и их соответствующих соединений. Это еще более осложняется тем фактом, что значение U не должно быть одинаковым для разных кристаллических структур одного и того же элемента или соединения. Таким образом, полная энергия зависит от значения U в методе DFT +  U . Поскольку полная энергия является основой нашего анализа, мы пытаемся здесь избежать двусмысленности, которая может возникнуть из-за включения двух разных уровней теории, DFT и DFT +  U и варьирования значения U индивидуально для каждого элемента.

    Собственные междоузлия

    Атомы титана, занимающие междоузельные узлы решетки, являются собственными междоузлиями. В ГПУ-кристаллической решетке дефект собственного внедрения может располагаться в шести узлах элементарной ячейки, как показано на рис. 1.9.0030 39 Они называются ортогональными (О) и тетраэдрическими (Т) позициями. Примеси в базально-тетраэдрических (BT) и базально-октаэдрических (BO) позициях лежат в базисной плоскости, на полпути между двумя соседними позициями T и позициями O вдоль направления c соответственно. Краудионы представляют собой промежуточные положения между центром связи Ti-Ti, и были идентифицированы две разные конфигурации: базальный (CB) и небазальный (CN) краудионы. В отличие от этих примесных узлов, которые могут содержать только один примесный атом на узел, димероподобные межузельные точечные дефекты состоят из двух атомов. Два атома димероподобной примеси смещены симметрично относительно вакантного узла решетки. Из-за гексагональной симметрии существуют две ориентации димероподобных точечных дефектов. Конфигурация гантелей, ориентированная вдоль c -направление (DC) и конфигурация гантели, лежащая в базовой плоскости (DB), являются уникальным выбором. Конфигурации DC и DB представляют собой разделенные межстраничные объявления, которые являются своего рода собственными межстраничными объявлениями. Положения всех восьми междоузельных конфигураций показаны на схематическом изображении на рис. 1. Энергии образования суммированы для восьми собственных междоузельных конфигураций в Ti, перечисленных в таблице 2. Суперячейка состоит из периодического повторения ГПУ примитивной решетки. единиц, в которых размещаются примесные атомы. Эта суперячейка геометрически оптимизирована схемой сопряженных градиентов, чтобы минимизировать внутреннюю деформацию. Характерные положения примеси в оптимизированной суперячейке устанавливаются путем изучения ее ближайшего соседа. Разность энергий образования и полная разность энергий для изолированных дефектов собственного внедрения одинаковы. Однако энергия образования имеет преимущество, так как позволяет сравнивать расщепленную энергетику внедрения со случаями конфигураций дефектов замещения и внедрения.

    Рис. 1

    Схематическая кристаллическая структура, показывающая положения различных типов собственных междоузлий в решетке ГПУ Ti. Положения тетраэдрического (Т), ортогонального (О), базового тетраэдрического (ВТ), базового ортогонального (ВО), краудиона в базисной (CB) и небазальной (CN) плоскостях, а также расщепленного междоузлия вдоль c -направление (DC) и в базисной плоскости (DB). В таблице 2 приведена относительная стабильность этих дефектов в Ti-хозяине

    Полноразмерное изображение

    Таблица 2 Сравнение E f (в эВ на суперячейку) для восьми конфигураций собственных междоузлий (показаны на рис. 1)

    Полный размер таблицы

    Длина связи слитого междоузлия была рассчитана как 1,663 и 1,930 Å для DC и DB соответственно. Исходные геометрии были выбраны путем выбора конфигурации с наименьшей полной энергией после проверки зависимости полной энергии от длины связи примесной пары в чистой решетке. Энергии образования приведены в табл. 2 для начального ( Е ф U ) и расслабленный ( E f R ) суперячейки для различных конфигураций. Другими словами, E f U указывает энергию примесных межузельных димеров, когда атомы-хозяева не релаксированы. Разница в энергии (Δ E f UR  =  Е ф U E f R ) объясняет выигрыш в химической энергии за счет локальных искажений решетки. Длины связей Ti–Ti составляют 1,430 и 1,463 Å для конфигураций CN и CB соответственно, что составляет примерно половину равновесной постоянной решетки. Δ Е f UR выглядит большим для собственных межстраничных объявлений Crowdion; 90,4 и 9,8 эВ для CB и CN соответственно из-за величины E f U , которая уже велика за счет дополнительного атома Ti между равновесными связями Ti–Ti. По сравнению с этим разность энергий Δ E f UR минимален для разделенных междоузельных конфигураций, DC и DB, поскольку два примесных атома расположены в междоузельной области близко к их равновесному разделению из-за способа подготовки моделей DC и DB.

    Мы обнаружили, что конфигурация BO является наиболее благоприятной конфигурацией собственного междоузлия. Энергия конфигурации CB аналогична энергии конфигурации BO. Релаксированные суперячейки конфигурации CB идентичны конфигурации BO. Результаты, ранее сообщавшиеся в исх. 29 тот факт, что конфигурация DB является наиболее благоприятной самоинтерстициальной конфигурацией, противоречит нашим результатам. Фактически, наши нерелаксированные результаты суперячейки совпадают с выводами исх. 9{\mathrm{U}}\) в таблице 2).

