Geschikte commercieel zuivere titaniumsoorten voor omgevingen met gemiddelde- tot -hoge en lage- temperaturen
1. CP-titaniumkwaliteiten voor scenario's met gemiddelde- tot- hoge temperaturen
Behoud van trek- en vermoeiingssterkte
Weerstand tegen kruipvervorming (langzame plastische stroming onder aanhoudende belasting)
Microstructurele stabiliteit (geen fasetransformatie of segregatie van onzuiverheden)
Oxidatieweerstand (geminimaliseerde vorming van brosse TiO₂-aanslag)
1.1 Optimale selectie van kwaliteiten: klasse 2 en klasse 4
1.1.1 Kernvoordelen van Graad 2 en Graad 4
Sterktebehoud bij verhoogde temperaturen: De interstitiële onzuiverheden (zuurstof en stikstof) in klasse 2 en klasse 4 vormen een stabiele vaste oplossing in het -titaniumrooster, die weerstand biedt aan roosterverzachting bij 200-300 graden. Bij 300 graden behoudt klasse 4 ~70% van de uiteindelijke treksterkte bij kamertemperatuur (UTS, ~485 MPa bij kamertemperatuur vs. ~340 MPa bij 300 graden), terwijl klasse 1 (laag zuurstofgehalte, 0,18 gew.% O) slechts ~55% van zijn kamertemperatuur-UTS behoudt (~345 MPa bij kamertemperatuur vs. ~190 MPa bij 300 graden).
Kruipweerstand: Kruip is een kritieke faalwijze voor materialen die langdurig worden belast bij hoge temperaturen. Het hogere zuurstofgehalte van graad 4 verhoogt de roosterwrijving, vertraagt de dislocatiebeweging en vermindert de kruipspanning. Bij 350 graden en een spanning van 150 MPa bedraagt de kruiprek van Graad 4 na 1000 uur ~0,2%, vergeleken met ~0,8% voor Graad 1 onder dezelfde omstandigheden.
Oxidatie weerstand: Zowel Graad 2 als Graad 4 vormen een dichte, hechtende TiO₂-oxidelaag bij 200–400 graden, die fungeert als een barrière tegen verder binnendringen van zuurstof. Het iets hogere onzuiverheidsgehalte van klasse 4 brengt de integriteit van de oxidelaag niet in gevaar, terwijl ultra-klassen met een lage onzuiverheid (bijvoorbeeld klasse 1) poreuze oxiden kunnen vormen vanwege de lagere roosterstabiliteit.
1.1.2 Gespecialiseerde kwaliteit voor corrosieve omgevingen met hoge- temperaturen: klasse 7 (Ti-0.12Pd)
Verbetert de corrosieweerstand bij het reduceren van zuren (bijv. HCl) bij verhoogde temperaturen
Voorkomt plaatselijke corrosie (put- en spleetcorrosie) die kan worden versneld door hoge temperaturen
Behoudt de microstructurele stabiliteit tot 350 graden zonder broze intermetallische fasen te vormen
1.1.3 Toepassingsgevallen
Chemische verwerking: Graad 2 wordt gebruikt voor warmtewisselaarbuizen die werken bij 200–250 graden, terwijl klasse 4 wordt gebruikt voor componenten van reactorvaten bij 300–400 graden.
Hulpsystemen voor de lucht- en ruimtevaart: Graad 4 wordt gebruikt voor hydraulische leidingen in vliegtuigmotorgondels (werkend bij 250–300 graden) vanwege de kruipweerstand en het behoud van sterkte.
Ontziltingsinstallaties: Graad 7 wordt gebruikt voor pekelverwarmers met hoge temperatuur- (250–300 graden) om weerstand te bieden aan chloridecorrosie en thermische vermoeidheid.
1.2 Te vermijden kwaliteiten bij gemiddelde- tot- hoge temperaturen
Graad 1: Het ultra-lage zuurstofgehalte resulteert in een slecht sterktebehoud en kruipweerstand boven 250 graden, waardoor het ongeschikt is voor dragende- componenten bij hoge temperaturen.
