Титановые сплавы с рекордной прочностью и коррозионной стойкостью разработаны в ННГУ

6 июля 2021 года, 09:25

Элементы конструкций, сделанные из таких сплавов, подойдут для работы в условиях воздействия агрессивных сред и повышенных нагрузок.

Учёные ННГУ имени Н. И. Лобачевского разработали сплавы, имеющие рекордную прочность и коррозионную стойкость, об этом сообщает пресс-служба вуза.

Элементы конструкций, сделанные из таких сплавов, подойдут для работы в условиях воздействия агрессивных сред и повышенных нагрузок, а также иметь меньшую стоимость по сравнению с промышленными аналогами.

Титановые сплавы — один из основных материалов для изготовления изделий, работающих в агрессивных коррозионных средах. Поэтому титановые сплавы широко применяются в авиации, атомной и нефтехимической промышленности. Перспективным является и применение титана в биомедицинской промышленности, например, для изготовления протезов и имплантов.

«Обычно задача повышения коррозионной стойкости титанового сплава решается путём сложного легирования титановых сплавов, например, металлами платиновой группы (рутений, палладий и другие), что приводит к резкому увеличению их стоимости.

А для повышения прочности титановые сплавы подвергают большим деформациям, что позволяет сформировать в них очень малое субмикронное зерно. Но такой подход не подходит для сплавов, работающих при высоких температурах, например, в авиации и атомной энергетике», — рассказал заведующий лабораторией диагностики материалов Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ Алексей Нохрин.

Для изготовления сплавов в Университете Лобачевского применяли метод высокоскоростного электроимпульсного («искрового») плазменного спекания — метод высокоскоростного нагрева порошков путём пропускания импульсов тока очень большой мощности при одновременном приложении давления. Для спекания использовались специально приготовленные порошки. Благодаря этому методу нижегородским учёным удалось сформировать однородную высокоплотную структуру в трёх видах титановых сплавов, применяемых в биомедицине (титан ВТ1−0), атомной энергетике (сплав ПТ-3В) и в авиации (сплав ВТ-6).

Титановые сплавы, полученные в ННГУ, имеют рекордные значения предела прочности и твёрдости, а также очень высокую стойкость против электрохимической и горячей солевой коррозии. В частности, скорость коррозии новых сплавов оказалась в несколько раз меньше, чем для промышленных сплавов, получаемых обычными методами. Пределы прочности и твёрдость титановых сплавов оказались в полтора-два раза выше, чем у промышленных сплавов, при этом удалось одновременно обеспечить и высокую пластичность сплавов.

Исследования коллектива Университета Лобачевского показали, что такие свойства обусловлены процессом самопроизвольного легирования титановых сплавов: они насыщаются углеродом из графитовых пресс-форм, в которых они спекались. Насыщение титанового сплава при искровом плазменном спекании оказалось аномально интенсивными, что и привело к резкому повышению характеристик сплавов.

Полученные результаты были опубликованы в журнале Metals, входящем в первый квартиль баз Scopus и Web of Science по направлению Metals and Alloys.

Работы проводились в рамках гранта РНФ №19−73−00295.

Оптовые сплавы Titanium и ti, изготовленные в Китае

Титан и титановые сплавы

Титан — это очень активный металл серебристого цвета. Коммерчески чистый (CP) титан и титановые сплавы характеризуются высокой прочностью, высокой коррозионной стойкостью, низким удельным весом, низкой теплопроводностью и отсутствием магнетизма, широко используются в самых разных сферах, где требуется высокий уровень надежности. Конструкции, выполненные с использованием свойств, обеспечиваемых титаном, часто приводят к созданию надежных, экономичных и более долговечных систем и компонентов, которые превышают ожидаемый срок службы при более низкой общей стоимости в долгосрочной перспективе.

CP Titanium grade2, Ti 6Al-4V / grade5 и Ti 6Al-4V ELI / grade23 и титановый класс 12 — наиболее распространенные титановые сплавы, используемые в промышленности. LKALLOY имеет обширные запасы труб класса 2 и града 5, пластин, проводов и круглых стержней.

Области применения

Большинство титановых сплавов используются в конструкциях в аэрокосмической, энергетической и химической промышленности. С увеличением количества титана в последние годы все больше титана и его сплавов применяются в гражданском секторе.

• Архитектура: крыша, наружные стены, украшения, балюстрады, трубы и т. Д .;
• Хирургия и медицина: искусственные суставы, зубные имплантаты, кардиостимуляторы, сердечно-сосудистые стенты, хирургические инструменты;
• Нефтяной химикат: хлор-щелочь, сода, пластмасса, металлургия, электролизер для соли, реактор, дистилляционная колонна, концентратор, сепаратор, теплообменник, электрод и т. Д.
• Легкая промышленность: автомобильные аксессуары, спортивное оборудование, колонки, часы, удочки, кухонная утварь, изделия ручной работы и т. Д.

Соответствие материала

сплав	ASTM	JIS	ГОСТ	DIN	GB
Коммерческая чистая	Gr1 UNS R50250	TP270	BT1-00	3.7025	TA1
Коммерческая чистая	Gr2 UNS R50400	TP340	BT1-0	3. 7035	TA2
Коммерческая чистая	Gr3 UNS R50550	TP450	OT4-0	3.7055	TA3
Коммерческая чистая	Gr4 UNS R50700	TP550	OT4-1	3.7065	TA4
Ti-6Al-4V	Gr5 UNS R56400	TAP6400	BT6	3.7105	TC4
Ti-5Al-2.5Sn	Gr6 -1	TAP5250	BT5-1		TA6
Ti-Pd	Gr7 UNS R52400	TP340Pb		3.7235	TA9
Ti-3Al-2.5V	Gr9 UNS R56320	TAP3250	OT4-1B	3.7195	TA18
Ti-0.3Mo-0.8Ni	Gr12 UNS R53400				TA10
Ti-6Al-4V EIL	Gr23 UNS R56401		BT6C	3.7145	TC4EIL

[Контакт-форму-7 404 «Not Found»]

Созданы титановые сплавы с рекордными прочностью и коррозионной стойкостью

Ученые ННГУ им. Н.И. Лобачевского разработали сплавы, имеющие рекордную прочность и коррозионную стойкость. Элементы конструкций, сделанные из таких сплавов, будут лучше подходить для работы в условиях воздействия агрессивных сред и повышенных нагрузок, а также иметь меньшую стоимость по сравнению с промышленными аналогами. Полученные результаты были опубликованы в журнале Metals, работы поддержаны грантом РНФ.

Титановые сплавы – один из основных материалов для изготовления изделий, работающих в агрессивных коррозионных средах. Поэтому титановые сплавы широко применяются в авиации, атомной и нефтехимической промышленности. Перспективным является и применение титана в биомедицинской промышленности, например, для изготовления протезов и имплантов.

«Обычно задача повышения коррозионной стойкости титанового сплава решается путем сложного легирования титановых сплавов, например, металлами платиновой группы (рутений, палладий и др.), что приводит к резкому увеличению их стоимости, – говорит Алексей Нохрин, заведующий лабораторией Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ. – А для повышения прочности титановые сплавы подвергают большим деформациям, что позволяет сформировать в них очень малое – субмикронное – зерно. Но такой подход не подходит для сплавов, работающих при высоких температурах, например, в авиации и атомной энергетике».

Для изготовления сплавов ученые Университета Лобачевского применяли метод высокоскоростного электроимпульсного («искрового») плазменного спекания. Это метод высокоскоростного нагрева порошков путем пропускания импульсов тока очень большой мощности при одновременном приложении давления. Для спекания использовались специально приготовленные порошки.

Благодаря этому методу нижегородским ученым удалось сформировать однородную высокоплотную структуру в трех видах титановых сплавов, применяемых в биомедицине (титан ВТ1-0), атомной энергетике (сплав ПТ-3В) и в авиации (сплав ВТ-6).

Титановые сплавы, полученные учеными, имеют рекордные значения предела прочности и твердости, а также очень высокую стойкость против электрохимической и горячей солевой коррозии. В частности, скорость коррозии новых сплавов оказалась в несколько раз меньше, чем для промышленных сплавов, получаемых обычными методами. Пределы прочности и твердость титановых сплавов оказались в 1,5–2 раза выше, чем у промышленных сплавов, при этом нижегородским ученым удалось одновременно обеспечить и высокую пластичность полученных материалов.

Исследования коллектива ННГУ показали, что такие свойства новых титановых сплавов обусловлены процессом самопроизвольного легирования: сплавы насыщаются углеродом из графитовых пресс-форм, в которых они спекались. Насыщение титанового сплава при искровом плазменном спекании оказалось аномально интенсивными, что и привело к резкому повышению характеристик сплавов.

в России разработаны новые титановые сплавы для специальной морской техники и оборудования — РТ на русском

Российские учёные создали особые титановые сплавы различной прочности для использования в качестве конструкционного материала для морских буровых и добывающих платформ, а также трубопроводных систем. Исследователи отмечают, что применение титана вместо нержавеющей стали требует больше первоначальных затрат, но компенсируется сокращением эксплуатационных расходов. Для оборудования специальной морской техники созданы два сплава на основе титана и алюминия с включением молибдена или ванадия, а для эксплуатации в более агрессивных средах и при повышенных температурах специалисты дополнили эти композиции микродобавками палладия и рутения.

Учёные НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» разработали серию титановых сплавов различной категории прочности для производства морской техники и оборудования. По замыслу разработчиков, такие материалы надёжнее и долговечнее, а потому в перспективе выгоднее используемых в настоящее время аналогов. Об этом RT сообщили в пресс-службе Курчатовского института.

По словам специалистов, новые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, что выгодно отличает их от широко применяемой в морских конструкциях нержавеющей стали. Так, гарантированный срок эксплуатации новых титановых материалов в условиях морской воды составляет не менее 50 лет, что делает их подходящими для сооружения морских буровых и добывающих платформ, а также трубопроводных систем.

«Применение титана вместо нержавеющей стали требует больших первоначальных затрат, однако это полностью компенсируется сокращением эксплуатационных расходов. Убытки от аварий и ремонтных работ несопоставимы с кажущейся экономией при использовании дешёвых материалов. Поэтому выбор титана на стадии проектирования — залог безопасной и надёжной работы оборудования в течение всего срока эксплуатации», — пояснила в беседе с RT старший научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей» Ирина Козлова.

Особенность разработки в том, что она представляет собой целую серию титановых сплавов, из которых в зависимости от условий эксплуатации можно подобрать наиболее подходящий, отмечают учёные.

Для оборудования офшорной техники (офшорный флот выполняет различные специальные работы в Мировом океане) самыми перспективными считаются два сплава на основе титана и алюминия с добавкой молибдена или ванадия.

При этом для эксплуатации в более агрессивных средах и при повышенных температурах специалисты дополнили эти композиции микродобавками палладия или рутения.

Также по теме

«Фантастически интересные свойства»: российский учёный о новых материалах и технологиях

Человечество обязательно перейдёт к новому технологическому укладу, в котором значительную роль будет играть контролируемый синтез…

Разработка коллектива рассчитана на значительный экономический эффект, так как новые титановые сплавы весьма перспективны для изготовления оборудования по добыче нефти на шельфе, где необходимы коррозионная стойкость и стойкость к высоким циклическим нагрузкам.

К преимуществам титана относятся уникальная устойчивость к разрушению в среде сероводорода, при повышенных концентрациях хлорид-иона, а также при воздействии микроорганизмов, напоминают учёные. По их словам, подобные сплавы применяются в Норвегии и Великобритании в том числе для добычи и транспортировки углеводородов. Опыт работы с материалами на основе титана есть и у российских специалистов, проводивших, в частности, модернизацию арктической нефтяной платформы «Приразломная». 

