Штетне нечистоће у материјалима од титанијума

Титан и његове легуре су познати по својој високој чистоћи и биокомпатибилности, али могу да садрже трагове штетних нечистоћа (укључујући водоник, фосфор и сумпор) које се морају строго контролисати у оквиру индустријских{0}}стандардних ограничења. Прекомерни нивои ових нечистоћа, посебно водоника, могу озбиљно да деградирају механичка својства материјала и безбедност употребе. Испод је детаљна анализа њихових ограничења садржаја и повезаних ризика:

1. Границе садржаја кључних штетних нечистоћа у титанијумским материјалима

Дозвољене концентрације водоника (Х), фосфора (П) и сумпора (С) у титанијуму су дефинисане међународним стандардима као нпр.АСТМ Б348(за шипке од титанијума и легура титанијума),АСТМ Б265(за титанијумске плоче/плоче), иАМС 4928(ваздухопловство{0}}Ти-6Ал-4В). Ограничења се разликују у зависности од класе титанијума (комерцијално чист титан у односу на легуре титанијума) и захтева примене (индустријски наспрам ваздухопловства/медицине):

(1) Водоник (Х)

Водоник је најкритичнија штетна нечистоћа у титанијуму због његовог снажног утицаја на дуктилност и жилавост. Његов максимално дозвољени садржај је строго регулисан:

Комерцијално чист титанијум (разред 1/2/3/4): За општу индустријску примену, садржај водоника не сме бити већи0,015 теж% (150 ппм); за чисти титанијум високог -медицинског- чистоће (нпр. степен 2 за имплантате), ограничење је пооштрено на0,010 теж% (100 ппм)како би се осигурала биокомпатибилност и сигурност конструкције.

Легуре титанијума (нпр. Граде 5/Ти-6Ал-4В): За производе за ваздухопловство{0}}, садржај водоника је ограничен0,012 теж% (120 ппм)(по АМС 4928); за индустријски-Ти-6Ал-4В, ограничење је мало смањено на0,015 теж% (150 ппм), али мора бити испод0,008 теж% (80 ппм)за критичне компоненте (нпр. делови мотора авиона) да би се спречило крхкост водоника.

(2) Фосфор (П)

Фосфор је нечистоћа ниске{0}}токсичности у титанијуму, али високи нивои могу да се одвоје на границама зрна и да смање дуктилност и отпорност легуре на замор. Његове границе садржаја су релативно благе у поређењу са водоником:

Комерцијално чист титанијум: Типично је максимални садржај фосфора0,04 теж% (400 ппм)у свим разредима (АСТМ Б348).

Легуре титанијума (Ти-6Ал-4В): Ваздухопловство и медицина ограничавају фосфор на0,015 теж% (150 ппм); индустријске класе дозвољавају до0,03 теж% (300 ппм).

(3) Сумпор (С)

Сумпор формира крхке сулфидне инклузије (нпр. ТиС, Ти₂С) у титанијуму, који делују као тачке концентрације напона и иницирају пукотине под оптерећењем. Његов садржај је стриктно ограничен да би се избегло крхкост:

Комерцијално чист титанијум: Садржај сумпора мора бити мањи или једнак0,015 теж% (150 ппм)(АСТМ Б265).

Легуре титанијума (Ти-6Ал-4В): За примене у ваздухопловству, ограничење је0,010 теж% (100 ппм); за индустријску употребу може бити до0,02 теж% (200 ппм).

info-439-439 info-452-443

info-452-443 info-435-438

2. Кртост водоником узрокована прекомерним садржајем водоника

Водонично крхкост (ХЕ) је катастрофалан начин квара за материјале од титанијума, изазван концентрацијама водоника које прелазе безбедни праг. Његов механизам и утицај су следећи:

(1) Механизам водоничне кртости у титанијуму

Титанијум има јак афинитет за водоник, који може ући у материјал на више путева:

Топљење и прерада: Апсорпција водоника током претопљења у вакууму (ВАР) ако атмосфера пећи није правилно контролисана, или током топлог рада у влажном окружењу.

Сервисна окружења: Сакупљање водоника из корозивних медија (нпр. водених раствора, киселина или гасова који садрже водоник-) преко површинских реакција, или из електрохемијских процеса (нпр. катодна заштита у морским апликацијама).

Једном унутар титанијумске матрице, водоник се понаша другачије у зависности од температуре и концентрације:

На собној температури и ниским нивоима водоника (<50 ppm), hydrogen dissolves interstitially in the titanium lattice without causing harm.

Када садржај водоника пређе ~100 ппм, таложи се као крттитанијум хидрид (ТиХ₂)дуж граница зрна или унутар -фазе. ТиХ₂ има тетрагоналну кристалну структуру високе тврдоће и ниске дуктилности, што нарушава континуитет титанијумске матрице.

Под механичким напрезањем, хидридна фаза делује као места нуклеације пукотина. Како се напон повећава, ове пукотине се брзо шире дуж интерфејса хидридне{1}}матрице, што доводи до изненадног, кртог лома (чак и на нивоима напона знатно испод границе течења материјала).

(2) Утицаји водоничне кртости

Губитак дуктилности и жилавости: Титанијум са прекомерним водоником показује драматичан пад издужења и смањење површине. На пример, жарени Ти-6Ал-4В са 200 ппм водоника има издужење од само 5–8% (мање од 10–15% за материјал са ниским садржајем водоника), а његова жилавост лома (КИЦ) опада за 30–40%.

Катастрофални квар конструкције: Водонично кртљење се често дешава без претходног упозорења (без пластичне деформације), што га чини посебно опасним за безбедносне{0}}критичне компоненте. У ваздухопловним применама, пуцање изазвано хидридом{2}} је изазвало квар компоненти стајног трапа и лопатица мотора у екстремним случајевима.

Смањен животни век замора: Водоник убрзава раст пукотина од замора промовишући формирање хидрида на врховима пукотина. Чврстоћа на замор Ти-6Ал-4В са 150 ппм водоника је смањена за 25–30% у поређењу са материјалом са ниским садржајем водоника, што доводи до прераног квара под цикличним оптерећењем.

(3) Спречавање и ублажавање водоничне кртости

Да би избегли крхкост водоника, произвођачи и крајњи{0}}корисници предузимају следеће мере:

Строга контрола процеса: Одржавајте ниску{0}} атмосферу водоника током топљења и термичке обраде; користите суве, одвлажене гасове за врућу обраду и заваривање.

Након{0}}дегазације: За производе од титанијума са високим садржајем водоника, извршите вакуумско жарење на 600–700 степени неколико сати да бисте дифундирали водоник из матрице (смањење водоника на<50 ppm).

Управљање услужним окружењем: Избегавајте излагање компоненти титанијума медијумима богатим водоником- или корозивним медијима без одговарајуће заштите (нпр. премази или инхибитори); периодично пратите садржај водоника за критичне делове помоћу техника као што су врућа екстракција или фузија инертног гаса.

Штетне нечистоће у титанијумским материјалима