Ո՞րն է տիտանի հալման կետը?

1. Ներածություն

Մաքուրի հավասարակշռության հալման կետը տիտղոս (Է) մոտ 1 մթնոլորտ է 1668.0 ° C (≈ 1941.15 Ք, 3034.4 ° f).

Այդ միակ թիվը կարևոր հղում է, բայց ճարտարագիտության և արտադրության համար դա միայն մեկնարկային կետն է: տիտանը ցուցադրում է α→β ալոտրոպ փոխակերպում ≈-ում 882 ° C;
համաձուլվածքները և կեղտերը առաջացնում են պինդուս/հեղուկ միջակայք, այլ ոչ թե մեկ կետ; և բարձր ջերմաստիճաններում տիտանի ծայրահեղ քիմիական ռեակտիվությունը ստիպում է արտադրողներին հալվել և կառավարել այն վակուումային կամ իներտ միջավայրում.

Այս հոդվածը բացատրում է հալման կետը թերմոդինամիկական առումով, ցույց է տալիս, թե ինչպես են համաձուլվածքն ու աղտոտումը փոխում հալման/պնդացման վարքը, ապահովում է հալման էներգիայի գործնական գնահատականներ և նկարագրում է արդյունաբերական հալման տեխնոլոգիաները և գործընթացի վերահսկումը, որն անհրաժեշտ է մաքուր արտադրելու համար, բարձր արդյունավետությամբ տիտանի և տիտանի համաձուլվածքի արտադրանք.

2. Մաքուր տիտանի ֆիզիկական հալման կետը

3. Հալման թերմոդինամիկա և կինետիկա

• Թերմոդինամիկական սահմանում: հալումը առաջին կարգի փուլային անցում է, որի դեպքում պինդ և հեղուկ փուլերի Գիբսի ազատ էներգիաները հավասար են.
  Մաքուր տարրի համար ֆիքսված ճնշման տակ սա կտրուկ սահմանված ջերմաստիճան է (հալման կետը).
• Թաքնված ջերմություն: էներգիան կլանում է որպես միաձուլման լատենտ ջերմություն՝ բյուրեղային կարգը խախտելու համար; ջերմաստիճանը չի բարձրանում փուլային փոփոխության ընթացքում մինչև հալման ավարտը.
• Կինետիկա և ցածր սառեցում: պնդացման ժամանակ հեղուկը կարող է մնալ հավասարակշռության հալման մակարդակից ցածր (հեղուկ) ջերմաստիճան - undercooling — որը փոխում է միջուկացման արագությունը և միկրոկառուցվածքը (հացահատիկի չափը, մորֆոլոգիա).
  Գործնականում, հովացման արագությունը, միջուկացման վայրերը և համաձուլվածքի կազմը որոշում են պնդացման ուղին և վերջնական միկրոկառուցվածքը.
• Տարասեռ ընդդեմ միատարր միջուկավորում: իրական համակարգերը ամրապնդվում են տարասեռ միջուկացումով (կեղտերի վրա, կաղապարի պատերը, կամ պատվաստանյութեր), Այսպիսով, գործընթացի մաքրությունը և կաղապարի ձևավորումը ազդում են ամրացման արդյունավետ վարքագծի վրա.

4. Ալոտրոպիա և հալման հետ կապված ֆազային վարքագիծ

• ա ↔ β փոխակերպում: տիտանն ունի երկու բյուրեղային կառուցվածք պինդ վիճակում: վեցանկյուն փակ փաթեթավորված (α-Ti) կայուն ցածր ջերմաստիճանի և մարմնի կենտրոնացված խորանարդի դեպքում (β-Ti) կայուն վերևում β-անցում (~882 °C մաքուր Ti-ի համար).
  Այս ալոտրոպային փոփոխությունը շատ ցածր է հալման կետից, բայց ազդում է մեխանիկական վարքի և միկրոկառուցվածքի էվոլյուցիայի վրա ջեռուցման և հովացման ժամանակ.
• Հետեւանքներ: α և β փուլերի առկայությունը նշանակում է, որ շատ տիտանի համաձուլվածքներ նախատեսված են α-ն օգտագործելու համար, ա+բ, կամ β փուլային դաշտեր՝ պահանջվող ուժի համար, կոշտություն և մշակման արձագանք.
  β տրանսուսը վերահսկում է դարբնոցային/ջերմային մշակման պատուհանները և ազդում այն ​​բանի վրա, թե համաձուլվածքն ինչպես կվարվի, երբ այն մոտենում է հալվելուն՝ եռակցման կամ վերաձուլման գործընթացների ժամանակ:.