«Россия обладает развитой титановой промышленностью, что создаёт благоприятные условия для перехода от нержавеющих сталей к конструкционным материалам на основе титана. Это значительно повысит безопасность и срок эксплуатации морских буровых и добывающих платформ. Кроме того, внедрение титановых сплавов в создание отечественного оборудования заметно снизит импортозависимость в сфере освоения шельфа», — заявил в разговоре с RT начальник лаборатории титановых сплавов и технологий их производства для судостроения и шельфовых сооружений НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей» Евгений Чудаков.

47. Титан и его сплавы. Материаловедение. Шпаргалка

47. Титан и его сплавы

Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью. Недостатки титана: его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости.

Азот, углерод, кислород и водород, упрочняя титан, снижают его пластичность, сопротивление коррозии, свариваемость. Титан плохо обрабатывается резанием, удовлетворительно – давлением, сваривается в защитной атмосфере. Широкое распространение получило вакуумное литье, в том числе вакуумно-дуговой переплав с расходуемым электродом.

Аллотропические модификации титана: низкотемпературная и высокотемпературная.

Различают две основные группы легирующих элементов в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения титана (882,5 °C): б-стабилизаторы (элементы, расширяющие область существования б-фазы и повышающие температуру превращения – А1, Оа, С) и в-стабилизаторы (элементы, суживающие б-область и снижающие температуру полиморфного превращения, – V, Мо, Сг).

Легирующие элементы делятся на две основные группы: элементы с большой (в пределе – неограниченной) и ограниченной растворимостью в титане. Элементы с ограниченной растворимостью вместе с титаном могут образовывать интерметаллиды, силициды и фазы внедрения.

Легирующие элементы влияют на эксплуатационные свойства титана (Ре, А1, Мп, Сг), повышают его прочность, но снижают эластичность и вязкость; А1, Zr увеличивают жаропрочность, а Мо, Zr, Та – коррозионную стойкость.

Классификация титановых сплавов. Структура промышленных сплавов титана – это твердые растворы легирующих элементов в б– и в-модификациях титана.

Виды термической обработки титановых сплавов.

Рекристаллизационный (простой) отжиг холоднодеформированных сплавов (650–850 °C).

Изотермический отжиг (нагрев до 780–980 °C с последующим охлаждением в печи до 530–680 °C, выдержка при этой температуре и охлаждение на воздухе), обеспечивающий высокую пластичность и термическую стабильность сплавов.

Двойной ступенчатый отжиг (отличается от изотермического тем, что переход от первой ступени ко второй осуществляется охлаждением сплава на воздухе с последующим повторным нагревом до температуры второй ступени), приводящий к упрочнению сплава и снижению пластичности за счет частичного протекания процессов закалки и старения.

Неполный отжиг при 500–680 °C с целью снятия возникающих при механической обработке остаточных напряжений.

Упрочняющая термическая обработка. Большинство титановых сплавов легировано алюминием, повышающим жесткость, прочность, жаропрочность и жаростойкость материала, а также снижающим его плотность.

?-титановые сплавы термической обработкой не упрочняются; их упрочнение достигается посредством легирования твердого раствора и пластической деформацией.

(? + ?) – титановые сплавы характеризуются смешанной структурой и упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения.

Псевдо-?-титановые сплавы характеризуются высоким содержанием ?-стабилизаторов и вызванным этим отсутствием мартенситного превращения. Сплавы характеризуются высокой пластичностью в закаленном состоянии и высокой прочностью в состаренном; они удовлетворительно свариваются аргонодуговой сваркой.

Литейные титановые сплавы. По сравнению с деформируемыми литейные сплавы имеют меньшую прочность, пластичность и выносливость, но более дешевы. Сложность литья титановых сплавов обусловлена активным взаимодействием титана с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы ВТ5Л, ВТ14Л и ВТЗ-1Л по составу в основном совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами (в то же время сплав ВТ14Л дополнительно содержит железо и хром).

Высокими технологическими свойствами обладает сплав ВТ5Л: он пластичен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается. Фасонные отливки из сплава ВТ5Л работают при температурах до 400 °C. Недостатком сплава является его невысокая прочность (800 МПа). двухфазный литейный сплав ВТ14Л подвергают отжигу при 850 °C вместо упрочняющей термической обработки, резко снижающей пластичность отливок.

Порошковые сплавы титана. Применение методов порошковой металлургии для производства титановых сплавов позволяет при тех же эксплуатационных свойствах, что и у литого или деформируемого материала, добиться снижения до 50 % стоимости и времени изготовления изделий. Титановый порошковый сплав ВТ6, полученный горячим изостатическим прессованием (ГИП), обладает теми же механическими свойствами, что и деформируемый сплав после отжига. Закаленному и состаренному деформируемому сплаву ВТ6 порошковый сплав уступает в прочности, но превосходит в пластичности.

Применение сплавов титана: обшивки самолетов, морских судов, подводных лодок; корпусов ракет и двигателей; дисков и лопаток стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей; гребных винтов; баллонов для сжиженных газов; емкостей для агрессивных химических сред и др.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Титановые и магниевые сплавы.

Титан и его сплавы



Титановые сплавы классифицируют по:

• технологическому назначению на литейные и деформируемые;
• механическим свойствам – низкой (до 700 МПа), средней (700…1000 МПа) и высокой (более 1000 МПа) прочности;
• эксплуатационным характеристикам – жаропрочные, химически стойкие и др. ;
• отношению к термической обработке – упрочняемые и неупрочняемые;
• структуре (α-, α+β- и β-сплавы).

Деформируемые титановые сплавы по механической прочности выпускаются под марками:

• низкой прочности — ВТ1;
• средней прочности — ВТ3, ВТ4, ВТ5;
• высокой прочности — ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).

Для литья применяются сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы.

***

Магний и его сплавы

Главным достоинством магния как машиностроительного материала являются низкая плотность, технологичность. Однако его коррозионная стойкость во влажных средах, кислотах, растворах солей крайне низка.
Чистый магний практически не используют в качестве конструкционного материала из-за его недостаточной коррозионной стойкости. Он применяется в качестве легирующей добавки к сталям и чугунам и в ракетной технике при создании твердых топлив.

Эксплуатационные свойства магния улучшают легированием марганцем, алюминием, цинком и другими элементами. Легирование способствует повышению коррозионной стойкости (Zr, Mn), прочности (Al, Zn, Mn, Zr), жаропрочности (Th) магниевых сплавов, снижению окисляемости их при плавке, литье и термообработке.



Сплавы на основе магния классифицируют по:

• механическим свойствам – невысокой, средней прочности; высокопрочные, жаропрочные;
• технологии переработки – литейные и деформируемые;
• отношению к термической обработке – упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

Маркировка магниевых сплавов состоит из буквы, обозначающей соответственно сплав (М), и буквы, указывающей способ технологии переработки (А – для деформируемых,Л – для литейных), а также цифры, обозначающей порядковый номер сплава.

Деформируемые магниевые сплавы MA1, MA2, МА3, MA8 применяют для изготовления полуфабрикатов – прутков, труб, полос и листов, а также для штамповок и поковок.

Литейные магниевые сплавы МЛ1, МЛ2, МЛ3, МЛ4, МЛ5, МЛ6 нашли широкое применение для производства фасонных отливок. Некоторые сплавы МЛ применяют для изготовления высоконагруженных деталей в авиационной и автомобильной промышленности: картеры, корпуса приборов, колесные диски, фермы шасси самолетов.

Ввиду низкой коррозионной стойкости магниевых сплавов изделия и детали из них подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.

***

Сплавы олова, свинца и цинка



Главная страница

Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Свариваемость материалов — титан и титановые сплавы

• высокое соотношение прочности и веса;
коррозионная стойкость
• ;
Механические свойства
• при повышенных температурах.

Титан — уникальный материал, такой же прочный, как сталь, но в два раза легче и обладающий отличной коррозионной стойкостью. Традиционные применения в аэрокосмической и химической промышленности. В последнее время, особенно в связи со значительным падением стоимости титана, сплавы находят все более широкое применение в других отраслях промышленности, таких как оффшорная.

Определены различные типы титановых сплавов и даны рекомендации по процессам и методам сварки, используемым при изготовлении компонентов без ухудшения их коррозионных, окислительных и механических свойств или внесения дефектов в сварной шов.

Типы материалов

Группы сплавов

В основном различают три типа сплавов по своей микроструктуре:

Титан — Коммерчески чистый (от 98 до 99,5% Ti) или упрочненный небольшими добавками кислорода, азота, углерода и железа.Сплавы легко свариваются плавлением.

Альфа-сплавы — Это в основном однофазные сплавы, содержащие до 7% алюминия и небольшое количество (< 0,3%) кислорода, азота и углерода. Сплавы свариваются плавлением в отожженном состоянии.

Альфа-бета-сплавы — Имеют характерную двухфазную микроструктуру, образованную добавлением до 6% алюминия и различных количеств бета-образующих компонентов — ванадия, хрома и молибдена.Сплавы легко свариваются в отожженном состоянии.

Сплавы, содержащие большое количество бета-фазы, стабилизированные такими элементами, как хром, плохо поддаются сварке.

Обычно используемые сплавы перечислены в Таблице 1 с соответствующей маркой ASTM, международно признанным обозначением. В промышленности наиболее широко свариваемыми титановыми сплавами являются технически чистые марки и варианты сплава 6 % Al и 4 % V.

Таблица 1: Обычно используемые титановые сплавы и рекомендуемый присадочный материал

Класс ASTM	Состав	UTS (мин) МПа	Наполнитель	Комментарии
1	Ти-0. 15О	240	ERTi-1	Коммерчески чистый
2	Ти-0,20О	340	ERTi-2	,,
4	Ти-0,35О	550	ERTi-4	,,
7	Ти-0.20О-0,2Pd	340	ERTi-7	,,
9	Ти-3Ал-2,5В	615	ERTi-9	Компоненты трубы
5	Ти-6Ал-4В	900	ERTi-5	сплав «Рабочая лошадка»
23	Ти-6Ал-4В ЭЛИ	900	ЭРТи-5ЭЛИ	Низкие межстраничные объявления
25	Ти-6Ал-4В-0. 06ПД	900	ERTi-25	Коррозионностойкий класс

Присадочные сплавы

Титан и его сплавы можно сваривать с использованием соответствующего состава присадочного материала; составы приведены в спецификации Американского общества сварщиков AWS A5.16-2004. Рекомендуемые присадочные проволоки для широко используемых титановых сплавов также приведены в таблице 1.

При сварке высокопрочных титановых сплавов иногда используют присадки с более низкой прочностью для достижения достаточной пластичности металла шва.Например, нелегированный присадочный материал ERTi-2 можно использовать для сварки сплавов Ti-6Al-4V и Ti-5Al-2,5Sn, чтобы сбалансировать требования к свариваемости, прочности и формуемости.

Дефекты сварки

Этот материал и его сплавы легко свариваются плавлением при соблюдении соответствующих мер предосторожности. TIG и плазменные процессы с защитным газом аргон или аргон-гелий используются для сварки тонкостенных компонентов, обычно <10 мм. Автогенная сварка может использоваться для сечения толщиной <3 мм с помощью TIG или <6 мм с помощью плазмы.Импульсная сварка MIG с использованием проволоки с новым покрытием обеспечивает очень низкий уровень пористости и разбрызгивания.

