1. Thermische stabiliteit op lange termijn van- titaniumlegeringen bij hoge temperaturen
(1) Legeringsontwerp voor thermische stabiliteit
Alfastabilisatoren (Al, Sn, Zr): aluminium (6–8 gew.%) en tin (1–3 gew.%) versterken de alfafase en verhogen de bèta-transustemperatuur van de legering (waardoor de fasetransformatie bij hoge temperaturen wordt vertraagd); zirkonium (2–4 gew.%) verfijnt korrels en verbetert de kruipweerstand zonder de ductiliteit in gevaar te brengen. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242) heeft bijvoorbeeld een bètatransustemperatuur van ~1000 graden, 15–20% hoger dan Ti-6Al-4V, waardoor een stabiele werking bij 450–500 graden gedurende 10,000+ uur mogelijk is.
Bètastabilisatoren (Mo, Nb, Ta): Molybdeen (1–2 gew.%) en niobium (2–5 gew.%) verbeteren de ductiliteit van de legering bij hoge- temperaturen en vertragen de vergroving van de bètafase; tantaal (1–3 gew.%) verbetert de thermische stabiliteit door de atomaire diffusiesnelheden in de matrix te verminderen. Geavanceerde soorten zoals Ti-1100 (Ti-6Al-2,7Sn-4Zr-0,4Mo-0,45Si) bevatten silicium (0,4–0,5 gew.%) om fijne silicideprecipitaten (Ti₅Si₃) te vormen, die korrelgrenzen vastzetten en kruipvervorming bij 550–600 graden tegengaan.
Lage-interstitiële controle: Strenge limieten voor zuurstof (<0.15 wt%), nitrogen (<0.015 wt%), and hydrogen (<0.010 wt%) prevent the formation of brittle interstitial compounds that degrade thermal stability over time.
(2) Microstructurele stabiliteit tijdens langdurige blootstelling aan -hoge- temperaturen
Lamellaire/bi-modale microstructuren: De meeste hoge--kwaliteiten worden met hitte-behandeld om een lamellaire of bi-modale (gelijkassige alfa + lamellaire alfa-bèta) microstructuur te vormen. Ti-6242 behoudt bijvoorbeeld in de volledig lamellaire toestand een fijne, uniforme alfalamellenverdeling in de bètamatrix bij 500 graden gedurende 20.000 uur, zonder significante korrelvergroving of fasesegregatie. Conventionele Ti-6Al-4V ervaart daarentegen alfafase-vergroving en krachtverlies boven 350 graden na 5.000 uur blootstelling.
Weerstand tegen fasedegradatie: Bij temperaturen onder 600 graden vermijden hoge- titaniumlegeringen de vorming van schadelijke fasen (bijvoorbeeld brosse omegafase of grove hydriden) die standaardkwaliteiten teisteren. Ti-1100 behoudt bijvoorbeeld zijn alfa-bèta-microstructuur bij 600 graden gedurende 10.000 uur, met slechts een vermindering van 10-15% in treksterkte (van 900 MPa naar 750-800 MPa), vergeleken met een sterkteverlies van 40% voor Ti-6Al-4V bij dezelfde temperatuur en duur.
(3) Behoud van mechanische eigendommen
Kruipweerstand: Titaniumlegeringen voor hoge- temperaturen vertonen superieure kruipprestaties bij hun ontwerptemperaturen. Ti-6242 heeft een kruipreksnelheid van<1×10⁻⁹ per hour at 450°C and 200 MPa stress (10x lower than Ti-6Al-4V under the same conditions), with total creep deformation <0.1% after 10,000 hours. Ti-1100 achieves a creep strain rate of <5×10⁻⁹ per hour at 550°C and 250 MPa, meeting the demands of aero-engine compressor blades.
Vermoeidheid sterkte: Onder cyclische belasting bij hoge- temperatuur behouden deze legeringen 60-70% van hun vermoeiingssterkte bij kamer-temperatuur (10⁷ cycli). Ti-6242 heeft bijvoorbeeld een vermoeiingssterkte van ~250 MPa bij 450 graden (vs. 150 MPa voor Ti-6Al-4V bij 350 graden), waardoor betrouwbare service mogelijk is in trillingsgevoelige componenten zoals turbinebehuizingen.
