Kết cấu và Phân loại hợp kim Titan
Titanium là một kim loại có cấu trúc quan trọng được phát triển vào những năm 1950. Hợp kim Titan được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau vì độ bền cao, khả năng chống ăn mòn tốt và khả năng chịu nhiệt cao. Nhiều nước trên thế giới đã nhận ra tầm quan trọng của loại vật liệu này và đã tiếp tục nghiên cứu, phát triển chúng, có được ứng dụng thực tế.
Titanium là nguyên tố B thứ 4 trong bảng tuần hoàn. Nó trông giống như thép và có điểm nóng chảy là 1672°C, là kim loại chịu lửa. Titanium có nhiều trong lớp vỏ, cao hơn nhiều so với các kim loại thông thường như Cu, Zn, Sn và Pb.
Tài nguyên Titan ở Trung Quốc vô cùng phong phú. Chỉ trong loại nam châm Vanadi-Titan siêu lớn được phát hiện ở khu vực Pan Chihua, tỉnh Tứ Xuyên, trưc lượng Titan liên quan lên tới khoảng 42 triệu tấn, gần bằng tổng trữ lượng Titan đã được chứng minh ở nước ngoài. Hợp kim Titan có thể được chia thành hợp kim chịu nhiệt, cường độ cao, chống ăn mòn (Ti-Mo, Ti-Pd,...), hợp kim nhiệt độ thấp và chức năng đặc biệt (vật liệu lưu trữ hydro Ti-Fe và bộ nhớ Ti-Ni hợp kim).
CÁC YẾU TỐ CỦA HỢP KIM TITAN
Hợp kim Titan là hợp kim dựa trên Titan và được thêm các yếu tố khác. Titan có 2 loại tinh thể không đồng nhất:
- Alpha: có cấu trúc lục giác dày đặc, dưới 882°C
- Beta: có cấu trúc lập phương tập trung vào cơ thể, trên 882°C
Các nguyên tố hợp kim có thể được chia thành ba loại theo ảnh hưởng của chúng đối với nhiệt độ chuyển pha:
- Các nguyên tố ổn định và tăng nhiệt độ biến đổi pha: là các nguyên tố ổn định alpha bao gồm nhôm, carbon, oxy và nito. Trong đó, nhôm là nguyên tố hợp kim chính của hợp kim Titan. Nó có tác dụng rõ ràng trong việc cải thiện sức mạnh ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao, giảm trọng lượng riêng và tăng modun đàn hồi của hợp kim
- Pha Beta ổn định và nhiệt độ chuyển pha giảm: là các yếu tố ổn định Beta, có thể được chia thành 2 loại đẳng cấu và eutectoid. Loại thứ nhất bao gồm molypden, niobi và vanadi. Trong khi đó, loại thứ hai gồm crom, mangan, đồng, sắt và silicon
- Các nguyên tố trung tính: như zirconi và thiếc, ít ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha
Oxy, nito, carbon và hydro là các tạp chất chính trong hợp kim Titan. Oxy và nito có độ hoà tan cao hơn trong pha Alpha, có tác dụng tăng cường đáng kể, nhưng làm giảm độ dẻo của nó. Hàm lượng oxy và nito trong Titan thường được quy định dưới 0.15-0.2% và 0.04-0.05% tương ứng. Độ hoà tan của hydro trong pha Alpha rất nhỏ. Lượng hydro hoà tan quá mức trong hợp kim Titan sẽ tạo ra hydrua, làm cho hợp kim giòn. Thông thường, hàm lượng hydro trong hợp kim Titan được kiểm soát dưới 0.015%. Sự hoà tan của hydro trong Titan là thuận nghịch.
PHÂN LOẠI
Titanium là một đồng phân có điểm nóng chảy 1720°C. Cấu trúc lục giác dày đặc ở nhiệt độ <882°C được gọi là Alpha Titan, cấu trúc mạng tinh thể tập trung vào cơ thể ở nhiệt độ >882°C được gọi là Beta Titan. Hợp kim Titan với các cấu trúc vi mô khác nhau có thể thu được bằng cách thêm các yếu tố hợp kim thích hợp để thay đổi nhiệt độ biến đổi pha và hàm lượng pha dần dần. Hợp kim Titan có 3 loại cấu trúc ma trận ở nhiệt độ phòng, và cũng có thể được chia thành 3 loại: Alpha, Alpha+Beta, Beta.