    Пары вакансия-междоузлия

    Энергия образования атома, отсутствующего в узле решетки, т. е. вакансии ( V Ti , не путать с ванадием, замещенным на узле Ti, V Ti ), равна рассчитывается как

    $$E_f\left( {V_{{\mathrm{Ti}}}} \right) = E\left( {{\mathrm{Ti}} + V_{{\mathrm{Ti}}}} \right) – \mu _{{\mathrm{Ti}}}$$

    (2)

    где E – полная энергия и значение μ Ti , полученное из объема Ti, составляет 1,94  эВ, что аналогично значению, полученному из расчетов сверхмягких псевдопотенциалов. 40 Энергии вакансий Ti получены в аналогичном диапазоне с разными обменно-корреляционными функционалами, 41 которые завышены по сравнению с полученными в эксперименте (1,55 эВ в ссылке 42 и 1,27 эВ из спектроскопии позитронной аннигиляции в ссылке 43 ). Расхождение связано с отсутствием обменной корреляции на основе плотности для учета точной обработки электронной корреляции. 44 Существует способ обойти ограничения GGA, добавив поправочный член Хаббарда U . Однако в нашем исследовании он не использовался из-за неоднозначности, которую он вносит в трактовку химических потенциалов, что влияет на расчет энергий образования. Энергетика показывает, что величина энергии образования вакансий сравнима с собственными междоузлиями, см. табл. 2. Таким образом, можно предположить, что и вакансии, и собственные междоузлия, вероятно, одновременно реагируют на термодинамические возмущения, которые можно объединить для получения механизм миграции атома Ti для прыжка из положения в решетке в ближайшее междоузельное положение. Рассмотрение μ Ti , полученные из объемных моделей Ti, включают ситуацию, когда решетка вакансий находится в термодинамическом равновесии с идеальным объемным Ti. Однако это может быть нереалистичным в технологических процессах, особенно если интересующий смещенный атом Ti остается глубоко в объемном образце, образуя вторичные фазы с другими дефектами/примесями в решетке. Наиболее тривиальным случаем для нашего обсуждения были бы дефектные комплексы, состоящие из вакансии и примеси собственного внедрения.

    Чтобы получить представление о дефектных комплексах, мы рассчитали энергию образования V Ti – межузельная пара Ti в зависимости от разделения отдельных компонентов, т.е. вакансии титана, V Ti и межузельного атома титана. Модели Supercell были приготовлены с междоузлиями Ti в конфигурации BO и V Ti , созданными в разных положениях, так что расстояние V Ti от междоузельного Ti составляет 2,15, 4,20, 4,58, 6,44 и 9,23 Å. После минимизации внутренних сил в суперячейках (геометрическая оптимизация) обнаружено, что для первых трех более коротких расстояний между парами межузельный Ti будет притягиваться к пустому узлу решетки, что может привести к устранению дефекта. Однако при больших расстояниях 6,44 и 9.23 Å взаимодействие между V Ti и межузельным атомом титана экранируется атомами-хозяевами между ними. В результате V Ti и межузельный атом Ti попадают в локальные минимумы энергии без заметного изменения их разделительного расстояния. Энергии образования для трех кратчайших расстояний одинаковы и почти на 3,9  эВ меньше, чем энергии образования двух больших расстояний. В идеале с точки зрения энергетики можно было бы ожидать, что вакансии и междоузлия должны аннигилировать друг с другом и, таким образом, восстановить окружение идеальной ГПУ-решетки, если эти дефекты находятся в непосредственной близости.

    Примеси внедрения и замещения

    Энергии образования примесей в положениях внедрения и замещения в ГПУ-решетке Ti рассчитаны из «элементных» химических потенциалов ( μ элемент ) и «оксидных» химических потенциалов ( μ оксид ), см. вспомогательную информацию, которая указана в таблицах 3 и 4 соответственно. Например, на рис. 2а показаны рассчитанные энергии образования примеси О в Ti. Энергии образования в нижнем диапазоне получаются из полной энергии O 2 , что можно интерпретировать как термодинамическое состояние с богатой кислородом средой, в то время как энергии образования в верхнем диапазоне получены из TiO 2 в структуре рутила, что можно интерпретировать как термодинамическое состояние с дефицитом кислорода Окружающая среда. Горизонтальные пунктирные линии на этом рисунке обозначают конфигурацию с наименьшей энергией образования в каждом случае. Замечено, что атом O предпочитает октаэдрическое междоузлие, когда в окружающей среде дефицит кислорода. С другой стороны, в среде с высоким содержанием кислорода термодинамически стабильной фазой являются пары примесей кислорода, приводящие к конфигурациям DB и DC (см. рис. 1). Относительные различия энергий образования позиций внедрения и замещения для двух типов химического окружения можно оценить по данным рис. 2а.

    Таблица 3 Энергии образования (в эВ на суперячейку) примесей в различных положениях в ГПУ Ti (см. рис. 1)

    Полная таблица

    Таблица 4 Энергии образования (в эВ на суперячейку) примесей в различных положениях в ГПУ Ti (см. рис. 1)

    Полная таблица

    Рис. 2

    Сравнение энергий образования примесных элементов в различных позициях внедрения и на позиции замещения. Примесь O выбрана в качестве примера в ( a ). Нижний и верхний диапазоны энергий образования получены с использованием μ оксида и μ элемента , полученного из молекулы O 2 и твердого вещества TiO 2 , соответственно, значения которых показаны пунктирными горизонтальными линиями. б Минимальное значение энергий образования исследуемых примесей от двух источников химических потенциалов. Символы соответствуют конфигурациям примесей, как в ( и ). Энергии формирования данных для выбранных элементов 3d, 4d и 5d показаны на заштрихованном (желтом) фоне