Наиболее вероятные дефекты сварных швов плавлением:

• Пористость металла шва
• Охрупчивание
• Растрескивание от загрязнения

Обычно трещины отверждения или водородного растрескивания отсутствуют.

Пористость металла шва

Пористость металла сварного шва является наиболее частым дефектом сварного шва. Пористость возникает, когда пузырьки газа захватываются между дендритами во время затвердевания.В титане наиболее вероятной причиной пористости является водород из-за влаги в среде дуги или загрязнения поверхности наполнителя и основного металла.

Крайне важно, чтобы место соединения и окружающие поверхности были предварительно очищены путем обезжиривания паром, растворителем, щелочью или обезжириванием паром. Любой поверхностный оксид следует затем удалить травлением (раствор HF-HNO ₃ ), легкой шлифовкой или зачисткой чистой проволочной щеткой из нержавеющей стали. Ни в коем случае нельзя использовать обычную стальную щетку.После протирания безворсовой тканью следует соблюдать осторожность, чтобы не коснуться поверхности перед сваркой. При TIG-сварке тонкостенных компонентов область соединения должна быть обработана всухую, чтобы получить гладкую поверхность.

Охрупчивание

Охрупчивание может быть вызвано загрязнением металла сварного шва либо абсорбцией газа, либо растворением загрязняющих веществ, таких как пыль (частицы железа) на поверхности. При температурах выше 500°C титан имеет очень высокое сродство к кислороду, азоту и водороду.Сварочная ванна, зона термического влияния и охлаждающий валик должны быть защищены от окисления защитным слоем из инертного газа (аргон или гелий).

Когда происходит окисление, тонкий слой оксида на поверхности создает интерференционный цвет. Цвет может указывать на то, было ли экранирование адекватным или имела место неприемлемая степень загрязнения. Серебристый или соломенный цвет указывает на то, что была достигнута удовлетворительная газовая защита, но для определенных условий эксплуатации может быть приемлем темно-синий цвет. Светло-голубой, серый и белый цвета показывают более высокий, обычно неприемлемый уровень загрязнения кислородом.

Для небольших компонентов эффективная газовая защита может быть достигнута путем сварки в полностью закрытой камере, заполненной защитным газом. Рекомендуется перед сваркой зажигать дугу на куске титана, называемом «титан-геттер», для удаления кислорода из атмосферы; уровень кислорода должен быть снижен примерно до 40 частей на миллион перед зажиганием дуги на титановом ломе и ниже 20 частей на миллион перед сваркой фактического компонента.

При сварке труб полностью закрытая головка одинаково эффективна для защиты зоны сварки и предпочтительнее оборудования для орбитальной сварки, в котором газовое сопло должно вращаться вокруг трубы.

При сварке на открытом воздухе горелка оснащена задним экраном для защиты горячего валика сварного шва во время охлаждения. Размер и форма экрана определяются профилем шва, а его длина зависит от сварочного тока и скорости перемещения. При сварке на открытом воздухе важно, чтобы нижняя сторона соединения была защищена от окисления. Для прямых участков используется рифленый стержень с обдувом стыка аргоном. При сварке труб подходят обычные методы продувки газом.

Растрескивание от загрязнения

Если на поверхности детали присутствуют частицы железа, они растворяются в металле шва, снижая коррозионную стойкость и при достаточно высоком содержании железа вызывая охрупчивание. Не менее вредны частицы железа и в ЗТВ, где локальное плавление частиц образует очаги эвтектики титан-железо. Могут возникнуть микротрещины, но более вероятно, что богатые железом карманы станут предпочтительными местами для коррозии.

Особое внимание следует уделить отделению титана от стальных изделий, желательно путем выделения специально отведенной чистой зоны. Сварщики должны защищаться от внедрения стальных частиц в поверхность материала:

• Избегание операций по изготовлению стали рядом с титановыми компонентами.
• Компоненты покрытия для предотвращения оседания переносимых по воздуху частиц пыли на поверхность
• Не использовать инструменты, включая проволочные щетки, ранее использовавшиеся для обработки стали
• Царапина на месте соединения непосредственно перед сваркой
• Не обращаться с очищенным компонентом в грязных перчатках.

Чтобы избежать коррозионного растрескивания и свести к минимуму риск охрупчивания из-за загрязнения железом, рекомендуется изготавливать титан в специально отведенной чистой зоне.

Дополнительная информация

Титаниум информационно-техническая поддержка

Сварка титана – руководство по передовой практике

Эта статья о вакансиях была первоначально опубликована в журнале Connect в феврале 1997 г. Она была обновлена, поэтому веб-страница больше не отражает точно печатную версию.

Бинарные титановые сплавы в качестве материалов для зубных имплантатов — обзор

Abstract

Титан (Ti) долгое время использовался в стоматологии и медицине для изготовления имплантатов.В течение многих лет использовался не только коммерчески чистый Ti, но и некоторые сплавы, такие как бинарные и третичные сплавы Ti. Целью данного обзора является описание и сравнение современной литературы по бинарным сплавам Ti, включая Ti–Zr, Ti–In, Ti–Ag, Ti–Cu, Ti–Au, Ti–Pd, Ti–Nb, Ti–Mn. , Ti–Mo, Ti–Cr, Ti–Co, Ti–Sn, Ti–Ge и Ti–Ga, в частности механические, химические и биологические параметры, связанные с применением имплантата. Поиск литературы проводился с использованием баз данных PubMed и Web of Science, а также Google без ограничения года, но с такими принципиальными ключевыми терминами, как «сплав Ti», «бинарный Ti», «Ti-X» (где X — элемент сплава ), «зубной имплантат» и «медицинский имплантат».Были включены только лабораторные исследования, предназначенные для имплантации или биомедицинских применений. По имеющимся литературным данным можно заключить, что большинство бинарных сплавов Ti с легирующими <20% элементами Zr, In, Ag, Cu, Au, Pd, Nb, Mn, Cr, Mo, Sn и Co обладают высоким потенциалом в качестве имплантатов. материалы благодаря хорошим механическим характеристикам без ущерба для биосовместимости и биологического поведения по сравнению с cp-Ti.

Ключевые слова: : бинарный Ti, сплав Ti, зубной имплантат, биосовместимость

Введение

Титан (Ti) представляет собой переходный металл и элемент с атомным номером 22.Ti имеет блестящую отделку и характеризуется серебристым цветом, низкой плотностью и высокой прочностью. Обладает высокой коррозионной стойкостью в различных средах, таких как морская вода, царская водка и хлор [1]. Ti также считается биосовместимым, поскольку он не токсичен и не отторгается человеческим организмом. Таким образом, Ti и его сплавы могут использоваться в различных медицинских целях, например, в медицине. хирургические инструменты и имплантаты, а также в стоматологии, например. абатменты, протезы и ортодонтические дуги [2]. В частности, исследование [3] показало, что изготовленные из титана тазобедренные суставы и гильзы (в качестве замены сустава) могут оставаться в организме пациентов более 20 лет.Кроме того, Ti обладает присущей ему способностью к остеоинтеграции, что позволяет использовать Ti для применения в ортопедических имплантатах [4]. Кроме того, Ti имеет низкий модуль упругости (то есть модуль Юнга), который близко соответствует кости. В результате нагрузки от скелета могли быть более равномерно распределены между костью и имплантатом и привели к более низкой частоте деградации кости, что связано с [1] экранированием напряжения и [2] перипротезными переломами кости, происходящими на границах ортопедических имплантатов [5]. ].Несмотря на то, что жесткость Ti более чем в два раза превышает жесткость кости, что может привести к повреждению соседней кости из-за снижения нагрузки на кость [6], Ti по-прежнему считается материалом, который используется в медицине.

Ti представляет собой диморфный металл с двумя фазами, α- и β-фазами. α-Ti представляет собой гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую решетку, а β-Ti представляет собой объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку. Во время обработки Ti существует в виде α-Ti при температуре ниже 883 °C. При нагреве Ti выше 883 °C атомы в ГПУ кристаллической решетке упаковываются ближе друг к другу и становятся β-Ti [7–9].α-Ti отличается прочностью, высокой прочностью при высоких температурах (<883 °C) и хорошей свариваемостью. Однако он труднообрабатываемый и поддается термообработке. Предел прочности при растяжении составляет около 330–860 МПа, а вязкость разрушения >70 МПа·м ^{− 1/2} . Для β-Ti бета-фаза наблюдалась при комнатной температуре после закалки, а иногда даже при охлаждении на воздухе. Таким образом, он готов к холодной обработке (формованию) и может быть подвергнут обработке на твердый раствор, закалке и старению для придания более высокой прочности при низкой пластичности. Однако его усталостные характеристики плохие. Предел прочности при растяжении составляет около 1220–1450 МПа, а вязкость разрушения >50 МПа·м ^{− 1/2} .

Действительно, технически чистый Ti (cp-Ti) подразделяется на четыре класса от 1 до 4 в зависимости от чистоты и содержания технологического кислорода [10]. Эти различные сорта cp-Ti обладают различной коррозионной стойкостью, пластичностью и прочностью (). Например, cp-Ti Grade 1, который обрабатывается с наименьшим содержанием кислорода (около 0.18%), имеет наивысшую чистоту, лучшую коррозионную стойкость и формуемость. Однако общая механическая прочность самая низкая. С другой стороны, cp-Ti класса 4, который обрабатывается с наибольшим содержанием кислорода (около 0,4%), имеет самую высокую прочность и умеренную формуемость. Таким образом, из-за наивысшей демонстрируемой прочности большинство титановых имплантатов изготавливаются из cp-Ti класса 4.

изменение прочности и содержания кислорода на cp-Ti, адаптировано из [9]

Ti в качестве материала имплантата

Для замены отсутствующего зуба используется множество материалов, таких как Vitallium) и нержавеющей стали, были предприняты попытки изготовления имплантата. Развитие материаловедения и технологии улучшило материалы для установки имплантатов. В настоящее время титан становится самым популярным материалом для имплантатов благодаря своим преимуществам.

На самом деле, Ti широко и успешно используется в качестве материала для имплантатов в основном благодаря различным факторам. Ti биологически инертен, способен связываться с остеобластами и обладает отличной биосовместимостью. Самопроизвольно сформированный оксидный слой, то есть оксиды Ti (TiO _x ) в виде пленки, очень стабилен и может отделять объемный материал Ti от его окружения.Таким образом, Ti обладает высокой способностью противостоять коррозии. Слой TiO _x обычно имеет толщину около 3–10 нм, который стабильно остается на поверхности Ti, а оксидная пленка на поверхности [11] может поглощать ионы кальция и фосфата и индуцировать некоторое количество белка для образования апатита, т. е. способствовать остеоинтеграции. . Однако этот слой оксидной пленки очень тонкий и легко разрушается. Таким образом, были предприняты различные попытки защитить покрытие TiO _x . Например, некоторые искусственные методы, такие как электрохимическое оксидирование [12], анодное оксидирование [13] и нагрев при атмосферном давлении [14] или в вакууме [15] предложены для утолщения оксидного слоя (но все же <10 нм) что также могло бы предотвратить утечку ионов Ti, вызывающую денатурацию белков и некроз клеток тканей [16].