1. Hợp kim Titan Alpha
Đây là một hợp kim một pha bao gồm dung dịch rắn pha alpha. Đó là pha alpha ở cả nhiệt độ chung lẫn nhiệt độ ứng dụng thực tế cao hơn. Nó có cấu trúc ổn định, chống mài mòn cao hơn và chống oxy hoá mạnh hơn Titan nguyên chất. Sức mạnh và khả năng chống leo của nó được duy trì ở nhiệt độ 500-600°C, nhưng nó không thể được tăng cường bằng cách xử lý nhiệt và sức mạnh của nó ở nhiệt độ phòng không cao.
2. Hợp kim Titan Beta
Beta là loại hợp kim một pha gồm dung dịch rắn pha beta. Nó có sức mạnh cao mà không cần xử lý nhiệt. Sau khi dập tắt và lão hoá, hợp kim được tăng cường hơn nữa, và cường độ nhiệt độ phòng của nó có thể đạt tới 1372-1666 MPa. Tuy nhiên, độ ổn định nhiệt của nó kém và không phù hợp để sử dụng ở nhiệt độ cao.
3. Hợp kim Titan Alpha+Beta
Nó là hợp kim hai pha có đặc tính toàn diện tốt, ổn định cấu trúc, độ bền tốt, độ dẻo và đặc tính biến dạng ở nhiệt độ cao. Nó có thể được xử lý dưới áp lực nóng và tăng cường bằng cách làm nguội lão hoá. Sau khi xử lý nhiệt, độ bền tăng thêm 50-100% so với trạng thái ủ và cường độ nhiệt độ cao có thể hoạt động trong một thời gian dài ở nhiệt độ 400-500°C và độ ổn định nhiệt của nó kém hơn so với hợp kim Titan Alpha.
Trong số 3 loại hợp kim trên, hợp kim Alpha-Titan và Alpha + Beta-Titan được sử dụng phổ biến nhất. Hợp kim Alpha-Titan có khả năng gia công tốt nhất, tiếp theo là Alpha + Beta-Titan và cuối cùng là Beta-Titan.
- TA: Alpha
- TB: Beta
- TC: Alpha + Beta
ỨNG DỤNG
Hợp kim Titan có thể được chia thành hợp kim chịu nhiệt, cường độ cao, chống ăn mòn (hợp kim Ti-Mo, Ti-Pd,...), hợp kim nhiệt độ thấp và chức năng đặc biệt (vật liệu lưu trữ hydro Ti-Fe và bộ nhớ Ti-Ni hợp kim).
Thành phần và cấu trúc pha khác nhau có thể thu được bằng cách điều chỉnh quá trình xử lý nhiệt. Người ta thường tin rằng cấu trúc cân bằng tốt có độ dẻo tốt hơn, ổn định nhiệt và độ bền mỏi; cấu trúc hình tròn có sức bền cao hơn, sức mạnh leo và độ bền gãy; cấu trúc hỗn hợp cân bằng và acicular có tính chất toàn diện tốt hơn.
Hợp kim Titan có độ bền cao, mật độ thấp, tính chất cơ học tốt, độ bền và chống ăn mòn tốt. Ngoài ra, hợp kim Titan có hiệu suất công nghệ kém và khó cắt. Nó rất dễ dàng để hấp thụ các tạp chất như hydro, oxy, nito và carbon khi làm việc nóng. Bên cạnh đó, nó còn có khả năng chống mòn kém và quy trình sản xuất phức tạp. Việc sản xuất Titan công nghiệp bắt đầu vào năm 1948. Với sự phát triển của ngành hàng không, ngành công nghiệp Titan đang phát triển với tốc độ trung bình 8% mỗi năm. Hiện tại, sản lượng vật liệu chế biến hợp kim Titan hàng năm trên thế giới đã đạt hơn 40.000 tấn và có gần 30 loại hợp kim Titan. Các hợp kim Titan được sử dụng rộng rãi nhất là Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) và Titan tinh khiết công nghiệp (TA1, TA2, TA3).