    Увеличить

    Чем ниже энергия образования дефектной конфигурации, тем выше вероятность обнаружения такого дефекта в образце. На рис. 2b показаны самые низкие энергии образования, полученные для различных элементов, от H (атомный номер  = 1) до Ca (атомный номер  = 20), за исключением элементов благородных газов He и Ne. Дополнительные выбранные элементы из переходных металлов серий 3d, 4d и 5d, V, Ni, Cu, Zr, Mo, Ag, Ta, W, Au и Pb, рассматриваются для того, чтобы сравнить тенденции энергий образования элементов для относительно больший размер атома. Энергии образования этих случаев показаны в заштрихованной области рис. 2б. Тренд наименьших энергий образования (среди различных конфигураций примесей) на рис. 2б, полученный из μ Элемент отмечен красной линией. Энергии образования, полученные из μ оксида , отмечены синей линией на том же рисунке. Обнаружено, что эти химические потенциальные обработки приводят к двум различным тенденциям в отношении самых низких энергий пласта.

    Как правило, металлические примеси, независимо от размера их атомов и воздействия типа химической среды (учитывая два различных химических потенциала), благоприятствуют местам замещения. С другой стороны, обычные высокоэлектроотрицательные элементы, такие как C, N, O, F, S и Cl, не благоприятствуют сайту замены. Вместо этого элементы C, N и Cl предпочитают октаэдрические междоузлия для двух химических сред. H, O и S стабилизируют различные конфигурации примесей при различной обработке химическим потенциалом: октаэдрические конфигурации примесей для μ оксид и конфигурация примесь-димер (DB и DC) для μ элемент . Фтор является единственным элементом, который образует примесь-димер в Ti для обоих типов химических потенциалов. Следует подчеркнуть, что H, который легко мог потерять свой электрон, образуя катион H + , фактически ведет себя аналогично электроотрицательным элементам, будучи введенным в качестве примеси в Ti. Этот результат подтверждает анализ переноса заряда, в котором наблюдается, что H приобретает электроны от соседних атомов Ti, что обсуждается в следующем разделе. 9{{\ mathrm {hybridized}}} \) – это вычисленный заряд Бейдера после достижения самосогласованных полевых решений. Согласно этому определению отрицательные значения для Δ q B ( X ) будет означать накопление заряда от окрестности атомной позиции X (определение согласуется с определением заряда электрона, рассматриваемого как отрицательное), в то время как положительное значение будет означать потерю заряда с атомной позиции X 905:20 по окрестностям. Тенденция Δ q B Ожидается, что ( X ) для примеси и атомов-хозяев будут обратно пропорциональны, поскольку потеря или приобретение заряда в месте примеси должно коррелировать с изменениями заряда в соседних атомах-хозяевах. Отрицательные значения Δ q B являются общими для электроотрицательных примесей, таких как C, N, O и F. Перенос заряда на соседний носитель Ti (<Δ Б (Ti)>) усредняется по ближайшим соседним координациям 4, 6 и 12 для примесного атома, расположенного в тетраэдрической, октаэдрической и замещенной примесных позициях соответственно.

    Перенос заряда между атомами примеси и ближайшими соседними атомами-хозяевами Ti в зависимости от атомного номера (кроме инертных газов) показан на рис. 3а для октаэдрических и примесных позиций замещения. Перенос заряда следует той же тенденции периодов в периодической таблице для обоих примесных узлов. Средний перенос заряда на Ti ниже по величине, потому что несколько атомов Ti из соседней области связываются с атомом примеси. Перенос заряда на примесные атомы в октаэдрических междоузлиях и позициях замещения различается в зависимости от среднего переноса заряда Ti, как показано на рис. 3б. Синие и черные сплошные линии представляют собой линии тренда для данных о примесях в октаэдрических положениях внедрения и замещения соответственно. Из рис. 3б видно, что перенос заряда на примеси в случаях замещения (наклон черной линии) в целом больше, чем для октаэдрических положений примеси (наклон синей линии). Та же информация также изображена на рис. 3а, где мы отмечаем разницу в значениях переноса заряда между случаями замещения (закрашенные квадраты) и интерстициального (незаштрихованные кружки). Как уже указывалось в предыдущем разделе, H в металлическом Ti имеет отрицательные значения Δ Б как для случаев замещения, так и для случаев внедрения (см. рис. 3a,b), предполагая, что он действует как примесь, притягивающая электроны, подобно C, O и F.

    Рис. 3

    a соседние атомы Ti. б Сравнение тренда переноса заряда для примесей в октаэдрических позициях внедрения и замещения

    Увеличенное изображение

    Предпочтительная конфигурация для рассматриваемых элементов представлена ​​на рис. 4, где энергии образования примесей замещения сравниваются с минимальная энергия образования из междоузельных конфигураций. Обнаружено, что сильно электроотрицательные элементы, H, C, N, O, F, S и Cl, благоприятствуют междоузлиям (см. рис. 2b). Химическая гибридизация играет более решающую роль, чем другие конкурирующие термины. Линия y = х — случай, когда равновероятны как замещающие, так и внедренные примеси. Чем дальше от этой линии, тем выше вероятность примесей внедрения или замещения. Случаи примесей P и Ni отклоняются от ожидаемого поведения. Другими словами, энергии их образования лежат относительно близко к линии y  =  x . Интуитивно ожидается, что P будет благоприятствовать интерстициальному положению, в то время как Ni, как ожидается, будет благоприятствовать замещающему сайту. Пересмотр исходных соединений, из которых получен химический потенциал, потенциально может помочь исправить это несоответствие. Кроме того, для Ni трудность может заключаться в значении химических потенциалов, которое определяется оксидным соединением NiO. NiO является примером соединения, в котором приближение GGA не учитывает сильные эффекты электронной корреляции. 47