Несмотря на то, что толщину TiO ₂ (<10 нм) можно было бы равномерно контролировать в атмосферной среде, небольшая часть Ti и Ti-OH на поверхности будет химически реагировать (путем хемосорбции) с влагой воды, которая может выводить на поверхность слабосвязанную физисорбированную воду. В условиях многовалентного металла Ti (например, Ti ⁴⁺ ) вместе с физически сорбированной водой, которые при равновесии превращаются в гидроксид (OH ^— ) и ионы гидроксония (H ⁺ ), Ti легко образует Ti -ОЙ:

H ₂ O ↔ H ⁺ + ОН ^—

(1)

Ti ⁴⁺

+ 4OH ^— ↔ 4Ti — OH

(2)

Затем Ti-OH, вероятно, подвергается дальнейшему гидролизу [17]:

Ti-OH + H ₂ O ↔ [Ti-O] ⁻ + H ₃ O ⁺

Ti − OH + H ₂ O ↔ [Ti-O] — + H ₃ O ₊ O ⁺

(3)

Ti — OH + H ₂ O ↔ [Ti-Oh ₂ ] ⁺ + OH ⁻

(4)

Теоретически равновесная реакция (3) должна привести к образованию оксида титана основного типа ([Ti-O] ^— ), который несет отрицательный заряд на поверхности, и оксида кислотного типа [Ti-OH ₂ ] ⁺ несут положительный заряд для уравнения (4) [18]. Исследования [19–21] показали, что изоэлектрическая точка (ИЭТ) для этих оксидов Ti на поверхности колеблется от 5,0 до 6,7. Равновесные реакции Уравнения (3) и (4) предполагают, что при кислом рН ниже, чем IEP, преобладающей формой оксида будет [Ti-OH ₂ ] ⁺ . Таким образом, методы обработки поверхности, такие как травление кислотой, могут не только сделать поверхность шероховатой, что обеспечивает укрытие для отрицательно заряженных остеобластов [22], но также вызвать образование гидроксилированной формы оксида титана [Ti-OH ₂ ] ⁺ , который является гидрофильным и задокументирован для повышения биологической активности [23].Таким образом, поддержание положительной кислотности [Ti-OH ₂ ] ⁺ на поверхности Ti может быть хорошей стратегией для связывания Ti-остеобластов без добавления би-положительно заряженных факторов роста/белков [24].

Однако при хранении и равновесной природе оксида слой нанооксида будет становиться толще из-за времени и качества подвергаемой хранению атмосферы [17]. В таком случае гидроксилированный оксид будет разбавлен и депротонирован, т.е. образуется больше [Ti-O] ^— , что повлияет на гидрофильность и наноструктуру.Следовательно, для поддержания уровня [Ti-OH ₂ ] ⁺ рекомендуется хранение кислой среды, что может быть тактикой в ​​коммерческом продукте «SLActive» (Straumann, Базель, Швейцария), в котором используется подкисленный солевой раствор (т.е. 0,9% NaCl, pH 4–6) для эффективного сохранения гидрофильности и наноструктуры [25].

В целом, титан является хорошим выбором для внутрикостных инъекций не только из-за биосовместимости, но и из-за того, что титан можно быстро обрабатывать и обрабатывать механически, так что форму и размеры можно легко контролировать.Тем не менее, одним из недостатков титана может быть эстетическая проблема, поскольку титан имеет серый цвет, так что темный цвет будет виден через тонкую слизистую оболочку, если состояние мягких тканей не является оптимальным. Ti также продолжил работу над некоторыми другими недостатками, например. низкая деформируемость и износостойкость, высокая реакционная способность с окружающими примесями (такими как кислород и азот) при повышенных температурах [26, 27]. Более того, доказано, что Ti высвобождает ионы Ti в физиологических условиях, так что присутствие цитрата и лактата увеличивает уровень Ti, а также способствует связыванию между Ti и трансферрином [28].Другое исследование [29] показало, что специальное соединение, образованное между Ti, цитратом и трансферрином, было стабильным и нетоксичным. Однако это соединение транспортируется в организме через кровоток, снижает рН эндосомы и ослабляет целостность титанового имплантата. Все эти эффекты в долгосрочной перспективе неизвестны. Таким образом, следует соблюдать осторожность при использовании Ti в имплантатах.

Одна из тактик — легирование Ti различными элементами — может стать жизнеспособной для улучшения некоторых из этих свойств, таких как повышение коррозионной стойкости, снижение модуля упругости и улучшение обрабатываемости. Это связано с тем, что свойства титановых сплавов связаны с их соответствующими фазами/кристаллическими структурами, так что добавление некоторых легирующих элементов может стабилизировать определенные фазы. Кроме того, некоторые металлические подложки могут соединяться с этим оксидным слоем для предотвращения впитывания и разрушения покрытия [30, 31]. Таким образом, легирование титана может быть стратегией улучшения механических и других свойств [10].

Двойные титановые сплавы

Обычно сплав можно определить в широком смысле как «смесь металла и другого элемента (элементов), который имеет характер металлической связи».В титане было предпринято много попыток, таких как использование серебра (Ag), алюминия (Al), меди (Cu), железа (Fe), ванадия (V) и цинка (Zn), чтобы улучшить материал. .

На самом деле, как упоминалось выше, титан имеет три формы: α, β и α-β. С добавлением легирующих элементов фазовый состав можно регулировать и, таким образом, изменять объемные свойства титанового сплава. Например, Al действует как стабилизатор α-фазы, который может повысить прочность и снизить вес сплава.V представляет собой стабилизатор β-фазы, который может улучшить пластичность и формуемость. Таким образом, путем добавления Al и V температура для превращения α-фазы в β-фазу также была изменена на диапазон, т.е. и α-, и β-фазы существуют в диапазоне температур. Наиболее часто используемый Ti-сплав в зубных имплантатах [7, 32] — это Ti-6Al-4V, который также известен как титановый сплав Grade V, состоящий из 6 и 4% алюминия и ванадия соответственно, вместе с добавкой максимального 0,25% железа и 0,2% кислорода. Остальной сплав — титан.По сравнению с cp-Ti, Ti-6Al-4V имеет превосходный предел текучести и усталостные свойства, превосходную коррозионную стойкость и более низкий модуль упругости.

Ti–6Al–4V (обычно также известный как титан класса V) — один из наиболее часто используемых сплавов третичного титана, который можно использовать в качестве биомедицинского имплантата. Как следует из символа, Ti-6Al-4V имеет состав 6  вес. % алюминия и 4  вес.% ванадия. В частности, сплав Ti–6Al–4V обладает более высокой прочностью, что позволяет использовать его в различных областях, таких как анкерные ножки бедренных компонентов, вместе со сплавом Co–Cr–Mo или Al ₂ O ₃ керамическим шаровым наконечником. .Однако недостатком сплава Ti-6Al–4 V является низкая износостойкость [33], высокий модуль упругости [34] (примерно в 4–10 раз больше, чем у человеческой кости) и низкая прочность на сдвиг [35], что может ухудшить использование в качестве имплантат и как в винтовой форме. Такое явление называется «эффектом экранирования напряжения» [36], который возникает из-за несоответствия жесткости между материалом имплантата и окружающей костью. Многолетние исследования [37, 38] показали, что при недостаточной передаче нагрузки от искусственного имплантата на соседнюю ремоделирующую кость может произойти резорбция кости и, в конечном итоге, протезное устройство расшатывается.Поэтому было сочтено, что для улучшения ситуации необходима соответствующая обработка поверхности [33–35].

Несмотря на то, что сплав Ti–6Al–4V широко используется в качестве биоматериала для имплантатов, исследование [39] показало, что сплав может высвобождать ионы алюминия и ванадия [40]. В частности, ванадий проявляет высокую цитотоксичность [41], а алюминий может вызывать даже старческое слабоумие [41]. При этом эти вымываемые ионы металлов могут вызывать различные проблемы со здоровьем, такие как аллергический, цитотоксический эффект и даже неврологические расстройства.Поскольку имплантат не устанавливается в организме на короткое время, не следует недооценивать некоторые проблемы со здоровьем, такие как болезнь Альцгеймера, остеомаляция и периферическая невропатия, и следует с осторожностью подходить к выбору использования сплавов для установки имплантата. Особое внимание следует уделять сплавлению с титаном.

Таким образом, для успешного использования новых материалов в стоматологии требуется непрерывная разработка новых сплавов на основе титана с идеальными свойствами, например. желательно без каких-либо токсических эффектов.Так, некоторые другие сплавы, особенно бинарные Ti-сплавы, такие как Ti–Nb [42–44], Ti–Ag [45, 46], Ti–Au [47], Ti–Mn [48], Ti–Cr [49 , 50], Ti–Mo [51], Ti–Sn [52], Ti–Zr [53–55], Ti–Co [56], Ti–Pd [57] и Ti–Cu [58]. . Метод обработки и химический состав этих титановых сплавов будут влиять на их микроструктуру и, следовательно, на механические свойства. В следующих разделах кратко представлены, обсуждены и описаны несколько бинарных титановых сплавов.

Ti–Zr

Цирконий (Zr) является нейтральным элементом при растворении в Ti.Цирконий относится к группе 4 (согласно новому названию IUPAC) в периодической таблице, которая аналогична титану и гафнию, имеет сходную химическую структуру и свойства. Таким образом, они были признаны нетоксичными и не вызывающими аллергии. Цирконий представляет собой переходный металл с атомным номером 40 и атомным весом 91,22 а.е.м. Будучи серовато-белым блестящим металлом, цирконий имеет чрезвычайно высокие температуры плавления (1857 °C) и кипения (4409 °C). Цирконий обладает высокой коррозионной стойкостью, аналогичной титану, и поэтому обладает высокой биосовместимостью [59], поскольку обе металлические поверхности образуют стабильный оксидный слой на своей поверхности в течение наносекунд при воздействии кислорода.Таким образом, окисление пассивирует материалы. Однако цирконий нельзя было использовать в стоматологии в чистом виде.

Начиная с 1990-х годов, оксидная форма циркония, Zirconia (ZrO ₂ ), начала использоваться в стоматологии благодаря своей биосовместимости и способности к остеоинтеграции [60]. Цирконий представляет собой «керамический» биоматериал, который широко используется в качестве материалов для изготовления коронок, наполнителей для полимерных композитов и винтовых фиксаторов имплантатов. Очень подробный и хороший обзор был изучен Miyazaki et al. [61]. Несмотря на то, что в 1970-х годах процесс производства диоксида циркония стал полностью контролируемым, для использования диоксида циркония в стоматологии материалы должны производиться с использованием множества различных этапов, таких как прокаливание соединений циркония, чтобы использовать его высокую термическую стабильность [62]. Тем не менее, процесс производства зубного диоксида циркония очень строг и различается для каждой компании. Конечный продукт может иметь различный химический состав. Более того, компании намеренно не предоставили обширную информацию о материалах и характеристиках поверхности диоксида циркония.Таким образом, всегда возникают трудности при оценке коммерческих продуктов. Например, в Ho et al. [63] упоминается, что диоксид циркония китайского производства не может быть полностью спечен и может дать неожиданный результат прочности сцепления. Поэтому необходим тщательный выбор циркония.

В обширной обзорной статье [64] было высказано предположение, что циркониевые [sic] имплантаты имеют меньшую степень остеоинтеграции, чем титановые аналоги, при использовании тестов на момент удаления, и, возможно, некоторые модификации поверхности могут изменить структуру имплантата, что позволит получить значения теста на момент удаления, сравнимые с титановые имплантаты.Хотя тестовые значения крутящего момента при удалении действительно сильно зависят исключительно от структуры поверхности (с точки зрения механической ретенции и биологического взаимодействия), а не от самого материала имплантата [65], атомарное структурное расположение обеспечивает лучшие характеристики крутящего момента в металлических сплавах, чем в керамике. Причина использования имплантата из диоксида циркония заключается просто в улучшении эстетических качеств зубных реставраций. Таким образом, разработка титановых сплавов по-прежнему жизнеспособна и активна.

