Titanová slitina GR5 (Ti-6Al-4V): Rozsah použití a klíčové vlastnosti

Slitina titanu GR5, označená v Číně TC4 a mezinárodně Ti-6Al-4V, je referenčním materiálem pro titanový průmysl. Když inženýři specifikují titan bez ohledu na konkrétní jakost, mají obvykle na mysli tuto slitinu alfa-beta, která kombinuje pevnost v tahu nad 895 MPa s hustotou 4,43 g/cm³. Její rozsah pokrývá letecké konstrukce, lékařské implantáty, chemická zařízení, námořní systémy a stále častěji také spotřební elektroniku a aditivní výrobu.

Složení a klasifikace

GR5 obsahuje 5,5-6,75 % hliníku a 3,5-4,5 % vanadu podle ASTM B265, přičemž železo je omezeno na 0,40 %, kyslík na 0,20 % a vodík na 0,015 %. Hliník stabilizuje hexagonální fázi alfa, zvyšuje pevnost a odolnost proti tečení; vanad stabilizuje kubickou beta fázi zaměřenou na tělo, zlepšuje tažnost a houževnatost. Dvoufázová struktura, vyvinutá působením pod beta transus asi 995 stupňů, dává slitině její vyvážený profil vlastností.

Klíčové vlastnosti titanové slitiny GR5

1. Nízká hustota a vysoká specifická pevnost

Hustota 5. stupně je 4,43 g/cm³, asi o 44 % lehčí než ocel. Jeho poměr pevnosti-k-hustotě převyšuje u většiny konstrukčních ocelí a hliníkových slitin, a proto dominuje aplikacím na draky letadel a motorů.

2. Odolnost proti korozi

Stejně jako všechny slitiny titanu se i GR5 spoléhá na hustý, samovolně se zacelující oxidový film-pro ochranu. Odolává mořské vodě, chloridům, oxidujícím kyselinám a většině organických médií. Fólie se při mechanickém poškození regeneruje během milisekund, a proto titanové vybavení v námořním a chemickém provozu vydrží desítky let. V případě horkých redukčních kyselin nebo těžkých štěrbinových podmínek jsou před GR5 upřednostňovány palladiové-ložisko, jako je stupeň 7 nebo stupeň 12.

3. Dobrá -teplotní pevnost

GR5 si zachovává užitečnou pevnost při 300-400 stupních, což je výrazně nad stropem pro hliníkové slitiny, a může sloužit v krátkodobých-špičkách blížící se 500 stupňům v ne-kritických úsecích. Dlouhodobé-tečení nad 400 stupňů vyžaduje slitiny blízké alfa, jako je Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo.

4. Nízká-teplotní odolnost

Pevnost se zvyšuje s poklesem teploty při zachování tažnosti. GR5 a jeho varianta ELI zůstávají odolné při kryogenních teplotách až do -253 stupňů, což z nich činí materiály volby pro kryogenní nádoby a zařízení na zkapalněný plyn.

5. Vysoká únavová síla

Jemná rovnoosá mikrostruktura vytvořená řízeným termomechanickým zpracováním dává GR5 vynikající odolnost proti únavě při cyklickém namáhání, což je rozhodující faktor u rotujících součástí letadel a automobilů.

6. Ne-magnetické a biologicky kompatibilní

GR5 není-magnetický, což je důležité v prostředí MRI a kontrole magnetického podpisu na palubě. Jeho biokompatibilita s povrchovou úpravou pro omezení uvolňování iontů podporuje jeho použití v ortopedických a dentálních implantátech podle ISO 5832-3 a ASTM F136.

7. Vysoký výnosový poměr

Mez pevnosti v tahu a kluzu jsou blízké, což znamená omezenou plastickou deformaci před porušením a výrazné odpružení při tváření. S tím musí počítat nástroje a pro složité tvary se používá tváření za tepla.

8. Chování přenosu tepla

Přestože titan špatně vede teplo, asi 7 W/m·K, tenkostěnné trubice výměníku tepla GR5 to kompenzují sníženou tloušťkou stěny a povrchy, které se- neodlupují, a poskytují praktický výkon přenosu tepla v korozivních provozech.

9. Nízký modul pružnosti

Při asi 110 GPa je modul zhruba 57 % oceli. To snižuje ohybovou tuhost, ale zlepšuje únavové chování pružin a pružných součástí a snižuje stres-stínící účinek kostních implantátů.

10. Absorpce plynu při vysoké teplotě

Nad asi 400 stupni titan reaguje s kyslíkem, dusíkem a vodíkem a vytváří zpevněnou povrchovou vrstvu. Toto chování je řízeno při zpracování vakuem nebo inertní atmosférou a odstraněno mořením po zpracování za tepla.

Rozsah aplikace podle odvětví

Poznámky k výběru

Vyberte si GR5, když je design omezen na pevnost- nebo na únavu- a na hmotnosti záleží. Vyberte si komerčně čisté jakosti, jako je Grade 2, když dominuje tvarovatelnost, svařitelnost a cena, nebo když je prostředí silně náchylné-na štěrbiny. Vždy specifikujte normu produktu, ASTM B265 pro desku, B348 pro tyč, B861/B862 pro trubku a požadujte osvědčení o zkoušce frézy se skutečnými chemickými hodnotami a hodnotami v tahu.

FAQ

Co znamená TC4?

TC4 je čínské označení pro Ti-6Al-4V podle GB/T 3620.1: T označuje slitinu titanu, C označuje typ alfa-beta a 4 je sériové číslo. Je ekvivalentní ASTM Grade 5.

Je titan GR5 pevnější než ocel?

Pokud jde o konkrétní sílu, ano. Pevnost v tahu GR5 je srovnatelná se středně-ocelami s přibližně 60 % hmotnosti, a proto nahrazuje ocel v hmotnostně-kritických strukturách.

Lze GR5 eloxovat?

Ano. Eloxováním se vytvoří silnější oxidový film pro ochranu proti korozi, odolnost proti opotřebení nebo barevné značení. Nemění základní mechanické vlastnosti.

Koroduje GR5 v mořské vodě?

Ne. Jeho samo-opravný oxidový film poskytuje vynikající odolnost proti mořské vodě. Pitting a štěrbinové napadení jsou rizikem pouze v těsných štěrbinách při zvýšené teplotě, kde je preferován stupeň 7 nebo stupeň 12.

Jaká je maximální provozní teplota GR5?

Nepřetržitý provoz je obvykle omezen na 300-400 stupňů . Nad 400 stupňů oxidace a tečení snižují životnost; vysokoteplotní slitiny blízké alfa jsou určeny pro provoz v rozmezí 500–600 stupňů.

Proč se GR5 používá pro lékařské implantáty?

Kombinuje vysokou pevnost, odolnost proti korozi, ne-toxicitu a modul-kompatibilní s kostmi. Pro dlouhodobé implantáty je specifikována varianta ELI podle ASTM F136 se sníženým obsahem kyslíku, aby se maximalizovala lomová houževnatost.