    Рис. 4

    Сравнение энергий образования места замещения (по оси абсцисс) и наиболее благоприятной конфигурации внедрения (по оси ординат). Линия y  =  x показывает четкое разделение и предполагает благоприятную конфигурацию точечных дефектов 50 , которые учитывают: (а) разницу в электроотрицательности среди вовлеченных частиц, (б) разницу в размере составляющих атомов, (в) правила заполнения электронами (приобретение октатной электронной конфигурации посредством гибридизации) и ( г) конкурирующие кристаллические структуры для объяснения тенденций растворимости твердых веществ. Аналогичные эмпирические правила можно было бы сформулировать для точечных дефектов и примесей в металлах. Пренебрегая тепловыми эффектами, такие ориентиры можно вывести из энергий образования, поскольку они напрямую связаны со стабильностью примесей. Хотя это и не указано в первоначальной форме правил, энергия ионизации примесных элементов может быть включена в качестве дескриптора в настоящий контекст точечных дефектов, поскольку для уравновешивания зарядов в однофазной системе электроотрицательность примесных атомов должна быть связано с потенциалом ионизации атомов-хозяев и наоборот. Динамика энергии ионизации, электроотрицательности и ковалентного радиуса элементов показана на рис. 5а–е. Легко сравнить данные в зависимости от числа валентных электронов для элементов во второй (от Li до F) и третьей строках (от Na до Cl) таблицы Менделеева, а также в зависимости от номера столбца таблицы Менделеева. для элементов четвертой, пятой и шестой строк. Переходные металлы имеют несколько потенциальных состояний валентности, которые обрабатываются путем выбора номера столбца периодической таблицы. Значение соответствующих физических величин для Ti показано горизонтальной пунктирной линией. Более легкие элементы демонстрируют четкие тенденции по сравнению с более тяжелыми переходными элементами. С увеличением атомного номера электроны занимают d и появляются f-орбитали. Они сильно коррелированы, и их химия более сложна.

    Рис. 5

    Тенденция изменения энергии ионизации, электроотрицательности и ковалентного радиуса элементов в зависимости от расположения элементов в периодической таблице показана на ( a f ). Обратите внимание, что данные сравниваются с числом валентных электронов для элементов во второй (от Li до F) и третьей строках (от Na до Cl) таблицы Менделеева и в зависимости от номера столбца таблицы Менделеева для элементов в четвертой, пятой, и шестой ряд соответственно. Значение соответствующей физической величины для Ti показано горизонтальной пунктирной линией. Наименьшие значения энергии образования, полученные для нескольких конфигураций, отложены по оси абсцисс величин в ( g ) и ( h ), соответственно, как графики слева и справа

    Полноразмерное изображение

    ТПФ — это количественная теория, которая может дать способ объяснить тенденции в свойствах материалов, такие как описанные по правилам Юма-Розери. Поскольку энергии образования зависят от выбора химического потенциала, найти уникальную функциональную зависимость энергий образования от физических параметров может быть непросто. Существуют дополнительные сложности для примесей переходных металлов из-за их многовалентного состояния. Энергии образования соответствующих примесей для μ элемент и μ оксид для показаны на рис. 5г, ч. Расчеты были выполнены с учетом объемной релаксации суперячейки, что подразумевает, что объединенная роль электроотрицательности, потенциала ионизации, ковалентных радиусов и т. д. может быть собрана в один физический дескриптор, которым является изменение объема суперячейки. Изменение объема можно зафиксировать экспериментально, определив параметры решетки с помощью общедоступных методов определения характеристик, таких как дифракция рентгеновских лучей, электронов или нейтронов. На рис. 6 показано сравнение изменения объема для всех конфигураций примеси. Конфигурации с наименьшей энергией пласта обведены прямоугольниками для каждой обработки химическим потенциалом (синий цвет для μ элемент и зеленый для μ оксид ). Обратите внимание, что в большинстве случаев конфигурация с наименьшей энергией одинакова для обеих химических потенциалов, поэтому показан только синий прямоугольник. Наблюдается, что, за исключением сильно электроотрицательных элементов C, N, O, F, S и Cl, общая тенденция к меньшему изменению объема соответствует более низким энергиям образования, что достигается замещением в решетке Ti. Это ожидается, потому что большие объемные изменения в кристаллической решетке увеличат упругую энергию системы. Для сравнения, объем ГПУ Ti, рассчитанный по DFT, составляет 34,263 Å 3 /ячейка, тогда как ОЦК Ti составляет 34,012 Å 3 /ячейка (элементарная ячейка содержит 2 атома Ti). 51 Разница в объеме составляет 0,251 Å 3 /элементарную ячейку, что сравнимо с изменением объема, возникающим для точечных дефектов, особенно для примесей переходных металлов. Это существенное возмущение решетки Ti. С другой стороны, для сильно электроотрицательных элементов решающую роль играет химическая гибридизация точечного дефекта с окружающей его матрицей, и эти примеси находятся в междоузлиях.