Бинарная фазовая диаграмма между титаном и цирконием представляет собой непрерывный твердый раствор.Действительно, температура плавления Ti (1670 °C) снижается за счет увеличения количества Zr (∼1640 и 1560 °C для 10 и 40% масс. Zr соответственно) независимо от α-Ti или β-Ti. Таким образом, процесс литья можно было легко облегчить. Кроме того, исходя из знаний о литье титана [66], снижение температуры плавления Ti может снизить его кислородную реакционную способность и, таким образом, снизить риск неадекватного заполнения формы. Следовательно, температурное несоответствие между горячим расплавленным сплавом и гораздо более холодными формовочными материалами может быть меньше.Таким образом, может быть развита меньшая пористость.

Недавно из-за их хорошей коррозионной стойкости и биосовместимости были разработаны бинарные сплавы Ti-Zr для применения в стоматологии [67-69], которые, как утверждается, сравнимы с cp-Ti. Вен и др. [70] продемонстрировали, что сплав Ti-Zr обладает уникальными комбинаторными свойствами биологической активности, биосовместимости и механики, что имеет большой потенциал для биомедицинского применения. Кроме того, сплав Ti-Zr может значительно улучшить адгезию остеобластов [71], который в настоящее время продается как Roxolid (Straumann, Базель, Швейцария).Поэтому легирование титана цирконием считается целесообразным.

Кобаяши и др. [72] исследовал некоторые свойства (твердость, предел прочности при растяжении и кристалличность с помощью оптической микроскопии) бинарных сплавов Ti-Zr. Их результаты показали, что для Ti-Zr с содержанием Zr до 50% масс. твердость и прочность на растяжение всех сплавов были выше, чем у cp-Ti и чистого циркония. Они указали, что сплав Ti-Zr может быть использован в биомедицинской области в качестве основного материала сплава. Действительно, Ho et al. [73] заявили о разработке экспериментального сплава Ti-10Zr, который имеет более высокую твердость и лучшую обрабатываемость, чем нелегированный титан, но затем они подвергли самокритике экспериментальный сплав Ti-Zr, который имеет недостаточную прочность и свойства упругого восстановления (т. е. пружинения) для стоматологические приложения. Поэтому обработка сплава Ti-Zr может быть сложной задачей.

Ti–In

В течение длительного времени индий (In) использовался в изделиях из сплавов фарфора (PFM) на основе Pd и Ag.Действительно, в процессе обжига фарфора на поверхности металла образовывалась пленка оксидов индия, которая могла бы служить «связующим агентом» между металлом и фарфором [74, 75]. Кроме того, тесты на цитотоксичность показали, что стоматологические сплавы, содержащие индий, безопасны. Поэтому использование индия в качестве легирующего элемента для улучшения сплава с целью улучшения клинических характеристик cp-Ti считается разумным.

Несколько исследований экспериментальных сплавов Ti-In показали, что сплавы Ti-In биосовместимы.Кроме того, добавление индия к Ti может улучшить клинические характеристики с точки зрения механических свойств, коррозионной стойкости и биосовместимости [76] зубного имплантата. Согласно исследованию сплава Ti–In–Nb–Ta, обработанного щелочью, анализ поверхности показал, что сплав обладает хорошей биоактивностью [77].

Для бинарных сплавов Ti-In Wang [78] обнаружил, что плотности тока пассивации в растворах искусственной слюны для сплавов Ti-In и cp-Ti имеют один и тот же порядок величины.Кроме того, Ti-10In и Ti-15In (10 и 15 обозначают соответствующий массовый процент индия) показали транспассивное поведение и более низкие плотности тока при высоких потенциалах в присутствии NaF. Хан и др. [79] показал, что сплавы Ti-In (5–20  вес. % In) не только демонстрируют схожую с cp-Ti коррозионную стойкость с помощью электрохимии, но даже в сплавах Ti-In была обнаружена более высокая стойкость к окислению по сравнению с cp-Ti. . Следовательно, сплавы Ti-In могут давать хорошую или лучшую коррозионную стойкость, чем п-титан.

Хан и др. [79] дополнительно изучал коррозионное поведение, механические свойства и микроструктуру бинарных сплавов Ti-In, что подтверждается другим исследованием Wang et al. [78] отмечено повышение прочности и микротвердости сплавов. Кроме того, в экспериментальных сплавах Ti–In и cp-Ti в Wang [78] была показана хорошая и сходная цитосовместимость. Следовательно, сплавление индия с титаном было эффективным для получения нового сплава, который мог бы иметь лучшие механические свойства без ухудшения его коррозионных свойств и цитосовместимости.

Ti–Ag

Oh и др. [45] сообщили, что сплавы Ti-Ag обладают более высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью, чем Ti. Они также сообщили, что токсичность сплава Ti-Ag аналогична токсичности cp-Ti. Чжан и др. [46] подтвердили это с помощью теста на цитотоксичность in vitro , который показал, что сплавы Ti-Ag и сплавы cp-Ti, по-видимому, цитосовместимы друг с другом. Они рекомендуют, чтобы для применения в стоматологии Ti-5Ag и Ti-20Ag могли бы быть более подходящими с точки зрения поверхностной пассивной пленки и цитотоксичности.

Ti–Cu

Медь долгое время использовалась в качестве стоматологических литейных сплавов. Исследование [80] показало, что бинарный сплав Ti–Cu имеет эвтектоидную структуру при 7,0 мас.%, так что в области, богатой титаном, была обнаружена промежуточная фаза Ti ₂ Cu. Таким образом, сплавы Ti-Cu, имеющие состав, близкий к эвтектоидному, должны были иметь более высокую прочность и меньшую пластичность, чем cp-Ti.

Исследования [80, 81] показали, что некоторые сплавы Ti-Cu могут иметь лучшие механические свойства, чем cp-Ti.На самом деле это может быть объяснено различными факторами: (1) твердый раствор упрочняет титан и (2) мелкодисперсное осаждение интерметаллических соединений, которые могут быть похожи на зубную амальгаму серебра [6]! Несмотря на то, что исследование [80] показало, что экспериментальные сплавы Ti–Cu (до 10,0 % меди) повышают как предел текучести, так и предел прочности при растяжении, но снижают пластичность, прочность сплавов Ti–20Ag и Ti–5Cu была в 1,6–2 раза выше, чем у сплавов Ti–20Ag и Ti–5Cu. cp-Ti.

Более того, с точки зрения шлифуемости некоторые сплавы Ti–Cu и Ti–Ag показали лучший результат, чем cp-Ti [47, 82].При более высоких скоростях шлифования некоторые сплавы Ti с 5 и 10 % Cu и 20 % Ag продемонстрировали значительно более высокую способность к шлифованию и даже в 2,6 раза более высокую скорость шлифования, чем cp-Ti. Другой отчет [83] также продемонстрировал, что эти титановые сплавы обладают превосходной коррозионной стойкостью, аналогичной cp-Ti. Таким образом, прочность и технологичность этих сплавов могут соответствовать требованиям, предъявляемым к частичным съемным протезам, кламмерам и мостовидным протезам.

Ti–Au

Золото (Au) долгое время в основном использовалось для зубных протезов в стоматологии, особенно для литья, поскольку золото обладает хорошей коррозионной стойкостью, подходящей температурой плавления и может достигать соответствующих механических свойств путем легирования [ 51].Золото само по себе принадлежит к 11-й группе периодической таблицы, так же как серебро и медь. Золото, подобно серебру и меди, стабилизирует β-фазу титана до более низкой температуры в соответствии с бинарными равновесными фазовыми диаграммами.

По фазовой диаграмме, как и у сплавов Ti-Cu и Ti-Ag, сплав Ti-Au имеет эвтектоидную точку с титаном. При концентрации золота 15,3 % образуется интерметаллид Ti ₃ Au. Таким образом, можно ожидать, что золото как легирующий элемент для титана положительно повлияет на механические свойства и измельчаемость титана, подобно серебру и меди.

Хван и др. [84] обнаружили, что сплав Ti–10Au показал самое низкое значение плотности тока гальванической коррозии, т. е. очень меньшую вероятность коррозии. Действительно, электрохимические методы использовались для изучения влияния гальванической коррозии пассивных поверхностных слоев на сплавы Ti-Au. Результаты спектрального импеданса показали, что пассивные слои сплава Ti-Au состоят из металлического дефекта, внутреннего, промежуточного и внешнего слоев. Начальная гальваническая коррозия была вызвана внешним слоем сплавов Ti-Au.Если образуется тонкий и пористый поверхностный слой, то начальная плотность тока гальванической коррозии будет уменьшаться, и наоборот. Таким образом, Ti-Au имеет самую низкую плотность тока гальванической коррозии, что означает, что был сформирован только тонкий и пористый внешний слой, и, следовательно, была обнаружена наименьшая коррозия.

Ti–Pd

Moser и др. [85] сообщили, что сплавы Pd-Ti обладают адекватной коррозионной стойкостью и механическими свойствами, т.е. твердость. Следовательно, он может быть использован в качестве сплава для зубных протезов.Кроме того, Nakagawa et al. [86] использовал кривые анодной поляризации и экспериментальные методы коррозионных потенциалов для испытания сплавов Ti-Pd (0,1-2 % масс. Pd) в искусственной слюне, содержащей 0,2% NaF, и сообщил, что сплавы Ti-Pd обладают хорошей коррозионной стойкостью. Розальбино и др. [87] использовали метод импедансного анализа для проверки поведения электрохимической коррозии некоторых бинарных сплавов Ti ( ок. 1 ат.% Ag, Au, Pd и Pt) по сравнению с коммерческим Ti-6Al-7Nb во фторированной искусственной среде. слюна.Такахаши и др. [81, 88] также сообщили о коррозионном поведении в растворе 0,9% масс. NaCl и 1% масс. молочной кислоты путем оценки микроструктуры сплавов Ti–Ag и Ti–Au с использованием метода потенциодинамической поляризации. Из всех вышеперечисленных исследований можно сделать вывод, что титан, легированный элементами из благородных металлов, может выдерживать и выдерживать искусственную коррозию. Таким образом, сплавы благородных металлов Ti могут демонстрировать потенциальные преимущества: (i) биосовместимость, (ii) коррозионная стойкость и (iii) приемлемые температуры литья для зубных протезов PFM.

Ti–Nb

Lee и др. [42] изучали коррозионное поведение, механические свойства и микроструктуру некоторых бинарных сплавов Ti–Nb (Nb до 35  вес.%). Все сплавы Ti–Nb показали превосходную коррозионную стойкость. В другом исследовании Kikuchi et al. [43], они исследовали механические свойства и шлифуемость зубных слепков из сплавов Ti-Nb. Они обнаружили, что твердость, предел текучести и предел прочности при растяжении сплавов Ti-Nb (Nb > 10%) будут значительно выше, чем у сплава cp-Ti, в то время как предел прочности при растяжении значительно ниже.Только сплав Ti–30%Nb, возможно, из-за осаждения, показал значительно лучшую шлифовальную способность при низкой скорости шлифования с более высокой твердостью, прочностью и модулем Юнга, чем cp-Ti.