Hợp kim Titan được chủ yếu sử dụng để chế tạo các bộ phận máy nén của động cơ máy bay, tiếp theo là tên lửa, tên lửa và máy bay tốc độ cao. Vào giữa năm 1960, Titan và hợp kim của nó đã được sử dụng trong công nghiệp nói chung để chế tạo điện cực trong công nghiệp điện phân, ngưng tụ trong các nhà máy điện, lò sưởi để lọc dầu và khử mặn nước biển và các thiết bị bị kiểm soát ô nhiễm môi trường. Titanium và hợp kim của nó đã trở thành một loại vật liệu kết cấu chống ăn mòn. Ngoài ra, nó cũng được sử dụng để sản xuất vật liệu lưu trữ hydro và hợp kim bộ nhớ hình dạng.
Hợp kim Titan và Titan được nghiên cứu vào năm 1956 tại Trung Quốc, và sản xuất công nghiệp vật liệu Titan và hợp kim TB2 được phát triển và giữa những năm 1960.
Hợp kim Titan là một vật liệu cấu trúc quan trọng mới được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Trọng lượng riêng, độ bền và nhiệt độ phục vụ của nó nằm giữa nhôm và thép, nhưng nó có độ bền riêng cao và khả năng chống ăn mòn nước biển tuyệt vời và hiệu suất nhiệt độ cực thấp. Năm 1950, Mỹ lần đầu tiên sử dụng máy bay ném bom chiến đấu F-84 làm các bộ phận không chịu lực như tấm cách nhiệt thân sau, mui dẫn khí và mui sau. Kể từ những năm 1960, việc sử dụng hợp kim Titan đã chuyển từ thân sau máy bay sang thân giữa máy bay, thay thế một phần thép kết cấu để chế tạo các bộ phận chịu lực quan trọng như vách ngăn, dầm, cánh và nắp trượt. Lượng hợp kim Titan được sử dụng trong máy bay quân sự tăng nhanh chóng, đạt 20-25% trọng lượng của kết cấu máy bay.
Hợp kim Titan đã được sử dụng rộng rãi trong máy bay dân dụng từ những năm 1970. Ví dụ: Lượng Titanium được sử dụng trong máy bay chở khách Boeing 747 là hơn 3640kg.
Titan dùng cho máy bay có chỉ số Mach nhỏ hơn 2.5 được sử dụng chủ yếu để thay thế thép nhằm giảm trọng lượng kết cấu. Ví dụ: máy bay trinh sát tốc độ cao SR-71 của Hoa Kỳ (bay Mach số 3, độ cao bay 26.212m), Titan chiếm 93% trọng lượng kết cấu của máy bay, được gọi là máy bay "toàn Titan". Khi tỷ lệ lực đẩy - trọng lượng của động cơ aero tăng từ 4 lên đến 6, 8, 10 và nhiệt độ đầu ra của máy nén tăng từ 200 đến 300°C, 500°C, 600°C, đĩa và lưỡi máy nén áp suất thấp ban đầu được làm bằng nhôm phải được thay thế bằng hợp kim Titan, hoặc đĩa và lưỡi máy nén áp suất cao làm bằng hợp kim Titan thay vì thép không gỉ, để giảm trọng lượng kết cấu.
Trong những năm 1970, lượng hợp kim Titan được sử dụng trong động cơ hàng không thưởng chiếm khoảng 20-30% trong tổng trọng lượng của kết cấu. Nó chủ yếu được sử dụng để sản xuất các thành phần máy nén, chẳng hạn như quạt titan rèn, đĩa và cánh máy nén, vỏ máy nén Titan đúc, vỏ trung gian, vỏ ổ trục,v.v... Tàu vũ trụ chủ yếu sử dụng độ bền cụ thể cao, chống ăn mòn và chịu nhiệt độ thấp của hợp kim Titan để sản xuất các loại bình chịu áp lực, thùng nhiên liệu, dây buộc, dây đai dụng cụ, khung và vỏ tên lửa. Mối hàn tấm hợp kim Titan cũng được sử dụng tring vệ sinh trái đất nhân tạo, modul mặt trăng, tàu vũ trụ có người lái và tàu con thoi.