    Рис. 6

    Изменение объема на примитивную ГПУ-ячейку (на два атома), полученное в результате геометрической оптимизации суперячейки с примесями в различных конфигурациях. Положительное значение изменения объема подразумевает гидростатическую деформацию растяжения, а отрицательное значение — гидростатическую деформацию сжатия. Цветовой код примесных конфигураций такой же, как на рис. 2(а). Конфигурации с самой низкой энергией образования обведены синими и зелеными прямоугольниками для μ элемент и μ оксиды соответственно. Случаи, когда конфигурации с наименьшей энергией перекрываются, показаны только синим прямоугольником. Тенденция, согласно которой низкое изменение объема связано с низкими энергиями образования, отражается для большинства примесей, за исключением сильно электроотрицательных элементов, таких как C, N, O, F, S и Cl. точечные дефекты в Ti и в любом основном металле имеют жизненно важное значение. Например, было замечено, что микроструктура нержавеющей стали чувствительна к газовой среде, в которой выполняется лазерная плавка. 52 Металлы часто загрязняются газами при высокотемпературной обработке. Газообразные элементы, такие как азот в стали, иногда преднамеренно добавляют в качестве легирующего элемента. 53 Другой пример; Объединяя тот факт, что c / a соотношение ГПУ-решетки Ti увеличивается с 1,59 до 1,633 с увеличением содержания кислорода 3,4 и сопоставляя результаты на рис. 6, можно интерпретировать, что O не способствует замещению или межстраничное положение DB, чтобы учесть положительное изменение объема. Обратите внимание, что положение DB (также DC) предпочтительнее при очень высоком химическом потенциале кислорода или при воздействии очень высокого парциального давления O 2 газ.

    Достижения в методах обработки материалов, таких как лазерное аддитивное производство, привели к возрождению интереса к точечным дефектам и их стабильности из-за фундаментальной необходимости контролировать обработку и хранение исходных порошков. Светопоглощающая способность и нагрев порошков лазерным излучением зависят от химического состава вместе с другими факторами, такими как распределение среднего размера частиц и состояние поверхности порошка. Для повышения степени абсорбции исходный материал может быть подвергнут соответствующей предварительной обработке. Легирование является одним из методов, с помощью которых можно настроить электронную структуру исходного материала, например, для максимального увеличения поглощающей способности лазера. Еще одним преимуществом лазерных технологий аддитивного производства является возможность контролируемой обработки в различных газовых средах в одной сборке, что позволяет осуществлять локальный контроль микроструктуры. Следовательно, эти химические тенденции точечных дефектов могут привести к необходимому пониманию, чтобы потенциально преодолеть проблемы лазерной поглощающей способности и фазовой стабильности. Таким образом, несмотря на то, что тепловыми эффектами пренебрегали, результаты DFT дают полезную информацию о физике точечных дефектов и о свойствах материалов в основном состоянии.

    В заключение мы изучили внутренние и внешние точечные дефекты в ГПУ Ti с использованием теории функционала плотности. Примеси систематически выбираются из периодической таблицы с атомными номерами от 1 до 20 (кроме благородных газов) и выбранными элементами с атомным номером выше 20, такими как V, Ni, Cu, Zr, Mo, Ag, Ta, W, Au, и Pb, чтобы понять тенденции образования межузельных и замещающих дефектов. Исследованы два химических состояния, представленных химическим потенциалом элемента и химическим потенциалом оксида. По результатам этого исследования сделаны следующие выводы:

    1. (я)

      Базовая ортогональная (БО) конфигурация является энергетически наиболее выгодным местом для собственных межузельных атомов Ti в ГПУ-решетке Ti. CB (базальная краудионная конфигурация) после геометрической оптимизации с целью минимизации локальных сил приводит к конфигурации BO и, следовательно, имеет такое же значение энергии образования, как и конфигурация BO.

    2. (ii)

      Металлические примеси благоприятствуют местам замещения в ГПУ Ti независимо от размера их атомов и химического окружения.

    3. (iii)

      Сильно электроотрицательные элементы, такие как C, N, O, F, S и Cl, имеют стабильные конфигурации в октаэдрических междоузлиях или в виде примесных димеров в зависимости от химического окружения. Хотя атомы водорода не являются сильно электроотрицательными, они также энергетически благоприятствуют октаэдрическим междоузлиям. Фтор является единственным элементом, который способствует димерной конфигурации в ГПУ Ti для двух исследованных химических условий.

    4. (4)

      Комплексы дефектов между вакансиями в ГПУ-решетке Ti и междоузлиями Ti имеют тенденцию к слиянию и аннигиляции. Они сохраняют свое существование только на расстоянии более двух единиц параметра решетки.

    5. (в)

      Мы показываем, что изменение объема суперячейки может быть хорошим дескриптором поступления примесей в решетку Ti. Наши результаты показывают, что более низкие изменения удельного объема способствуют более вероятной конфигурации примесей из-за более низкой стоимости упругой энергии. Этой тенденции удовлетворяют все примеси переходных металлов, предпочитающие места замещения. Однако элементы с высокой электроотрицательностью, такие как C, N, O, F, S и Cl, отклоняются от этой тенденции из-за сильной химической гибридизации.