Ti–Mn

Марганец (Mn) является одним из микроэлементов, которые могут быть обнаружены в организме человека и имеет более низкую токсичность, чем Al и V. Mn может быть добавлен к трикальцийфосфату путем легирования и стать биокерамикой, которая показали хорошую совместимость клеток [89]. В недавнем исследовании сплавы Ti-Mn, спеченные в плазменной искре, продемонстрировали усиление адгезии клеток [90].Точно так же, используя аналогичную технику, Zhang et al. [48] исследовал микроструктуру, механические свойства и цитотоксичность экспериментальных сплавов Ti-Mn по сравнению с металлами cp-Ti и Mn. Соответственно, были приготовлены сплавы Ti-8Mn и Ti-12Mn, и они обнаружили, что легирование Mn в Ti может значительно увеличить твердость и относительную плотность сплавов Ti, а также снизить температуру фазового превращения α в β. Кроме того, сплав Ti-8Mn продемонстрировал жизнеспособность клеток 86%, сравнимую с жизнеспособностью клеток cp-Ti (93%).Таким образом, Mn может быть хорошим легирующим элементом для изготовления биомедицинского титанового сплава, например, для использования в качестве заменителей костей и зубных имплантатов.

Ti–Cr

Хром (Cr) хорошо известен в стоматологии благодаря применению Co–Cr, который может контролировать анодную активность сплава и может пассивировать Ti [49]. Такемото и др. [91] сообщили, что в условиях солевого раствора с F ^— сплав Ti-20Cr имел большую коррозионную стойкость, чем cp-Ti. Кроме того, согласно фазовой диаграмме, легирование Ti с высоким содержанием Cr (46%) может снизить температуру ликвидуса с высокой точки плавления cp-Ti (1670 °C) до минимальной (1410 °C), аналогично Ti– Zr, как обсуждалось ранее.

Хсу и др. [49] сообщили, что содержание Cr в структуре сильно повлияет на сплавы Ti–Cr. Литой cp-Ti имеет гексагональную α-фазу. Метастабильная β-фаза будет сохраняться при содержании Cr 5 мас.%, а равноосная β-фаза почти полностью сохранится при содержании Cr выше 10 мас.%. Атермическая ω-фаза также была обнаружена в сплаве Ti–Cr с содержанием Cr >5 мас.%. Наибольшее количество ω-фазы, наибольшая микротвердость и наилучшая шлифуемость обнаружены в хрупком сплаве Ti–10Cr, так как ω-фаза обнаружена в β-матрице.

Ho и др. [50] исследовали литые сплавы Ti–Cr с содержанием Cr 5–30 мас.%. В частности, по отношению к разным количествам Cr эти сплавы, очевидно, весьма разнообразно ведут себя при деформации. Например, сплав Ti-20Cr имеет аналогичную прочность на изгиб со сплавом Ti-10Cr, которая примерно в 1,8 раза выше, чем у cp-Ti. Это может быть связано с упрочняющим эффектом ω-фазы. Хо и др. также изучил фрактографию образца, и фрактограммы СЭМ показали, что сплав Ti–10Cr имеет: (i) фасетки крупного скола на поверхности излома; и (ii) некоторая морфология террасного типа.Кроме того, сплав Ti-20Cr оказался пластичным, так что его способность к упругому восстановлению даже на 460% выше, чем у cp-Ti, в то время как другой состав сплавов Ti-Cr не проявлял таких свойств. Как видно из их непротравленных оптических микрофотографий, на поверхности сплава Ti–20Cr наблюдалось большое количество полос скольжения. При этом дислокации скольжения являются причиной деформации сплава Ti–20Cr. Следовательно, если необходимо использовать сплавы Ti-Cr для протезирования зубов, необходимо дополнительно изучить многие свойства, такие как механические свойства и деформационное поведение.

Ti–Mo

Согласно Bania [92] и Ho et al. [51], для стабилизации β-фазы сплава Ti-Mo при комнатной температуре требуется минимум 10  мас.% изоморфного β-стабилизирующего элемента. Ниже этого процента сплав состоит из мартенситной фазы α″, которая имеет более низкую твердость, чем β-Ti-Mo. Было испытано, что Ti-10Mo обладает самой высокой прочностью на изгиб, а Ti-15Mo имеет самый низкий модуль среди β-Ti-Mo [51] и даже ниже, чем у других сплавов, таких как Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb. и нержавеющей стали 316 L, а также Grade IV cp-Ti [93] благодаря мелкозернистой ОЦК-структуре.Утверждается, что такой сплав обладает лучшей технологичностью [51]. Действительно, такой метастабильный сплав Ti-15Mo с β-фазой, изготавливаемый методом быстрой закалки, был продан для изготовления ортопедических имплантатов компанией Synthes USA. Однако необходим тщательный выбор концентрации, поскольку наличие ω-фазы [94] при низкой концентрации Mo (<15%) может иметь низкотемпературное превращение ω → α и, таким образом, влиять на прочность материалов.

Ti–Sn

Ti–Sn нетоксичен и не вызывает аллергии [95].Таким образом, олово (Sn), по-видимому, является легирующим элементом, безопасным для использования с титаном. Кроме того, Sn также может упрочнять сплавы Ti [96], так что бинарные сплавы Ti-Sn продемонстрировали некоторые благоприятные механические свойства, которые можно использовать в качестве металла для стоматологического литья [52]. Например, экспериментальные результаты показали, что все сплавы Ti–Sn, содержащие 1–30  мас.% Sn, имеют ГПУ α-структуру. Увеличение содержания Sn может увеличить твердость по Виккерсу (H _V ) сплавов Ti-Sn, т.е. 30 мас.% Sn показали высокое значение твердости 357 H _V .Чтобы проиллюстрировать технологичность CAD/CAM, была также изучена шлифуемость сплавов [52]. Фактически, добавление Sn к cp-Ti могло бы способствовать улучшению измельчаемости сплавов Ti-Sn, так что более высокая концентрация Sn могла бы легче измельчаться, т.е. Ti–30Sn обладал в 3,4 раза большей степенью измельчения, чем cp-Ti, при скорости измельчения 1200 м/мин. Однако шлифовальность каждого металла или сплавов на самом деле в значительной степени зависела от условий шлифования. Таким образом, необходима тщательная интерпретация экспериментальных данных.

Ti–Co

Кобальт (Co) является широко признанным биосовместимым элементом [97, 98], который широко используется в стоматологии, например, сплав на основе Co–Cr. Согласно фазовой диаграмме Ti–Co, при его эвтектическом или близком к эвтектическому составе интервал плавления сплава может быть значительно снижен. Таким образом, Ti-Co с низким диапазоном плавления [56] может иметь хорошее применение в стоматологии, особенно для основного сплава, который может иметь хорошую литейную способность и меньше реакций металла с формой. Исследование [56] показало, что по сравнению с обычными стоматологическими литейными сплавами экспериментальный сплав Ti–12Co имеет сходные механические свойства в состоянии после литья, а после термообработки после литья при температуре >1000 °C было выявлено значительное улучшение предела прочности при растяжении. так как образование хрупких интерметаллидов было сведено к минимуму.Поэтому Ti-Co был бы хорошим кандидатом на замену базовых сплавов с лучшей технологичностью.

Ti–Ge и Ti–Ga

Lin и др. [99] исследовал литые сплавы Ti-Ge с содержанием германия от 2 до 20% по весу и пришел к выводу, что 2 и 5% по весу имеют самый высокий потенциал для использования в стоматологии благодаря отсутствию токсичности, хорошим механическим характеристикам, стойкости к химической коррозии и хорошему технологичность. Точно так же от той же группы авторов Qiu et al. [100] сообщил, что сплавы Ti-Ga с 2 и 5% масс. галлия показали хороший потенциал для использования в стоматологии по тем же причинам. Следует отметить, что оба исследования не раскрывали температуру обработки. Согласно фазовой диаграмме Ti–Ge [101], для присутствия α-Ti температура обработки должна быть <882 °C и >95,9 ат. % Ti. Контроль такого процесса очень чувствителен к технике, в противном случае интерметаллические соединения, такие как Ti ₆ Ge ₅ и впоследствии TiGe ₂ , будут преимущественно зародышеобразоваться и кристаллизоваться [102]. Для Ti-Ga, поскольку галлий является жидким металлом с чрезвычайно низкой температурой плавления (29.77 °C), поэтому температура обработки может быть низкой. Фактически оба исследования выявили возможность снижения веса не только после хранения из искусственной слюны, но и на открытом воздухе. Также были обнаружены утечки Ga или Ge. Кроме того, было показано гальваническое взаимодействие галлия с Ti [103], т.е. происходит коррозия. Таким образом, использование этих двух сплавов в данный момент может оказаться нецелесообразным.

Коммерчески чистый титан против.

Титановые сплавы

Знаете ли вы, что титан является одним из самых прочных металлов в периодической таблице? Он обладает устойчивостью к теплу, воде и соли и очень легкий.

Одна из основных причин, по которой титан является предпочтительным выбором для многих различных отраслей промышленности, заключается в том, что он сочетает в себе высокую прочность и низкую плотность, что облегчает работу с ним.

Поставщики титана , такие как мы в Ti-Tek, могут предоставить коммерчески чистый титан и титановые сплавы, но точно знать, что вам нужно, может быть сложно. Чтобы помочь, мы составили краткое руководство:

Титан технически чистый

Классы 1–4 — это титан в чистом виде, и здесь мы объясняем его свойства и применение:

Титан класса 1

Титан

Grade 1 — один из самых мягких и пластичных сплавов.Он обладает высокой ударной вязкостью и доступен в титановой пластине . Обладает отличной формуемостью и коррозионной стойкостью, что делает его идеальным для широкого спектра применений, включая следующие:

• Архитектура
• Автомобилестроение
• Химическая обработка
• Опреснение
• Морской
• Медицинский

Титан Grade 2

Grade 2 широко используется и легкодоступна, что позволяет использовать его во многих отраслях промышленности.

По сравнению с титановой пластиной класса 1 титановый стержень или пластина класса 2 прочнее, но обеспечивает аналогичный уровень коррозии. Свариваемость, пластичность и формуемость титановых стержней делают их надежными для таких применений, как:

• Архитектура
• Химическая обработка
• Производство хлората
• Медицинский
• Производство электроэнергии

Титан Grade 3

Класс 3 встречается не так часто, как класс 1 или 2, и менее поддается формованию, что делает его идеальным для приложений средней прочности.

Наши титановые стержни класса 3 используются для:

• Аэрокосмическая промышленность
• Химическая обработка
• Морской
• Медицинский

Титан Grade 4

Если вам нужен чистый титан в его самой прочной форме, вам может подойти титан класса 4. Известные своей коррозионной стойкостью, свариваемостью и формуемостью, титановые стержни заняли нишу в медицинской промышленности, а также в других высокопрочных приложениях.

Титановый стержень класса 4 используется для:

• Компоненты планера
• Криогенные сосуды
• Теплообменники
• Хирургическое оборудование

Титановые сплавы

Разница между чистым титаном и сплавами заключается в том, что сплав состоит из титана и других металлов. Причина, по которой титан смешивают с другими элементами, заключается в обеспечении дополнительной прочности, гибкости и пластичности. Марка 5 — это один из титановых сплавов, которые мы поставляем в Ti-Tek.

Титан класса 5

Как и титановые стержни класса 2 , титан класса 5 считается «рабочей лошадкой». Это наиболее часто используемый сорт, обеспечивающий высокую прочность и малый вес.

Мы поставляем титан этой марки для производства технического оборудования, такого как:

• Аэрокосмический крепеж
• Авиационные турбины
• Высокопроизводительные детали
• Спортивный инвентарь

Титан Grade 7

Некоторые свойства титана класса 7 аналогичны свойствам титана класса 2.Титан марки 7 в основном используется для химической обработки и встречается в компонентах производственного оборудования.

