1.-Kestabilan Terma Jangka Panjang bagi Aloi Titanium Suhu Tinggi-
(1) Reka Bentuk Aloi untuk Kestabilan Terma
Penstabil alfa (Al, Sn, Zr): Aluminium (6–8 wt%) dan timah (1–3 wt%) menguatkan fasa alfa dan menaikkan suhu transus beta-aloi (melambatkan perubahan fasa pada suhu tinggi); zirkonium (2–4 wt%) menapis bijirin dan meningkatkan rintangan rayapan tanpa menjejaskan kemuluran. Contohnya, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242) mempunyai suhu transus beta ~1000 darjah , 15–20% lebih tinggi daripada Ti-6Al-4V, membolehkan operasi stabil pada 450–500 darjah selama 10,000+ jam.
Penstabil beta (Mo, Nb, Ta): Molibdenum (1–2 wt%) dan niobium (2–5 wt%) meningkatkan-kemuluran suhu tinggi aloi dan melambatkan kekasaran fasa beta; tantalum (1–3 wt%) meningkatkan kestabilan terma dengan mengurangkan kadar resapan atom dalam matriks. Gred lanjutan seperti Ti-1100 (Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si) menggabungkan silikon (0.4–0.5 wt%) untuk membentuk mendakan silisid halus (Ti₅Si₃), yang menyematkan sempadan butiran dan menghalang ubah bentuk rayapan pada 500 darjah.
Kawalan interstisial-rendah: Had ketat pada oksigen (<0.15 wt%), nitrogen (<0.015 wt%), and hydrogen (<0.010 wt%) prevent the formation of brittle interstitial compounds that degrade thermal stability over time.
(2) Kestabilan Mikrostruktur Semasa Pendedahan Suhu-Jangka Tinggi-Panjang
Lamellar/bi-struktur mikro modal: Kebanyakan-gred suhu tinggi adalah haba-dirawat untuk membentuk struktur mikro lamellar atau bi-(alfa + lamellar alfa-beta) yang sama. Contohnya, Ti-6242 dalam keadaan lamellar sepenuhnya mengekalkan taburan alfa lamella yang halus dan seragam dalam matriks beta pada 500 darjah selama 20,000 jam, tanpa pengasingan butiran atau pengasingan fasa yang ketara. Sebaliknya, Ti-6Al-4V konvensional mengalami kekasaran fasa alfa dan kehilangan kekuatan melebihi 350 darjah selepas 5,000 jam pendedahan.
Rintangan terhadap degradasi fasa: Pada suhu di bawah 600 darjah , aloi titanium bersuhu tinggi-mengelakkan pembentukan fasa yang merosakkan (cth, fasa omega rapuh atau hidrida kasar) yang menjejaskan gred standard. Ti-1100, misalnya, mengekalkan struktur mikro alfa-betanya pada 600 darjah selama 10,000 jam, dengan hanya pengurangan 10–15% dalam kekuatan tegangan (daripada 900 MPa kepada 750–800 MPa), berbanding dengan kehilangan kekuatan 40% pada suhu Ti-6Al-4V yang sama.
(3) Pengekalan Harta Mekanikal
Rintangan rayapan: Aloi titanium suhu tinggi-mempamerkan prestasi rayapan yang unggul pada suhu reka bentuknya. Ti-6242 mempunyai kadar terikan rayapan sebanyak<1×10⁻⁹ per hour at 450°C and 200 MPa stress (10x lower than Ti-6Al-4V under the same conditions), with total creep deformation <0.1% after 10,000 hours. Ti-1100 achieves a creep strain rate of <5×10⁻⁹ per hour at 550°C and 250 MPa, meeting the demands of aero-engine compressor blades.
Kekuatan keletihan: Di bawah pemuatan suhu tinggi-kitaran, aloi ini mengekalkan 60–70% daripada kekuatan kelesuan suhu biliknya-(10⁷ kitaran). Contohnya, Ti-6242 mempunyai kekuatan keletihan ~250 MPa pada 450 darjah (vs. 150 MPa untuk Ti-6Al-4V pada 350 darjah ), membolehkan perkhidmatan yang boleh dipercayai dalam komponen mudah getaran seperti selongsong turbin.