Retentie van taaiheid: Lange{0}} blootstelling aan 500 graden vermindert de rek van Ti-6242 met slechts 20–25% (van 12% naar 9–10%), terwijl Ti-6Al-4V 50% van zijn ductiliteit verliest (van 12% naar 6%) bij 350 graden gedurende dezelfde duur.
2. Oxidatieweerstand van titaniumlegeringen op hoge- temperatuur tijdens langdurig gebruik-
(1) Oxidatiemechanisme van titaniumlegeringen bij hoge temperaturen
Buitenste laag: Poreus TiO₂ (rutiel), dat barst en afsplintert onder thermische cycli;
Middelste laag: Ti₃O₅, een semi-geleidend oxide met slechte beschermende eigenschappen;
Binnenste laag: Ti₂O₃, een bros oxide dat verbrossing van het oppervlak veroorzaakt en de levensduur tegen vermoeiing verkort.
(2) Legering en oppervlaktebehandelingen voor verbeterde oxidatieweerstand
Silicium- en aluminiumlegering: Silicium (0,3–0,5 gew.%) in kwaliteiten zoals Ti-1100 vormt een continue SiO₂-laag onder de TiO₂-film, die fungeert als een diffusiebarrière voor zuurstof en de oxidegroeisnelheid met 50-60% vermindert bij 600 graden. Aluminium (7–8 gew.%) verhoogt het aluminiumgehalte in de oxidelaag, waardoor een gemengde Al₂O₃-TiO₂-schaal ontstaat met een hoger smeltpunt en een lagere zuurstofdoorlaatbaarheid dan puur TiO₂.
Chroom- en niobiumtoevoegingenChroom (1–2 gew.%) verbetert de oxidehechting door de mismatch bij thermische uitzetting tussen de oxidelaag en het substraat te verminderen, terwijl niobium (3–5 gew.%) de rutielfase van TiO₂ stabiliseert en scheurvorming in de oxidelaag remt.
Oppervlaktecoatings: Voor toepassingen met ultra-hoge- temperaturen (550–700 graden ), worden titaniumlegeringen met hoge- temperaturen vaak gecoat metaluminide coatings(bijvoorbeeld het verpakken van-gecementeerde Al-Ti-coatings) ofkeramische coatings(bijvoorbeeld yttriumoxide-gestabiliseerd zirkoniumoxide, YSZ). Deze coatings vormen een dichte Al₂O₃- of keramische barrière, waardoor de oxidatiesnelheid bij 650 graden met 90% wordt verminderd in vergelijking met ongecoate legeringen. Een met aluminide-gecoate Ti-1100 heeft bijvoorbeeld een gewichtstoename van<0.1 mg/cm² after 1000 hours at 600°C, vs. 1.2 mg/cm² for uncoated Ti-1100.
(3) Oxidatieprestatielimieten op lange termijn
Ongecoate legeringen: De meeste ongecoate titaniumlegeringen voor hoge- temperaturen kunnen gedurende 10.000 uur een aanvaardbare oxidatieweerstand behouden tot 550-600 graden, waarbij de totale oxidedikte beperkt is tot<10 μm and weight gain <0.5 mg/cm². Above 600°C, the oxide layer thickens rapidly (exceeding 20 μm at 650°C for 1000 hours) and becomes prone to spalling under thermal cycling, leading to intergranular oxidation and embrittlement.
Gecoate legeringen: Bij aluminide- of keramische coatings strekt de bovenste temperatuurlimiet zich uit tot 650-700 graden voor langdurig gebruik (10.000 uur), met oxidedikte<8 μm and weight gain <0.2 mg/cm² at 700°C. However, coating degradation (e.g., interdiffusion of coating and substrate elements) becomes a limiting factor beyond 700°C, requiring periodic recoating for critical components.