Titanium là nguyên tố B thứ 4 trong bảng tuần hoàn. Nó trông giống như thép và có điểm nóng chảy là 1672°C, là kim loại chịu lửa. Titanium có nhiều trong lớp vỏ, cao hơn nhiều so với các kim loại thông thường như Cu, Zn, Sn và Pb.
Tài nguyên Titan ở Trung Quốc vô cùng phong phú. Chỉ trong loại nam châm Vanadi-Titan siêu lớn được phát hiện ở khu vực Pan Chihua, tỉnh Tứ Xuyên, trưc lượng Titan liên quan lên tới khoảng 42 triệu tấn, gần bằng tổng trữ lượng Titan đã được chứng minh ở nước ngoài. Hợp kim Titan có thể được chia thành hợp kim chịu nhiệt, cường độ cao, chống ăn mòn (Ti-Mo, Ti-Pd,...), hợp kim nhiệt độ thấp và chức năng đặc biệt (vật liệu lưu trữ hydro Ti-Fe và bộ nhớ Ti-Ni hợp kim).
CÁC YẾU TỐ CỦA HỢP KIM TITAN
Hợp kim Titan là hợp kim dựa trên Titan và được thêm các yếu tố khác. Titan có 2 loại tinh thể không đồng nhất:
- Alpha: có cấu trúc lục giác dày đặc, dưới 882°C
- Beta: có cấu trúc lập phương tập trung vào cơ thể, trên 882°C
Các nguyên tố hợp kim có thể được chia thành ba loại theo ảnh hưởng của chúng đối với nhiệt độ chuyển pha:
- Các nguyên tố ổn định và tăng nhiệt độ biến đổi pha: là các nguyên tố ổn định alpha bao gồm nhôm, carbon, oxy và nito. Trong đó, nhôm là nguyên tố hợp kim chính của hợp kim Titan. Nó có tác dụng rõ ràng trong việc cải thiện sức mạnh ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao, giảm trọng lượng riêng và tăng modun đàn hồi của hợp kim
- Pha Beta ổn định và nhiệt độ chuyển pha giảm: là các yếu tố ổn định Beta, có thể được chia thành 2 loại đẳng cấu và eutectoid. Loại thứ nhất bao gồm molypden, niobi và vanadi. Trong khi đó, loại thứ hai gồm crom, mangan, đồng, sắt và silicon
- Các nguyên tố trung tính: như zirconi và thiếc, ít ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha
Oxy, nito, carbon và hydro là các tạp chất chính trong hợp kim Titan. Oxy và nito có độ hoà tan cao hơn trong pha Alpha, có tác dụng tăng cường đáng kể, nhưng làm giảm độ dẻo của nó. Hàm lượng oxy và nito trong Titan thường được quy định dưới 0.15-0.2% và 0.04-0.05% tương ứng. Độ hoà tan của hydro trong pha Alpha rất nhỏ. Lượng hydro hoà tan quá mức trong hợp kim Titan sẽ tạo ra hydrua, làm cho hợp kim giòn. Thông thường, hàm lượng hydro trong hợp kim Titan được kiểm soát dưới 0.015%. Sự hoà tan của hydro trong Titan là thuận nghịch.
PHÂN LOẠI
Titanium là một đồng phân có điểm nóng chảy 1720°C. Cấu trúc lục giác dày đặc ở nhiệt độ <882°C được gọi là Alpha Titan, cấu trúc mạng tinh thể tập trung vào cơ thể ở nhiệt độ >882°C được gọi là Beta Titan. Hợp kim Titan với các cấu trúc vi mô khác nhau có thể thu được bằng cách thêm các yếu tố hợp kim thích hợp để thay đổi nhiệt độ biến đổi pha và hàm lượng pha dần dần. Hợp kim Titan có 3 loại cấu trúc ma trận ở nhiệt độ phòng, và cũng có thể được chia thành 3 loại: Alpha, Alpha+Beta, Beta.