Pengekalan kemuluran: Pendedahan jangka-panjang kepada 500 darjah mengurangkan pemanjangan Ti-6242 sebanyak 20–25% sahaja (daripada 12% kepada 9–10%), manakala Ti-6Al-4V kehilangan 50% kemulurannya (daripada 12% kepada 6%) pada 350 darjah dalam tempoh yang sama.
2. Rintangan Pengoksidaan Aloi Titanium Suhu Tinggi-Semasa Perkhidmatan Jangka Panjang-
(1) Mekanisme Pengoksidaan Aloi Titanium pada Suhu Tinggi
Lapisan luar: TiO₂ berliang (rutil), yang retak dan terpercik di bawah kitaran haba;
Lapisan tengah: Ti₃O₅, oksida separa-konduktif dengan sifat perlindungan yang lemah;
Lapisan dalam: Ti₂O₃, oksida rapuh yang menyebabkan kerosakkan permukaan dan mengurangkan hayat keletihan.
(2) Rawatan Aloi dan Permukaan untuk Rintangan Pengoksidaan yang Dipertingkatkan
Pengaloian silikon dan aluminium: Silikon (0.3–0.5 wt%) dalam gred seperti Ti-1100 membentuk lapisan SiO₂ berterusan di bawah filem TiO₂, yang bertindak sebagai penghalang resapan kepada oksigen dan mengurangkan kadar pertumbuhan oksida sebanyak 50–60% pada 600 darjah . Aluminium (7–8 wt%) meningkatkan kandungan aluminium dalam lapisan oksida, membentuk skala campuran Al₂O₃-TiO₂ dengan takat lebur yang lebih tinggi dan kebolehtelapan oksigen yang lebih rendah daripada TiO₂ tulen.
Penambahan kromium dan niobium: Kromium (1–2 wt%) menambah baik lekatan oksida dengan mengurangkan ketidakpadanan pengembangan terma antara lapisan oksida dan substrat, manakala niobium (3–5 wt%) menstabilkan fasa rutil TiO₂ dan menghalang pembentukan retakan dalam skala oksida.
Salutan permukaan: Untuk aplikasi suhu ultra-tinggi-(550–700 darjah ), aloi titanium suhu tinggi-selalunya disalut dengansalutan aluminida(cth, bungkus-salutan Al-Ti bersimen) atausalutan seramik(cth, yttria-zirkonia terstabil, YSZ). Salutan ini membentuk penghalang Al₂O₃ atau seramik padat, mengurangkan kadar pengoksidaan sebanyak 90% pada 650 darjah berbanding aloi tidak bersalut. Contohnya, aluminida-bersalut Ti-1100 mempunyai pertambahan berat sebanyak<0.1 mg/cm² after 1000 hours at 600°C, vs. 1.2 mg/cm² for uncoated Ti-1100.
(3) Had Prestasi Pengoksidaan Jangka Panjang-Panjang
Aloi tidak bersalut: Kebanyakan aloi titanium bersuhu tinggi-tidak bersalut boleh mengekalkan rintangan pengoksidaan yang boleh diterima sehingga 550–600 darjah selama 10,000 jam, dengan jumlah ketebalan oksida terhad kepada<10 μm and weight gain <0.5 mg/cm². Above 600°C, the oxide layer thickens rapidly (exceeding 20 μm at 650°C for 1000 hours) and becomes prone to spalling under thermal cycling, leading to intergranular oxidation and embrittlement.
Aloi bersalut: Dengan salutan aluminida atau seramik, had suhu atas dilanjutkan kepada 650–700 darjah untuk-servis jangka panjang (10,000 jam), dengan ketebalan oksida<8 μm and weight gain <0.2 mg/cm² at 700°C. However, coating degradation (e.g., interdiffusion of coating and substrate elements) becomes a limiting factor beyond 700°C, requiring periodic recoating for critical components.