Graad 3: Hoewel de prestaties tussen klasse 2 en klasse 4 liggen, biedt het geen significant voordeel ten opzichte van klasse 2 (lagere kosten) of klasse 4 (hogere sterkte), wat leidt tot beperkt gebruik bij toepassingen met middelhoge- tot- hoge temperaturen.
2. CP-titaniumkwaliteiten met superieure taaiheid voor omgevingen met lage- temperaturen
2.1 Optimale selectie van klasse: klasse 1 en klasse 2 (klasse 1 heeft de voorkeur voor ultra- lage temperaturen)
2.1.1 Kernvoordelen van klasse 1 voor cryogene omstandigheden
Uitzonderlijke ductiliteit bij lage- temperaturen: Bij -196 graden (temperatuur van vloeibare stikstof) behoudt klasse 1 ~80% van de verlenging bij kamertemperatuur (24–28% bij kamertemperatuur versus. 20–22% bij -196 graden) en ~75% van de verkleining van het oppervlak (30–35% bij kamertemperatuur versus. 25–28% bij -196 graden). Graad 4 (hoog zuurstofgehalte) ervaart daarentegen een daling van 40% in rek bij -196 graden (van 15% bij kamertemperatuur tot 9% bij -196 graden).
Hoge breuktaaiheid: Breuktaaiheid (KIC) is een kritische maatstaf voor cryogene materialen. Graad 1 heeft een KIC van ~60 MPa·m¹/² bij -196 graden, terwijl de KIC van Graad 4 daalt tot ~35 MPa·m¹/² bij dezelfde temperatuur. Het lage gehalte aan interstitiële onzuiverheden in klasse 1 vermindert roostervervorming en elimineert de vorming van bros neerslag, waardoor plastische vervorming vóór breuk mogelijk is.
Weerstand tegen vermoeidheid bij lage- temperaturen: Bij -100 graden is de vermoeidheidslimiet van graad 1 (10⁷ cycli) ~170 MPa, slechts 5% lager dan de vermoeidheidslimiet bij kamertemperatuur (~180 MPa). Graad 4 ziet ter vergelijking een daling van 15% in de vermoeidheidslimiet bij -100 graden (van 150 MPa bij kamertemperatuur tot 127 MPa bij -100 graden) als gevolg van verhoogde brosheid.
2.1.2 Reden voor het vermijden van hoge- onzuiverheidsgraden (graad 3 en graad 4)
Een hoog zuurstof-/stikstofgehalte in graad 3 en graad 4 verhoogt de roosterhardheid en vermindert de dislocatiemobiliteit bij lage temperaturen, wat leidt tot een overgang van ductiele naar brosse breuk.
Bij temperaturen onder de -100 graden kunnen deze kwaliteiten gelokaliseerde brosse zones vormen bij korrelgrenzen, waar interstitiële onzuiverheden zich scheiden, wat plotselinge breuken veroorzaakt onder impact of cyclische belasting.
2.1.3 Toepassingsgevallen
Systemen voor vloeibaar aardgas (LNG).: Graad 1 wordt gebruikt voor LNG-opslagtankvoeringen en transportpijpleidingen (werkend bij -162 graden) vanwege de hoge taaiheid en weerstand tegen cryogene vermoeidheid.
Cryogene medische apparatuur: Graad 2 wordt ingezet voor vloeibare stikstof/vriescomponenten in medische beeldvormingsapparatuur (werkzaam bij -80 graden tot -196 graden) om de taaiheid en matige sterkte in evenwicht te brengen.
Cryogene brandstofsystemen voor de ruimtevaart: Graad 1 wordt gebruikt voor brandstofleidingen voor vloeibare waterstof (werkend bij -253 graden) om bros falen onder extreme koude en trillingsbelastingen te voorkomen.