1. Hợp kim Titan Alpha
Đây là một hợp kim một pha bao gồm dung dịch rắn pha alpha. Đó là pha alpha ở cả nhiệt độ chung lẫn nhiệt độ ứng dụng thực tế cao hơn. Nó có cấu trúc ổn định, chống mài mòn cao hơn và chống oxy hoá mạnh hơn Titan nguyên chất. Sức mạnh và khả năng chống leo của nó được duy trì ở nhiệt độ 500-600°C, nhưng nó không thể được tăng cường bằng cách xử lý nhiệt và sức mạnh của nó ở nhiệt độ phòng không cao.
2. Hợp kim Titan Beta
Beta là loại hợp kim một pha gồm dung dịch rắn pha beta. Nó có sức mạnh cao mà không cần xử lý nhiệt. Sau khi dập tắt và lão hoá, hợp kim được tăng cường hơn nữa, và cường độ nhiệt độ phòng của nó có thể đạt tới 1372-1666 MPa. Tuy nhiên, độ ổn định nhiệt của nó kém và không phù hợp để sử dụng ở nhiệt độ cao.
3. Hợp kim Titan Alpha+Beta
Nó là hợp kim hai pha có đặc tính toàn diện tốt, ổn định cấu trúc, độ bền tốt, độ dẻo và đặc tính biến dạng ở nhiệt độ cao. Nó có thể được xử lý dưới áp lực nóng và tăng cường bằng cách làm nguội lão hoá. Sau khi xử lý nhiệt, độ bền tăng thêm 50-100% so với trạng thái ủ và cường độ nhiệt độ cao có thể hoạt động trong một thời gian dài ở nhiệt độ 400-500°C và độ ổn định nhiệt của nó kém hơn so với hợp kim Titan Alpha.
Trong số 3 loại hợp kim trên, hợp kim Alpha-Titan và Alpha + Beta-Titan được sử dụng phổ biến nhất. Hợp kim Alpha-Titan có khả năng gia công tốt nhất, tiếp theo là Alpha + Beta-Titan và cuối cùng là Beta-Titan.
- TA: Alpha
- TB: Beta
- TC: Alpha + Beta
ỨNG DỤNG
Hợp kim Titan có thể được chia thành hợp kim chịu nhiệt, cường độ cao, chống ăn mòn (hợp kim Ti-Mo, Ti-Pd,...), hợp kim nhiệt độ thấp và chức năng đặc biệt (vật liệu lưu trữ hydro Ti-Fe và bộ nhớ Ti-Ni hợp kim).
Thành phần và cấu trúc pha khác nhau có thể thu được bằng cách điều chỉnh quá trình xử lý nhiệt. Người ta thường tin rằng cấu trúc cân bằng tốt có độ dẻo tốt hơn, ổn định nhiệt và độ bền mỏi; cấu trúc hình tròn có sức bền cao hơn, sức mạnh leo và độ bền gãy; cấu trúc hỗn hợp cân bằng và acicular có tính chất toàn diện tốt hơn.
Hợp kim Titan có độ bền cao, mật độ thấp, tính chất cơ học tốt, độ bền và chống ăn mòn tốt. Ngoài ra, hợp kim Titan có hiệu suất công nghệ kém và khó cắt. Nó rất dễ dàng để hấp thụ các tạp chất như hydro, oxy, nito và carbon khi làm việc nóng. Bên cạnh đó, nó còn có khả năng chống mòn kém và quy trình sản xuất phức tạp. Việc sản xuất Titan công nghiệp bắt đầu vào năm 1948. Với sự phát triển của ngành hàng không, ngành công nghiệp Titan đang phát triển với tốc độ trung bình 8% mỗi năm. Hiện tại, sản lượng vật liệu chế biến hợp kim Titan hàng năm trên thế giới đã đạt hơn 40.000 tấn và có gần 30 loại hợp kim Titan. Các hợp kim Titan được sử dụng rộng rãi nhất là Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) và Titan tinh khiết công nghiệp (TA1, TA2, TA3).