Титан Grade 11

Свойства титана 11 сорта, будь то титан выхлоп или лист, сравнимы со свойствами титана 1 сорта. Промышленность выбирает титан марки 11 из-за его устойчивости к коррозии и эрозии, что обеспечивает долговечность металла.

Титан

Grade 11 используется для тех же целей, что и титан Grade 1, но также может уменьшать кислотность в хлоридных средах.

Титан Grade 12

Здесь, в Ti-Tek, мы предлагаем титан класса 12 для различных применений. Когда дело доходит до качественной сварки, класс 12 часто является лучшим вариантом, поскольку это один из самых прочных сплавов, которые мы поставляем.

Предлагая высокую прочность при высоких температурах, титан класса 12 отлично подходит для:

• Детали самолетов
• Повышенные температуры
• Морской
• Корпус и теплообменники

Как специалисты по титану, мы располагаем широким ассортиментом чистого титана и титановых сплавов и можем помочь вам определить, какая марка лучше всего соответствует вашим промышленным требованиям.Если вам нужно узнать больше о марках титана или о любом из продуктов, которые мы поставляем, позвоните нам сегодня по телефону 0121 382 4121.

Недорогой и легкий: самый прочный титановый сплав, направленный на улучшение топливной экономичности транспортных средств и сокращение выбросов CO2

Пресс-релиз Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, 1 апреля 2016 г.

RICHLAND, Wash . — Улучшенный титановый сплав — более прочный, чем любой коммерческий титановый сплав, представленный в настоящее время на рынке, — получает свою прочность благодаря новому способу расположения атомов, образующему особую наноструктуру.Впервые исследователи смогли увидеть это выравнивание, а затем манипулировать им, чтобы сделать самый прочный титановый сплав из когда-либо разработанных, и при этом с более низкой стоимостью процесса.

В статье, опубликованной Nature Communications от 1 апреля, они отмечают, что этот материал является отличным кандидатом для производства более легких деталей автомобилей, и что это новообретенное понимание может привести к созданию других высокопрочных сплавов.

Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики знали, что титановый сплав, полученный с помощью низкозатратного процесса, который они впервые разработали, имеет очень хорошие механические свойства, но они хотели знать, как сделать его еще прочнее. Используя мощные электронные микроскопы и уникальный подход к визуализации с помощью атомного зонда, они смогли заглянуть глубоко внутрь наноструктуры сплава, чтобы увидеть, что происходит. Как только они поняли наноструктуру, они смогли создать самый прочный титановый сплав из когда-либо созданных.

Смешивание

Титан, составляющий 45% веса низкоуглеродистой стали, является легким, но не сверхпрочным элементом. Обычно его смешивают с другими металлами, чтобы сделать его прочнее. Пятьдесят лет назад металлурги пытались смешать его с дешевым железом, а также с ванадием и алюминием.Получившийся сплав, названный Ti185, был очень прочным — но только местами. Смесь имела тенденцию к комкованию — как и любой рецепт. Железо скапливалось в определенных областях, создавая в материале дефекты, известные как бета-крапинки, что затрудняло надежное коммерческое производство этого сплава.

Около шести лет назад PNNL и ее сотрудники нашли способ обойти эту проблему, а также разработали недорогой процесс производства материала в промышленных масштабах, чего раньше не было. Вместо расплавленного титана команда заменила его порошком гидрида титана.Используя это сырье, они сократили время обработки наполовину и значительно снизили потребность в энергии, что привело к низкозатратному процессу, используемому в настоящее время компанией Advance Materials Inc. ADMA разработала процесс совместно с металлургом PNNL Куртом Лавендером и продает порошок гидрида титана и другие передовые материалы для аэрокосмической промышленности и других.

Современные кузнецы

Подобно средневековым кузнецам, исследователи знали, что они могут сделать этот сплав еще прочнее путем термообработки.Нагрев сплава в печи при разных температурах, а затем погружение его в холодную воду существенно перестраивает элементы на атомном уровне по-разному, тем самым делая полученный материал более прочным.

Усовершенствованный титановый сплав, более прочный, чем любой коммерческий титановый сплав, представленный в настоящее время на рынке, получает свою прочность благодаря новому способу расположения атомов, образующему особую наноструктуру. Впервые исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории смогли увидеть это выравнивание, а затем манипулировать им, чтобы сделать его еще сильнее.Используя мощные электронные микроскопы и уникальный подход к визуализации атомных зондов в EMSL, Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, пользовательском центре Министерства энергетики США, расположенном в PNNL, они смогли заглянуть глубоко внутрь наноструктуры сплава, чтобы увидеть, что происходит.

Кузнечное дело из искусства превратилось в более научную область. Хотя основные принципы остались прежними, металлурги теперь могут лучше изменять свойства в зависимости от потребностей приложения.Команда PNNL знала, что если они смогут увидеть микроструктуру в наномасштабе, они смогут оптимизировать процесс термообработки, чтобы адаптировать наноструктуру и достичь очень высокой прочности.

«Мы обнаружили, что если вы сначала термически обработаете его при более высокой температуре перед этапом низкотемпературной термической обработки, вы можете создать титановый сплав на 10-15 процентов прочнее, чем любой коммерческий титановый сплав, представленный в настоящее время на рынке, и что он примерно вдвое прочность стали», — сказал Арун Деварадж, ученый-материаловед из PNNL. «Этот сплав по-прежнему дороже стали, но с его соотношением прочности и стоимости он становится гораздо более доступным и имеет больший потенциал для применения в легких автомобилях», — добавил Винит Джоши, металлург из PNNL.

Деварадж и его команда использовали электронную микроскопию, чтобы увеличить сплав до сотен нанометров — примерно в 1000 раз больше толщины среднего человеческого волоса. Затем они увеличили масштаб еще больше, чтобы увидеть, как отдельные атомы расположены в трехмерном изображении, используя систему атомной зондовой томографии в EMSL, Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, Центре научных исследований Министерства энергетики, расположенном в PNNL.

Атомный зонд удаляет только один атом за раз и отправляет его на детектор. Более легкие атомы «летят» к детектору быстрее, а более тяжелые прибывают позже. Каждый тип атома идентифицируется в зависимости от времени, которое требуется каждому атому, чтобы достичь детектора, и положение каждого атома определяется детектором. Таким образом, ученые могут построить атомную карту образца, чтобы увидеть, где находится каждый отдельный атом в образце.

Используя такие обширные методы микроскопии, исследователи обнаружили, что с помощью оптимизированного процесса термообработки они создали микронные и наноразмерные области осадка, известные как альфа-фаза, в матрице, называемой бета-фазой, каждая с высокой концентрацией определенных элементов.

«Атомы алюминия и титана предпочитали находиться внутри наноразмерных выделений альфа-фазы, тогда как ванадий и железо предпочитали перемещаться в бета-фазу матрицы», — сказал Деварадж. Атомы в этих двух областях расположены по-разному. Обработка областей при более высокой температуре 1450 градусов по Фаренгейту позволила получить уникальную иерархическую наноструктуру.

Когда прочность измерялась путем растяжения или приложения напряжения и растяжения до разрушения, обработанный материал достиг увеличения прочности на 10-15 процентов, что является значительным, особенно с учетом низкой стоимости производственного процесса.

Если вы возьмете силу, с которой вы тянете, и разделите ее на площадь материала, вы получите меру прочности на растяжение в мегапаскалях. Сталь, используемая для производства автомобилей, имеет предел прочности при растяжении 800-900 мегапаскалей, в то время как 10-15-процентное увеличение, достигнутое в PNNL, дает Ti185 почти 1700 мегапаскалей, что примерно вдвое превышает прочность автомобильной стали, при этом он почти вдвое легче.

В сотрудничестве с Анкитом Сриваставой, доцентом кафедры материаловедения и инженерии Texas A&M, команда ученых разработала простую математическую модель, объясняющую, как иерархическая наноструктура может привести к исключительно высокой прочности.Сравнение модели с результатами микроскопии и обработки привело к открытию этого самого прочного титанового сплава из когда-либо созданных.

«Это расширяет границы того, что мы можем делать с титановыми сплавами, — сказал Деварадж. «Теперь, когда мы понимаем, что происходит и почему этот сплав обладает такой высокой прочностью, исследователи полагают, что они смогут модифицировать другие сплавы, преднамеренно создавая микроструктуры, похожие на те, что в Ti185».

Например, алюминий является менее дорогим металлом, и если наноструктуру алюминиевых сплавов можно будет увидеть и иерархически расположить аналогичным образом, это также поможет автомобильной промышленности создавать более легкие автомобили, которые потребляют меньше топлива и выделяют меньше углекислого газа, чем способствует потеплению климата.

Управление автомобильных технологий Министерства энергетики — Программа материалов для силовых установок поддержало это исследование, используя возможности, разработанные в рамках Инициативы по химической визуализации, финансируемой из внутренних источников PNNL.

EMSL, Лаборатория молекулярных исследований окружающей среды, является национальным исследовательским центром, спонсируемым Управлением науки Министерства энергетики. Расположенный в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде, штат Вашингтон, EMSL предлагает исследователям со всего мира открытую совместную среду для научных открытий.Его интегрированные вычислительные и экспериментальные ресурсы позволяют исследователям реализовывать важные научные идеи и создавать новые технологии.

Междисциплинарные группы Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории решают многие из наиболее насущных проблем Америки в области энергетики, окружающей среды и национальной безопасности с помощью достижений фундаментальной и прикладной науки. В PNNL, основанной в 1965 году, работает 4400 сотрудников, а ее годовой бюджет составляет почти 1 миллиард долларов. Им управляет Battelle для Управления науки Министерства энергетики США.Как единственный крупнейший сторонник фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах, Управление науки работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени.

Руководство по правильному выбору титановых сплавов! Джейден Луис на Guides

Титан известен как один из самых прочных материалов. Его устойчивость к энергии, теплу, воде и соли, а также собственный легкий вес убедитесь, что это идеальный металл, чтобы получить выбор приложений. Настоящий титан мощный и устойчивый к коррозии. Титановые сплавы сохраняют коррозионную стойкость и ту же энергию, но берут на себя более высокая гибкость и ковкость стали сочетается с участием. Таким образом, титановые сплавы имеют больше применений, чем чистые. титан. Существует шесть марок чистого титана (классы 1,2,3,4,7, и 11) и 4 вида титановых сплавов. Титановые сплавы содержат следы металлов, молибдена, ванадия, ниобия, тантала, цирконий, марганец, железо, хром, кобальт, никель и медь.

Четыре качества или разновидности титановых сплавов: Ti 6АЛ-4В, Ти 6АЛ ЭЛИ, Ти 3Ал 2.5 и Ti 5Al-2,5Sn.

Ti-6AL-4V будет наиболее используемым из титановых сплавов. это поэтому титановый сплав обычно называют «рабочей лошадкой». Считается, что его можно найти по всему земному шару наполовину с использованием титан.

Эти желательные характеристики делают Ti-6AL-4V популярным вариантом в во многих отраслях, включая морскую медицину, аэрокосмическую и химическую промышленность. обработка. Ti 6AL-4V часто используется для изготовления:

• Турбины самолета

• Компоненты двигателя

• Элементы конструкции самолета

• Аэрокосмический крепеж

• Высокопроизводительные автоматические детали

• Морское применение

• Спортивное оборудование

Ti 6 AL-4V ELI часто называют хирургическим титаном из-за его используют в хирургии. Какой-то китайский титан поставщики крепежа также поставляют стоматологический титан застежки. Это гораздо более естественная версия класса 5 (Ti 6AL-4V). титановый сплав. Ему можно было легко придать форму и нарезать кудри, небольшие длины и провода.

