מייצבי β-איזומורפיים: מאפשרי הגמישות וההתקשות העמוקה
מייצבי β-איזומורפיים חולקים את מבנה הגבישים BCC של טיטניום ומציגים מסיסות מוצקה מלאה בשלב ה-β-. היסודות האלה-Mo, V, Nb, Ta, W-מהווים את עמוד השדרה של סגסוגות α+β ו-β-טיטניום.
3.1 ונדיום: השותף Ti-6Al-4V
V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >50% מצריכת הטיטניום העולמית. תוספות V של 4% משקל מדכאות את ה-β-טרנסוס במידה מספקת כדי לאפשר מבנים מיקרו-פאזיים דו--עם כ-10-50% β-פאזה בטמפרטורת החדר.
V מספק מספר פונקציות קריטיות:
שימור β: מאפשר שליטה מיקרו-מבנית באמצעות טיפול בחום
חוזק ללא שבריריות: בניגוד לחיזוקים בין תשתיתיים, V שומר על משיכות תוך כדי תרומה לחיזוק פתרון מוצק
יכולת עיבוד: המיקרו-מבנה הדו-פאזי-מציע איזון אופטימלי בין יכולת עבודה חמה ותכונות מכניות סופיות
3.2 מוליבדן: מייצב β-העוצמתי ביותר
Mo יעיל בערך פי שניים מ-V בייצוב שלב β-, בכימות באמצעות מושג שקילות המוליבדן ([Mo]eq). כל 1 wt% Mo מספק כוח מייצב β- שווה ערך לכ-2 wt% V .
בקרת פאזה: בסגסוגות כגון Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si (המשמש לחיבורי תעופה וחלל בעלי חוזק גבוה), Mo מאפשר שמירה מלאה של β בעת ההמרה, ולאחר מכן משקעים α מבוקר במהלך ההזדקנות.
עמידות בפני קורוזיה: תוספות מו משפרות את הפסיביות בהפחתת סביבות חומצה. סגסוגות Ti-מו יוצרות סרטים פסיביים המכילים MoO₃ מעורבב עם TiO₂, המספקות יציבות מעולה בפתרונות HCl בהשוואה לטיטניום לא מגוג.
התקדמות אחרונה: Zhang et al. הוכיח שסגסוגות מו- המכילות סגסוגות עם תוספות N מבוקרות משיגות תכונות יוצאות דופן באמצעות מבני למלה הטרוגניים. סגסוגת ה-Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N שלהם השיגה חוזק תפוקה של 1532 MPa עם התארכות אחידה של 10.2% והציבה אותה בין השילובים הטובים ביותר שדווחו עבור סגסוגות טיטניום.
3.3 ניוביום וטנטלום: המייצבים הביולוגיים
Nb ו-Ta זכו בולטות ביישומים ביו-רפואיים שבהם-תאימות ביולוגית לטווח ארוך היא חיונית. בניגוד ל-V, שמעלה חששות ציטוטוקסיות, Nb ו-Ta אינרטיות מבחינה פיזיולוגית.
עיצוב מודולוס נמוך: תוספות Nb מאפשרות סגסוגות β-טיטניום עם מודולים אלסטיים מתחת ל-50 GPa-המתקרבים ל-10-30 GPa של העצם והרבה מתחת ל-110 GPa של Ti-6Al-4V. סגסוגות Ti-35Nb-7Zr-5Ta מדגימות גישה זו, המשלבות Nb עם Zr ו-Ta להפחתת מיגון מתח בשתלים אורטופדיים.
שיפור סרט פסיבי: תחמוצות Nb ו-Ta משתלבות בסרט הפסיבי על פני השטח, מה שמגדיל את יציבותו ועמידותו בפני קורוזיה. בסביבות המכילות כלוריד-, סרטים פסיביים שעברו שינויים ב-Nb- מראים צפיפות מופחתת של פגמים נקודתיים ועמידות מוגברת בפני התמוטטות מקומית.
3.4 טונגסטן: עמידות חמצון-בטמפרטורה גבוהה
מחקרים שיטתיים אחרונים של Gautier et al. בדק תוספות W, Ta ו-Hf עבור יישומים בטמפרטורה גבוהה-. לאחר חשיפה של 5000 שעות ב-650 מעלות צלזיוס באוויר, W הוכיח את ההפחתה הבולטת ביותר בקינטיקה של חמצון.