    Методы

    Мы использовали ТПФ для нашего теоретического анализа. Расчеты спин-поляризованной полной энергии были выполнены для размера суперячейки 6 × 6 × 3 примитивных ячеек. Суперячейка имеет 216 атомов титана для корпуса из чистого титана. A single point defect in the supercell thus corresponds to a concentration of x ~0.46 at% (Ti 99.54 X 0.46 ; X  =  V Ti , elements with atomic number 1 (H ) до 20 (Ca) и более крупных элементов, таких как V, Ni, Cu, Zr, Mo, Ag, Ta, W, Au и Pb, грубо сканируя элемент из 3 d , 4 d и 5 d периодов таблицы Менделеева. Случаи примесных димеров имеют x ~0,92 ат% из-за двух примесных атомов в суперячейке. GGA используется для функционала обменно-корреляционной энергии, параметризованного Perdew-Burke-Erzernhof 54 вместе с методом дополненной волны проектора. 55 Отсечка кинетической энергии для плоских волн установлена ​​на 500 эВ. Интегрирование в обратном пространстве проводится с Γ-центрированными 3 × 3 × 3 k -точечная сетка гексагональной зоны Бриллюэна. Геометрическая оптимизация суперячейки была разрешена с критерием допуска для полной энергии, установленным на 10 -7   эВ, чтобы минимизировать локальные силы. Расчеты DFT были выполнены с использованием пакета моделирования Vienna ab initio. 56,57

    Заявление о доступности данных

    Авторы заявляют, что данные, подтверждающие результаты этого исследования, доступны в документе и в файле с дополнительной информацией.

    Ссылки

    1. Smallman, R. E., Harris, J. E. & Society, M. Вакансии ’76: Материалы конференции по « Поведение точечных дефектов и диффузионные процессы», Metals Society, организованной и проводимой в Королевском форте Бристольского университета, 13–16 сентября 1976 г. (Общество металлов, 1977 г.).

    2. Damask, A.C. & Dienes, G.J. Точечные дефекты в металлах (Gordon and Breach, 1963).

    3. Fast, N.D. Spanlose Formung von Zirkon und Titan. Metallwirtsch 17 , 459–466 (1938).

      Google ученый

    4. Конрад Х. Влияние растворов внедрения на прочность и пластичность титана. Прог. Матер. науч. 26 , 123–403 (1981).

      Артикул Google ученый

    5. Симби, Д. Дж. и Скалли, Дж. К. Влияние остаточных элементов внедрения и железа на механические свойства технически чистого титана. Матер. лат. 26 , 35–39 (1996).

      Артикул Google ученый

    6. Tal-Gutelmacher, E. & Eliezer, D. Водородное охрупчивание сплавов на основе титана. JOM 57 , 46–49 (2005).

      Артикул Google ученый

    7. Джаффи, Р. И. и Кэмпбелл, И. Э. Влияние кислорода, азота и водорода на очищенный йодом титан. JOM . 1 , 646–654 (1949).

    8. Donachie, M. J. Титан и титановые сплавы . (Американское общество металлов, 1982 г.).

    9. Wasz, M.L., Brotzen, F.R., McLellan, R.B. & Griffin, A.J. Влияние кислорода и водорода на механические свойства титана коммерческой чистоты. Междунар. Матер. 41 , 1–12 (1996).

      Артикул Google ученый

    10. Donachie, M.J. Jr. Тиатан — Техническое руководство 2nd edn, Vol. 55, 1023–1026 (ASM International, 2000).

    11. Лютьеринг, Г. и Уильямс, Дж. К. Титан . (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007).

    12. Hennig, R.G. et al. Примеси блокируют мартенситное превращение из альфа в омега в титане. Нац. Матер. 4 , 129–133 (2005).

      Артикул Google ученый

    13. Нишитани С.Р., Кавабе Х. и Аоки М. Расчеты из первых принципов перехода ОЦК-ГПУ титана. Матер. науч. англ. А 312 , 77–83 (2001).

      Артикул Google ученый

    14. Ахуджа Р., Уиллс Дж. М., Йоханссон Б. и Эрикссон О. Кристаллические структуры Ti, Zr и Hf при сжатии: теория. Физ. Ред. B 48 , 16269–16279 (1993).

      Артикул Google ученый

    15. Ю. К. и др. Происхождение сильного упрочняющего эффекта растворенного кислорода в титане. Наука 347 , 635–639 (2015).

      Артикул Google ученый

    16. Ву, Х. Х. и Тринкль, Д. Р. Влияние растворенного вещества на диффузию кислорода в α-титане. Дж. Заявл. Физ . 113 (2013).

    17. Ву, X., Ван, Р. и Ван, С. Энергия обобщенного дефекта упаковки и свойства поверхности для металлов HCP: исследование первых принципов. Заяв. Серф. науч. 256 , 3409–3412 (2010).

      Артикул Google ученый

    18. ван де Валле, А. и Аста, М. Исследование из первых принципов идеальных и диффузных антифазных границ в сплавах Ti-Al на основе ГПУ. Металл. Матер. Транс. A 33 , 735–741 (2002).

      Артикул Google ученый

    19. Аста, М., Де Фонтен, Д., Ван Шильфгаард, М., Слютер, М. и Метфессель, М. Исследование фазовой стабильности на основе первых принципов ГЦК-сплавов в системе Ti-Al. Физ. Ред. B 46 , 5055–5072 (1992).

      Артикул Google ученый

    20. Хантингтон, Х. Б. Самосогласованное рассмотрение вакансионного механизма металлической диффузии. Физ. 61 , 325–338 (1942).

      Артикул Google ученый

    21. Роброк, К.-Х. в Механическая релаксация междоузлий в облученных металлах (изд. Роброк, К.-Х.) 47–75 (Springer Berlin Heidelberg, 1990).

    22. Волвертон, К. Связывание растворенного вещества с вакансией в алюминии. Acta Mater. 55 , 5867–5872 (2007).