Hợp kim Titan được chủ yếu sử dụng để chế tạo các bộ phận máy nén của động cơ máy bay, tiếp theo là tên lửa, tên lửa và máy bay tốc độ cao. Vào giữa năm 1960, Titan và hợp kim của nó đã được sử dụng trong công nghiệp nói chung để chế tạo điện cực trong công nghiệp điện phân, ngưng tụ trong các nhà máy điện, lò sưởi để lọc dầu và khử mặn nước biển và các thiết bị bị kiểm soát ô nhiễm môi trường. Titanium và hợp kim của nó đã trở thành một loại vật liệu kết cấu chống ăn mòn. Ngoài ra, nó cũng được sử dụng để sản xuất vật liệu lưu trữ hydro và hợp kim bộ nhớ hình dạng.
Hợp kim Titan và Titan được nghiên cứu vào năm 1956 tại Trung Quốc, và sản xuất công nghiệp vật liệu Titan và hợp kim TB2 được phát triển và giữa những năm 1960.
Hợp kim Titan là một vật liệu cấu trúc quan trọng mới được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Trọng lượng riêng, độ bền và nhiệt độ phục vụ của nó nằm giữa nhôm và thép, nhưng nó có độ bền riêng cao và khả năng chống ăn mòn nước biển tuyệt vời và hiệu suất nhiệt độ cực thấp. Năm 1950, Mỹ lần đầu tiên sử dụng máy bay ném bom chiến đấu F-84 làm các bộ phận không chịu lực như tấm cách nhiệt thân sau, mui dẫn khí và mui sau. Kể từ những năm 1960, việc sử dụng hợp kim Titan đã chuyển từ thân sau máy bay sang thân giữa máy bay, thay thế một phần thép kết cấu để chế tạo các bộ phận chịu lực quan trọng như vách ngăn, dầm, cánh và nắp trượt. Lượng hợp kim Titan được sử dụng trong máy bay quân sự tăng nhanh chóng, đạt 20-25% trọng lượng của kết cấu máy bay.
Hợp kim Titan đã được sử dụng rộng rãi trong máy bay dân dụng từ những năm 1970. Ví dụ: Lượng Titanium được sử dụng trong máy bay chở khách Boeing 747 là hơn 3640kg.
Titan dùng cho máy bay có chỉ số Mach nhỏ hơn 2.5 được sử dụng chủ yếu để thay thế thép nhằm giảm trọng lượng kết cấu. Ví dụ: máy bay trinh sát tốc độ cao SR-71 của Hoa Kỳ (bay Mach số 3, độ cao bay 26.212m), Titan chiếm 93% trọng lượng kết cấu của máy bay, được gọi là máy bay "toàn Titan". Khi tỷ lệ lực đẩy - trọng lượng của động cơ aero tăng từ 4 lên đến 6, 8, 10 và nhiệt độ đầu ra của máy nén tăng từ 200 đến 300°C, 500°C, 600°C, đĩa và lưỡi máy nén áp suất thấp ban đầu được làm bằng nhôm phải được thay thế bằng hợp kim Titan, hoặc đĩa và lưỡi máy nén áp suất cao làm bằng hợp kim Titan thay vì thép không gỉ, để giảm trọng lượng kết cấu.
Trong những năm 1970, lượng hợp kim Titan được sử dụng trong động cơ hàng không thưởng chiếm khoảng 20-30% trong tổng trọng lượng của kết cấu. Nó chủ yếu được sử dụng để sản xuất các thành phần máy nén, chẳng hạn như quạt titan rèn, đĩa và cánh máy nén, vỏ máy nén Titan đúc, vỏ trung gian, vỏ ổ trục,v.v... Tàu vũ trụ chủ yếu sử dụng độ bền cụ thể cao, chống ăn mòn và chịu nhiệt độ thấp của hợp kim Titan để sản xuất các loại bình chịu áp lực, thùng nhiên liệu, dây buộc, dây đai dụng cụ, khung và vỏ tên lửa. Mối hàn tấm hợp kim Titan cũng được sử dụng tring vệ sinh trái đất nhân tạo, modul mặt trăng, tàu vũ trụ có người lái và tàu con thoi.