מנגנון: W מקדם היווצרות Ti₂N בממשק תחמוצת/מתכת, ויוצר שכבה עשירה בחנקן- המפחיתה את פירוק החמצן בסגסוגת בתפזורת. הסגסוגת הטרינרית Ti-10Al-2W (at%) עלתה על הסגסוגת המסחרית בטמפרטורה גבוהה Ti6242S בעמידות לחמצון.
הנחה-: W צפוף (19.3 גרם/ס"מ³), ותוספות כבדות שוללות את יתרון הצפיפות של טיטניום. האתגר טמון בזיהוי ריכוזי מינימום (בדרך כלל<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.
Eutectoid β-מייצבים: עלות-חיזוק יעיל
אלמנטים יוצרי -אוטקטואידים-Fe, Cr, Ni, Cu, Si- גם מדכאים את הטרנסוס β- אך שונים מייצבים איזומורפיים ביכולתם ליצור תרכובות בין-מתכתיות באמצעות פירוק אוטקטואיד.
4.1 ברזל: ייצוב-עלויות נמוך
Fe הוא מייצב β- חזק וזול. קצב הדיפוזיה המהיר שלו מאפשר תגובה מהירה לטיפול בחום, אך גם מקדם הפרדה במהלך התמצקות. סגסוגות המכילות Fe- דורשות עיבוד קפדני כדי למנוע β-כתמים-אזורים מקומיים של מייצב β- מועשר שמייצרים תכונות מכניות לא-אחידות.
4.2 סיליקון: התנגדות-בטמפרטורה גבוהה
תוספות Si של 0.1–0.5% משקל הן סטנדרטיות בסגסוגות כמעט -α גבוהות- בטמפרטורה (למשל, Ti-6242S, IMI 834). Si מקנה שני יתרונות:
חיזוק תמיסה מוצקה: סי בתמיסה מונע טיפוס של נקע בטמפרטורות גבוהות
משקעים סיליקידיים: עדין (Ti,Zr)₅Si₃ מזרז את גבולות גרגירי פינים ותתי-גבולות, מעכב עיוות זחילה
עבודה אחרונה של Gautier et al. אישר כי Si, בשילוב עם יסודות עקשן, מספק שיפורים סינרגיסטיים הן בזחילה והן בעמידות החמצון ב-600-650 מעלות צלזיוס.
אלמנטים ניטרליים: זיקוק מיקרו-מבנה
Zr, Hf ו-Sn מפעילים השפעה מינימלית על טמפרטורת β-טרנסוס אך מספקים חיזוק משמעותי של פתרון מוצק הן בשלב α והן בשלב β.
5.1 זירקוניום: שותף המסיסות המלאה
Zr מתערבב לחלוטין עם Ti גם בשלבי α וגם ב-β-מאפיין ייחודי הנובע ממיקומם בקבוצה IVB של הטבלה המחזורית. מסיסות מלאה זו מאפשרת:
חיזוק ללא אי יציבות פאזה: תוספות Zr מגדילות את החוזק באמצעות מנגנוני פתרון מוצק מבלי לשנות את איזון הפאזות, ומפשטות את עיצוב הסגסוגת.
שיפור קורוזיה: בסביבות ימיות, סגסוגות המכילות Zr- יוצרות סרטים פסיביים יציבים יותר. ZrO₂ משתלב בשכבת TiO₂, מפחית את ריכוז החמצן הפנוי ומשפר את העמידות בפני התקפת כלוריד.
ממצאים אחרונים: מחקרים על סגסוגות Ti575 (Ti-5Al-7.5V-0.5Si) שהשוו תוספות Mo ו-Zr הראו שבעוד ש-Zr מספק פחות עידון α מאשר Mo, הוא מקדם משקעים סיליקידים על ידי הפחתת מחסומי גרעין.
5.2 פח
Sn מספק חיזוק פתרון מוצק מבלי לשנות באופן משמעותי את יציבות הפאזה. בסגסוגות-בטמפרטורה גבוהה (Ti-6242, Ti-1100), Sn תורם לעמידות לזחילה באמצעות השפעות של פתרון מוצק ועל ידי שינוי התנהגות משקעי סיליקיד.
ממשיך...