      Артикул Google ученый

    23. Волвертон, К., Озолиньш, В. и Аста, М. Водород в алюминии: основные расчеты структуры и термодинамики. Физ. Ред. B 69 , 144109 (2004).

      Артикул Google ученый

    24. Волвертон, К. Кристаллическая структура и стабильность сложных выделенных фаз в сплавах Al-Cu-Mg-(Si) и Al-Zn-Mg. Acta Mater. 49 , 3129–3142 (2001).

      Артикул Google ученый

    25. Хуанг Л.-Ф. и другие. От электронной структуры к фазовым диаграммам: восходящий подход к пониманию стабильности сплавов титана с переходными металлами. Acta Mater. 113 , 311–319 (2016).

      Артикул Google ученый

    26. Sluiter, M. & Turchi, P.E.A. Фазовая стабильность в сплавах Ti-V и Ti-Cr: теоретическое исследование. Физ. Ред. B 43 , 12251–12266 (1991).

      Артикул Google ученый

    27. Шоб М., Кратохвил Дж. и Крупа Ф. Теория упрочнения альфа-титана растворенными веществами внедрения. Чехословакия. Дж. Физ. B 25 , 872–890 (1975).

      Артикул Google ученый

    28. Clouet, E., Caillard, D., Chaari, N., Onimus, F. & Rodney, D. Блокировка дислокаций по сравнению с легким скольжением в титане и цирконии. Нац. Матер. 14 , 931–936 (2015).

      Артикул Google ученый

    29. Партридж, П. Г. Кристаллография и режимы деформации гексагональных плотноупакованных металлов. Междунар. Матер. 12 , 169–194 (1967).

      Артикул Google ученый

    30. Пердью, Дж. П. и Зунгер, А. Поправка на самодействие для приближений функционала плотности для многоэлектронных систем. Физ. Rev. B 23 , 5048–5079 (1981).

      Артикул Google ученый

    31. Perdew, J. P. et al. Атомы, молекулы, твердые тела и поверхности — применение приближения обобщенного градиента для обмена и корреляции. Физ. Ред. B 46 , 6671–6687 (1992).

      Артикул Google ученый

    32. Барафф Г.А. и Шлюльтер М. Электронная структура, полная энергия и распространенность элементарных точечных дефектов в GaAs. Физ. Преподобный Летт. 55 , 1327–1330 (1985).

      Артикул Google ученый

    33. Чжан, С. Б. и Нортрап, Дж. Э. Зависимость энергии образования дефектов в GaAs от химического потенциала: приложение к самодиффузии Ga. Физ. Преподобный Летт. 67 , 2339–2342 (1991).

      Артикул Google ученый

    34. Neugebauer, J. & Van De Walle, C.G. Атомная геометрия и электронная структура собственных дефектов в GaN. Физ. Ред. B 50 , 8067–8070 (1994).

      Артикул Google ученый

    35. Франк В., Брейер У., Эльзассер К. и Фэнле М. Расчеты из первых принципов абсолютных концентраций и констант самодиффузии вакансий в литии. Физ. Преподобный Летт. 77 , 518–521 (1996).

      Артикул Google ученый

    36. Франк В. Собственные точечные дефекты в гексагональных плотноупакованных металлах. J. Nucl. Матер. 159 , 122–148 (1988).

      Артикул Google ученый

    37. Raji, A. T. et al. Ab initio исследование Kr в ГПУ Ti: диффузия, образование и стабильность малых кластеров Kr-вакансий. Нукл. Инструм. Методы физ. Рез. Б. 267 , 2991–2994 (2009).

      Артикул Google ученый

    38. Медасани, Б., Харанчик, М., Каннинг, А. и Аста, М. Энергии образования вакансий в металлах: сравнение MetaGGA с обменно-корреляционными функционалами LDA и GGA. Вычисл. Матер. науч. 101 , 96–107 (2015).

      Артикул Google ученый

    39. Шестопал В. О. Теплоемкость и образование вакансий в титане при высоких температурах. Сов. физ. Твердотельный 7 , 2798–2799 (1966).

      Google ученый

    40. Хашимото Э. , Смирнов Э. А. и Кино Т. Температурная зависимость формы линии аннигиляции позитронов в α-Ti, уширенной доплеровским методом. J. Phys. Ф. Мет. физ. 14 , L215–L217 (1984).

      Артикул Google ученый

    41. Карлинг, К. и др. Вакансии в металлах: от первопринципных расчетов к экспериментальным данным. Физ. Преподобный Летт. 85 , 3862–3865 (2000).

      Артикул Google ученый

    42. Танг В., Санвилл Э. и Хенкельман Г. Алгоритм анализа Бейдера на основе сетки без смещения решетки. J. Phys. Конденс. Материя 21 , 84204 (2009).

      Артикул Google ученый

    43. Bader, RFW Атомы в молекулах: квантовая теория. (Кларендон Пресс, 1990).

    44. Дударев С.Л., Саврасов С.Ю., Хамфрис С. Дж. и Саттон А.П. Спектры потерь энергии электронов и структурная стабильность оксида никеля: исследование LSDA+U. Физ. Ред. B 57 , 1505–1509(1998).

      Артикул Google ученый

    45. Mizutani, U. Правила Хьюма-Розери для структурно сложных фаз сплава. Миссис Булл. 37 , 169 (2012).

      Артикул Google ученый

    46. Даркен, Л. С. и Гарри, Р. В. Физическая химия металлов . (Макгроу-Хилл, 1953).

