สถานะการพัฒนาของโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูงและมีความยืดหยุ่นสูงel

สถานะการพัฒนาของโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูงและมีความยืดหยุ่นสูงel

ความสามารถในการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นของวัสดุโลหะได้รับผลกระทบจากความแข็งแรงของผลผลิตและโมดูลัสยืดหยุ่น และขีดจำกัดความยืดหยุ่น (ε0.2) ของเส้นแรงดึงโดยทั่วไปจะน้อยกว่า 1% ความแข็งแรงของโลหะผสมไททาเนียมแบบดั้งเดิมอยู่ในช่วง 400 ~ 1500 MPa ตามเกรดโลหะผสม โมดูลัสยืดหยุ่นอยู่ระหว่าง 50 ~ 120 GPa ซึ่งต่ำกว่าเหล็กมาก (ประมาณ 210 GPa) และความสามารถในการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นได้ประมาณ สองเท่าของเหล็ก ไททาเนียมอัลลอยด์มีความสามารถในการเปลี่ยนรูปที่ยืดหยุ่นได้ดีเยี่ยมเนื่องจากมีความแข็งแรงสูงและโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ และใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศ

ในปี 1950 สหรัฐอเมริกาใช้สลักเกลียวโลหะผสมไททาเนียม TI-6AL-4V กับเครื่องบินทิ้งระเบิด B-52 เป็นครั้งแรก โดยเป็นการเปิดการใช้งานรัดโลหะผสมไทเทเนียมในด้านการบิน ด้วยข้อกำหนดด้านน้ำหนักเบาอย่างต่อเนื่องของอากาศยานและอาวุธยุทโธปกรณ์ การใช้ไททาเนียมอัลลอยด์น้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง และความยืดหยุ่นสูงในรัดได้ค่อยๆ แทนที่เหล็กกล้า 30CrMosia แบบเดิม ปรับปรุงความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ ไททาเนียมอัลลอยด์ประเภท α+β และ β ที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน เช่น Ti-6Al-4V, Ti-3Al-5Mo-4.5V, Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al และ Ti-15Mo-3Al- 2.7Nb-0.3Si ( β 21S) เป็นต้น ความต้านทานแรงดึงนั้นอยู่ที่ระดับ 1,000 MPa

ตั้งแต่ปี 1970 McDonnell Douglas ได้ใช้ TI-13V-11CR-3AL ในการผลิตสปริงสำหรับเครื่องบินพลเรือน โดยแทนที่สปริงเหล็กและลดน้ำหนักลง 70% ต่อมา Lockheed, Boeing และ Airbus เริ่มใช้วัสดุโลหะผสม β-titanium เพื่อผลิตส่วนประกอบสปริง เช่น ล็อคเฟืองท้าย การคืนตัวด้วยไฮดรอลิก และการควบคุมเครื่องบิน โลหะผสมทั่วไปคือ Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn และ Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (β-C) และโมดูลัสยืดหยุ่นของพวกมันอยู่ที่ประมาณ 104 GPa ความต้านทานแรงดึงคือ 1300 ~ 1450 MPa

แบรนด์ทั่วไปที่ใช้ในประเทศจีน ได้แก่ TB2, TB3 และ TB5 ในปัจจุบัน ไททาเนียมอัลลอยด์ประเภท α+β และ β ที่ใช้สำหรับสปริงและตัวยึดมักใช้โครงสร้างแบบสองเฟส α+β เพื่อให้ได้ความแข็งแรงสูง ในขณะเดียวกัน โมดูลัสความยืดหยุ่น (90~120 GPa) ก็สูงขึ้นเช่นกัน ส่งผลให้คุณสมบัติยืดหยุ่นต่ำลง ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองความต้องการของเครื่องบินขั้นสูงสำหรับวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงและมีความยืดหยุ่นสูง ในฐานะที่เป็นวัสดุหมุดย้ำพิเศษ โลหะผสม β-type Ti-45Nb ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์ด้านอวกาศทั้งในและต่างประเทศ โลหะผสมมีข้อดีของโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ ความเป็นพลาสติกที่ดีและรูปแบบการทำงานเย็นที่ดี แต่ความแข็งแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งความแข็งแรงของผลผลิต ต่ำ และความแข็งแรงและคุณสมบัติความยืดหยุ่นไม่เข้ากัน

ตั้งแต่ปี 1990 เป็นต้นมา เพื่อลดโมดูลัสยืดหยุ่นของโลหะผสมไททาเนียมทางการแพทย์ ได้มีการพัฒนาชุดโลหะผสมไททาเนียมชนิด β-type โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำที่แพร่กระจายได้ เช่น Ti-29NB-13Ta-4.6Zr และ Ti-35NB-5Ta- 7Zr ฯลฯ เพื่อให้ได้คุณสมบัติการยืดหยุ่นที่ดีขึ้น อย่างไรก็ตาม ไททาเนียมอัลลอยด์นี้ได้รับการพัฒนาสำหรับวงการแพทย์ ความแข็งแรงของโลหะผสมไททาเนียมอยู่ในระดับต่ำ และเป็นการยากที่จะตอบสนองความต้องการด้านความแข็งแรงสูงและความยืดหยุ่นสูงของโลหะผสมไททาเนียมสำหรับตัวยึดและสปริงสำหรับการบิน ในปี พ.ศ. 2546 สถาบันวิจัยกลางของโตโยต้าแห่งประเทศญี่ปุ่นได้พัฒนาโลหะผสมไททาเนียมอเนกประสงค์ (โลหะยาง) ที่มีคุณสมบัติครอบคลุมดีเยี่ยม องค์ประกอบทั่วไปคือ ti-23nb -0.7 ta-2zr -1.2 2o (เศษส่วนของอะตอม%) โลหะผสมมีรูปร่างผิดปกติโดยการรีดเย็น 90% ความแข็งแรงด้านหลังสามารถเข้าถึง 1200 MPa โมดูลัสยืดหยุ่นคือ 55 GPa และขีด จำกัด ยืดหยุ่นสามารถเข้าถึงได้ประมาณ 2.5% แสดงให้เห็นการจับคู่ที่ยอดเยี่ยมของความแข็งแรงสูงและความยืดหยุ่นสูง โลหะผสมมีความยืดหยุ่นคงที่ในช่วงอุณหภูมิกว้าง

Ti-24Nb-4Zr-8Sn (Ti-2448) อัลลอยด์ metastable ที่พัฒนาโดยสถาบันวัสดุโลหะของ Chinese Academy of Sciences ยังแสดงคุณสมบัติการยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยมด้วยโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำถึง 42 GPa และความเครียดที่ยืดหยุ่นได้ สูงถึง 3.3% หลังจากการรักษาริ้วรอยก่อนวัยแล้ว ยังมีความแข็งแรงสูงและการจับคู่ความยืดหยุ่นสูง โลหะยางและ TI-2448 เป็นตัวแทนทั่วไปของโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูงและมีความยืดหยุ่นสูงขั้นสูง นี่แสดงให้เห็นว่าโลหะผสมไททาเนียมสามารถจับคู่ที่มีความแข็งแรงสูงและมีความยืดหยุ่นสูงได้ ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมขึ้นอยู่กับการออกแบบส่วนประกอบที่ชาญฉลาดและเทคโนโลยีการเตรียมการที่เหมาะสม

นิโคล