Как эффективно отремонтировать металлическую крышу?

Он также имеет малый вес и удивительно устойчив к разрушения другими металлами. Его использование очень желательно в рамках стоматологические и медицинские области для использования в передовых хирургических процедурах не только из-за этих свойств, но и из-за особыми лечебными свойствами обладает Ti 6AL-4V ELI.это исключительно биосовместимость, которая позволяет легко прививать и прикреплять к кости даже будучи одобренным человеческим телом. Некоторые из более общая хирургия Ti 6AL-4V ELI используется в включает в себя:

• Ортопедические штифты и винты
• Ортопедические тросы
• Лигатурные зажимы
• Хирургические скобы
• Пружины
• Ортодонтические приспособления
• При замене суставов
• Криогенные сосуды
• Костные фиксаторы
• Ti 3Al 2. 5 (12 класс)

Ti 3 AI 2.5 — титановый металл, обладающий наилучшей свариваемостью. Он также прочен при высоких температурах, таких как другие титановые сплавы. сплавы. Какой-то титановый металл производители листов выпускают металлический титан марки 12 который является эксклюзивным, поскольку демонстрирует характеристики нержавеющая сталь (один из многих других твердых металлов), например тяжелее по сравнению с другими титановыми сплавами.

Ti 3 Al 2.5 в основном используется в оборудовании, особенно в производственный бизнес.Он чрезвычайно устойчив к износу и конечно будет сформировано холодом или теплом. Титановый сплав 12 класса используется больше всего в следующих секторах и приложений:

• Корпус и теплообменники
• Применение в гидрометаллургии

Ti 5Al-2.5Sn — это просто нетермообрабатываемый сплав, который может достигать хорошая способность сварки с безопасностью. Дополнительно он включает высокотемпературная стабильность, высокая прочность и хорошая коррозионная стойкость сопротивление. Он имеет отчетливо высокий скольжение (пластическая деформация). слишком длительное время, часто из-за экстремальных температур) масса.Ti 5Al-25.Sn в основном встречается в планерах и самолетах. Приложения.

Руководство по выбору правильного забора для вашего сада

Плотность

Толщина сплава зависит от количества и плотность легирующих компонентов. Например, сплав содержащие сплав в качестве легирующего элемента, вероятно, будут значительно ярче, чем тот, который содержит заметный уровень контейнер. Бета-сплавы имеют большие размеры, так как содержат легирующие компоненты, например молибден, который имеет высокую плотность.Где вес очень важен, может быть полезно просмотреть некоторые свойства металлов, т.е. удельная сила.

Титан в целом очень прочный и прочный металл. В своем естественная форма это много применений. Это сплавы добавляют большую пластичность и свобода по отношению к ранее прочному металлу, открывающая двери ко многому больше приложений. Каждый титановый металл вызывает коррозию сопротивления и той же энергии. Они отличаются гибкостью, создание специального сплава, хорошо подходящего для применения и отдельные отрасли.В Центре обработки титана вы найти значительное разнообразие марок как оригинальных, так и титановых сплавов для ваш проект. Позвоните нам, чтобы задать вопрос или записаться на прием приказ.

Марки титанового сплава | Усовершенствованные титановые сплавы

Magellan Metals поставляет титан и титановые сплавы для промышленного и производственного применения. Мы предлагаем Ti Grade 1, Ti Grade 2, Ti Grade 4 и другие марки и сплавы предприятиям в США и более чем в 45 странах мира.Наш инвентарь включает титановую проволоку, листы, пластины, фланцы, фитинги и многое другое.

Компания Magellan Metals, которой более 30 лет доверяют высокотехнологичные производственные отрасли, является ведущим поставщиком титана и большинства других суперсплавов, сертифицированным по стандарту ISO 9001. Наш титан и суперсплавы сертифицированы на соответствие большинству спецификаций ASME, ASTM, AMS и военных спецификаций, а также большинству международных стандартов , , включая полную сертификацию DIN EN10204 3.1. Мы обеспечиваем работу на заказ, короткие сроки выполнения, своевременную поддержку клиентов и быструю доставку любого количества титановой продукции.

Лучшие продукты из титана

Титан класса 4

Титан CP Grade 4 представляет собой «нелегированный» титан, обладающий повышенной прочностью по сравнению с титаном классов 2 и 3. Класс 4 легко поддается сварке, устойчив к коррозии, пригоден для литья и часто используется в литых клапанах и фитингах.

Титан класса 5

Ti-6AI-4V — термообрабатываемый сплав, обладающий высокой прочностью, пластичностью и хорошей свариваемостью. Круглый пруток Titanium Grade 5 обрабатывается и состаривается в соответствии со стандартами AMS 4965.Литейный деформируемый материал используется в аэрокосмической, медицинской и других областях, где требуется умеренная прочность, хорошая прочность по отношению к весу и благоприятные антикоррозионные свойства.

Титановый сплав класса 23 Материал

Ti-6Al-4V ELI обладает улучшенной пластичностью и ударной вязкостью в воздушной и морской среде. Он также используется в несостаренном состоянии для максимальной прочности. Сплав Ti-6Al-4V является наиболее широко используемым титановым сплавом класса альфа-плюсбета, а также наиболее распространенным из всех титановых сплавов.
Особенности титанового сплава

Magellan Metals предлагает титановые варианты для различных применений в зависимости от требований вашего проекта. Общие преимущества использования титана включают, но не ограничиваются:

• Отличные механические свойства
• Хорошая свариваемость и технологичность
• Коррозионностойкий
• Магнитные свойства
• Высокая тепло- и электропроводность

Применение титана

Мы гордимся тем, что являемся поставщиком титанового сплава производителям и дистрибьюторам в аэрокосмической, нефтегазовой, электроэнергетической, нефтехимической и других высокотехнологичных отраслях в США и более чем в 60 странах мира.

Стержни, листы, трубы и доступные форматы

• Бесшовные и сварные трубы
• Бесшовные и сварные трубы
• Бар
• Провод
• Лист
• Пластина
• Поковки
• Трубная арматура
• Фланцы

Количество поставки титанового сплава для отдельных предметов или полных счетов

В Magellan Metals мы можем поставлять отдельные позиции или полные счета из любого из наших материалов из титанового сплава.Никакой запрос не является слишком маленьким. Мы предлагаем быстрые ответы на запросы клиентов и специализируемся на быстрой доставке как больших, так и малых количеств металлических материалов из титанового сплава.

Свяжитесь с Magellan Metals сегодня для титана и титановых сплавов

Мы можем поставить один элемент или предложить полную спецификацию для любого проекта, любой запрос не является слишком маленьким. Свяжитесь с Magellan Metals через этот сайт или воспользуйтесь кнопкой выше, чтобы запросить расценки на титан и титановые сплавы, необходимые для вашего проекта. Позвоните нам по телефону (203) 838-5700, чтобы оформить заказ или получить дополнительную информацию.

 

Фазовые превращения в титановых сплавах, наблюдаемые в атомном масштабе

Предоставлено: Университет Чжэ Цзян.

Титан является важным конструкционным металлом. Титановые сплавы широко используются в аэрокосмической и биомедицинской промышленности благодаря их малому весу, замечательной удельной прочности, превосходной коррозионной стойкости и высокой термостойкости.

Недавно профессор Юй Цянь из группы профессора Чжан Цзе в Центре электронной микроскопии Чжэцзянского университета возглавила свою группу в сотрудничестве с профессорами Ма Эн и Чжан Вэй из Сианьского университета Цзяотун и профессором Лонгом. -qing Chen из Пенсильванского государственного университета, чтобы изучить, как меняется микроструктура титана при высокой температуре. Используя передовые методы in situ и многомасштабной электронной микроскопии, а также синхротронное излучение и вычислительное моделирование, исследователи вместе провели углубленное исследование механизма α-β превращения в титаномолибденовом сплаве. Они обнаружили существенное различие между этим процессом трансформации и тем, что описано в классической теории нуклеации. Результаты их исследований были опубликованы в журнале Nature Materials 26 ноября.

Фаза в сплаве обычно представляет собой однородный компонент, характеризующийся одинаковым агрегатным состоянием, кристаллической структурой и свойствами. Различные фазы имеют разные свойства из-за различий в структуре и составе. При разработке материалов мы можем в полной мере использовать их взаимодополняющие преимущества, чтобы оптимизировать общие характеристики материала.

Сплавы на основе титана обычно представляют собой смесь как низкотемпературной гексагональной плотноупакованной (ГПУ) α-фазы, так и высокотемпературной объемно-центрированной кубической (ОЦК) β-фазы. Комбинация двух фаз настраивается путем сплавления β-стабилизирующих (таких как Mo, Nb, Ta) и α-стабилизирующих (таких как O, Al, La) элементов. Фазовое превращение может быть просто понято как переход из одной фазы в другую, вызванный внешними раздражителями.

DFT-моделирование фазового превращения.Предоставлено: Университет Чжэ Цзян.

«Чтобы точно регулировать фазовую структуру, нужно знать реальный процесс фазового превращения и его основной закон», — сказал проф.

Классический механизм зародышеобразования и роста начинается с зарождения новой фазы, которая принимает ту же кристаллическую структуру и состав, что и конечная фаза равновесного продукта. Однако эта простая картина не может объяснить пути фазового превращения во многих системах сплавов.Часто переходу в фазу продукта предшествует одно или несколько промежуточных состояний, которые явно отличаются от фазы продукта с точки зрения состава, кристаллической структуры и химического порядка. Промежуточное состояние является метастабильным, и по мере его развития изменяются и его термодинамические свойства, в том числе энергия на границе раздела с окружающей средой. Недавно появились сообщения о неклассическом зародышеобразовании при образовании неорганических наночастиц из растворов, кристаллизации белков16 и зарождении кристаллов алмаза, а также кристаллизации аморфных карбидов вольфрама, но атомарные детали сложных реакций в металлургических системах остаются неясными.

Ю Цянь и др. провели прямое экспериментальное наблюдение с временным разрешением неклассического фазового превращения, опосредованного зародышеобразованием, с разрешением субангстрема, используя сплав титана-молибдена в качестве репрезентативной системы. Они обнаружили наноразмерную и химически упорядоченную сверхструктуру в матрице α-фазы; было обнаружено, что его состав, химический порядок и кристаллическая структура отличаются как от исходной, так и от исходной фаз, но вызывают все более низкий энергетический барьер для превращения в β-фазу.Этот последний фазовый переход может происходить мгновенно через колебательное переключение, когда концентрация молибдена в сверхструктуре превышает критическое значение.

«Впервые сообщается о таком неклассическом твердотельном фазовом превращении в сплавах на основе титана», — сказал проф. «Наше исследование можно рассматривать как яркий пример, когда эксперименты на месте и в атомном масштабе сочетаются с компьютерным моделированием. Таким образом, оно открывает двери для исследований твердотельных фазовых превращений в других сплавах.»

---

Кристаллические дефекты «вакансии» являются ключом к улучшению конструкции легких алюминиевых сплавов

---

Дополнительная информация: Xiaoqian Fu и др., Наблюдение в атомном масштабе неклассического фазового превращения, опосредованного зародышеобразованием, в титановом сплаве, Nature Materials (2021).DOI: 10.1038/s41563-021-01144-7

Предоставлено Университет Чжэ Цзян

Цитата : Фазовые превращения в титановых сплавах, наблюдаемые в атомном масштабе (2021, 13 декабря) получено 12 февраля 2022 г.