    47. Массальский Т.Б. в Физическая металлургия 4-е изд. (ред. Кан, Р. В. и Хаасен, П.) 135–204 (Северная Голландия, 1996).

    48. Аргаман У., Эйдельштейн Э., Леви О. и Маков Г. Термодинамические свойства титана на основе расчетов ab initio. Матер. Рез. Экспресс 2 , 16505 (2015).

      Артикул Google ученый

    49. Коттрелл, А. Введение в металлургию (Институт материалов, 1995).

    50. Perdew, J., Burke, K. & Ernzerhof, M. Аппроксимация обобщенного градиента стала проще. Физ. Преподобный Летт. 77 , 3865–3868 (1996).

      Артикул Google ученый

    51. Крессе Г. От ультрамягких псевдопотенциалов к проекторному методу дополненной волны. Физ. Ред. B 59 , 1758–1775 (1999).

      Артикул Google ученый

    52. Крессе, Г. и Фуртмюллер, Дж. Эффективность расчетов полной энергии ab-initio для металлов и полупроводников с использованием базисного набора плоских волн. Вычисл. Матер. науч. 6 , 15–50 (1996).

      Артикул Google ученый

    53. Крессе, Г. и Фуртмюллер, Дж. Эффективные итерационные схемы для неэмпирических расчетов полной энергии с использованием базисного набора плоских волн. Физ. Ред. B 54 , 11169–11186 (1996).

      Артикул Google ученый

    54. Вуд, Р. М. Постоянные решетки высокочистого альфа-титана. Проц. физ. соц. 80 , 783–786 (2002).

      Артикул Google ученый

    55. Вохра Ю.К. и Спенсер П.Т. Новая γ-фаза металлического титана при мегабарном давлении. Физ. Преподобный Летт. 86 , 3068–3071 (2001).

      Артикул Google ученый

    56. Эрлих, П. Лёсунген фон Зауэрстофф в металлиском Титане. Z. für Anorg. и Allg. хим. 247 , 53–64 (1941).

      Артикул Google ученый

    57. Дешан, М., Куиви, А., Баур, Г. и Лер, П. Влияние распределения межузельных атомов кислорода на параметры решетки в разбавленных H.C.P. твердые растворы титан-кислород (90–4000 млн ат.). Штрих. Металл. 11 , 941–945 (1977).

      Артикул Google ученый

    58. Chemikerausschuß der GDMB Gesellschaft Deutscher Metallhütten- und Bergleute e. V. Titan (Springer-Verlag, 1951).

    Загрузить ссылки

    Благодарности

    Компания Pratt and Whitney выражает благодарность за финансовую поддержку через UConn—Pratt & Whitney Center of Excellence. Эта публикация одобрена для публичного выпуска. Вычислительные ресурсы для работы были предоставлены Службой информационных технологий Университета Коннектикута.

    Информация об авторе

    Примечания автора

    1. Винит Шарма

      Текущий адрес: Отдел материаловедения и технологии, Окриджская национальная лаборатория, Ок-Ридж, Теннесси, 37831, США

    Авторы и филиалы

    1. Департамент материаловедения и инженерии и Институт материаловедения, Университет Коннектикута , Сторрс, Коннектикут, 06269, США

      Санджив К. Наяк, Кейн Дж. Хунг, Винит Шарма, С. Памир Алпай, Авинаш М. Донгаре и Райнер Дж. Хеберт

    2. Факультет физики, Коннектикутский университет, Сторрс , Коннектикут, 06269, USA

      S. Pamir Alpay

    3. Pratt & Whitney, East Hartford, CT, 06108, USA

      William J. Brindley

    4. Инновационный центр аддитивного производства, University of Connecticut, USA9, Storrs6

      Райнер Дж. Хеберт

    Авторы

    1. Санджив К. Наяк

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    2. Cain J. Hung

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    3. Винит Шарма

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    4. С. Памир Алпай

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    5. Авинаш М. Донгаре

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    6. William J. Brindley

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    7. Rainer J. Hebert

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    Вклады

    Исследование было задумано S.K.N., C.J.H., S.P.A. и Р. Дж.Х. С.К.Н. выполнил расчеты. Результаты были проанализированы с помощью всех авторов. S.K.N., C.J.H., V.S., S.P.A., A.M.D., W.J.B. и R.J.H. способствовал написанию рукописи.

    Авторы переписки

    Переписка с Санджив К. Наяк или Райнер Дж. Хеберт.

    Заявление об этике

    Конкурирующие интересы

    Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

    Дополнительная информация

    Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​принадлежности к организациям.

    Дополнительные электронные материалы

    Дополнительные методы

    Права и разрешения

    Открытый доступ формате, если вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

    Перепечатка и разрешения

    Об этой статье

    Дополнительная литература

    • Микроструктура и механические свойства титана марки 23, полученного методом селективного лазерного плавления

      • Петр Никель
      • Мирослав Врубель
      • Анджей Бачманский

      Архив строительства и машиностроения (2021)

    • Влияние растворенного азота на усталостное поведение Ti-6Al-4V

      • Ч. Р. Коллинз
      • Ф. Ф. Дорогой
      • D. Краситель

      Металлургические операции и материалы A (2021)

    • Теория функциональных возмущений плотности с высокой пропускной способностью и прогнозирование инфракрасных, пьезоэлектрических и диэлектрических характеристик с помощью машинного обучения

      • Камаль Чоудхари
      • Кевин Ф.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.