5. Ինչպես համաձուլվածք, կեղտերը և ճնշումը ազդում են հալման/պնդացման վրա

• Ալյումինե: Տիտանի ինժեներական մասերի մեծ մասը համաձուլվածքներ են (TI-6AL-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Եվ այլն). Այս համաձուլվածքները ցույց են տալիս պինդ → հեղուկ ջերմաստիճանի ընդմիջումներով; որոշ համաձուլվածքային հավելումներ բարձրացնում կամ իջեցնում են հեղուկը և ընդլայնում սառեցման շրջանակը.
  Սառեցման ավելի լայն միջակայքերը մեծացնում են կծկվող թերությունների նկատմամբ զգայունությունը և ավելի դժվարացնում կերակրումը պնդացման ժամանակ. Միշտ օգտագործեք համաձուլվածքին հատուկ սոլիդուսի/հեղուկի տվյալները՝ գործընթացի սահմանային կետերի համար.
• Ինտերստիցիալներ & թափառաշրջիկ տարրեր: թթվածին, ազոտը և ջրածինը պարզ «հալման կետի փոփոխիչներ» չեն, բայց դրանք խիստ ազդում են մեխանիկական հատկությունների վրա (թթվածինը և ազոտը բարձրացնում են ուժը, բայց փխրուն են).
  Հետք աղտոտիչներ (Անք, Ալ, Վիճակ, Գ, Եվ այլն) ազդել փուլերի ձևավորման և հալման վարքի վրա. Փոքր քանակությամբ ցածր հալեցման աղտոտիչներ կարող են առաջացնել հալման տեղային անոմալիաներ.
• Ճնշում: բարձր ճնշումը մի փոքր բարձրացնում է հալման կետը (Կլապեյրոնի հարաբերություն). Տիտանի արդյունաբերական հալումը կատարվում է մթնոլորտի մոտ կամ վակուումային/իներտ գազի տակ;
  կիրառվող ճնշումները ամրացման ժամանակ (Է.Գ., ճնշման ձուլման մեջ) էապես չեն փոխում հալման հիմնական ջերմաստիճանը, բայց կարող են ազդել արատների ձևավորման վրա.

6. Ընդհանուր տիտանի համաձուլվածքների հալման միջակայքերը

Ստորև բերված է մաքուր, ինժեներական կենտրոնացված աղյուսակը ցույց է տալիս բնորոշ հալեցում (պինդ → հեղուկ) տիրույթներ սովորաբար օգտագործվող տիտանի համաձուլվածքների համար.
Արժեքներն են մոտավոր բնորոշ միջակայքեր օգտագործվում է գործընթացի պլանավորման և համաձուլվածքների համեմատության համար. միշտ ստուգել համաձուլվածքի մատակարարի վերլուծության վկայականով կամ ջերմային անալիզով (Բխում / սառեցման-կոր) որոշակի խմբաքանակի հալման/մշակման ճշգրիտ կետի համար.

7. Տիտանի արդյունաբերական հալման և վերաձուլման մեթոդներ

Քանի որ տիտանը քիմիապես ռեակտիվ է բարձր ջերմաստիճաններում, դրա հալման և վերաձուլման համար անհրաժեշտ են հատուկ տեխնոլոգիաներ և մթնոլորտ՝ աղտոտումից և փխրունությունից խուսափելու համար.

Ընդհանուր արդյունաբերական մեթոդներ

• Վակուումային աղեղի վերահալում (ՄԵՐ): սպառվող էլեկտրոդի վերաձուլում վակուումի տակ; լայնորեն օգտագործվում է քիմիայի մաքրման և բարձրորակ ձուլակտորների մեջ ներդիրները հեռացնելու համար.
• Էլեկտրոնային ճառագայթ (EB) Հալվելը: իրականացվում է բարձր վակուումի պայմաններում; առաջարկում է չափազանց մաքուր հալվածքներ և օգտագործվում է բարձր մաքրության ձուլակտորների և հավելանյութերի արտադրության համար հումքի արտադրության համար.
• Պլազմային աղեղների հալեցում / Պլազմային օջախ: վակուումային կամ վերահսկվող մթնոլորտի պլազմային համակարգերը օգտագործվում են համաձուլվածքների արտադրության և վերականգնման համար.
• Ինդուկցիոն գանգի հալեցում (ISM, գանգի հալեցում): uses an induced current to melt the metal inside a water-cooled copper coil; a thin solid “skull” of metal forms and protects the melt from crucible contamination—useful for reactive metals including titanium.
• Cold hearth melting / consumable electrode EB or VAR for titanium sponge and scrap: allows removal of high-density inclusions and control of tramp elements.
• Powder production (gas-atomization) for AM: for powder metallurgy and additive manufacturing, remelting and gas atomization are performed in inert atmospheres to produce spherical, low-oxygen powders.
• Ներդրումների ձուլում: Requires ceramic molds (resistant to 2000℃+) and molten titanium at 1700–1750℃. The high melting point increases mold cost and cycle time, limiting casting to small, բարդ բաղադրիչներ.

Ինչու՞ վակուումային/իներտ մթնոլորտներ?

• Titanium reacts rapidly with oxygen, ազոտը և ջրածինը բարձր ջերմաստիճանում; այդ ռեակցիաները առաջացնում են թթվածնի/ազոտի կայունացման փուլեր (փխրուն), Ընդարձակ, և կոպիտ աղտոտվածություն.
  Հալվելով վակուում կամ բարձր մաքրության արգոն կանխում է այդ ռեակցիաները և պահպանում մեխանիկական հատկությունները.

8. Մշակման մարտահրավերներ և մեղմացում

Ռեակտիվություն և աղտոտվածություն

• Օքսիդացում և նիտրիդացում: հալման ջերմաստիճանում տիտանը ձևավորվում է հաստ, կպչուն օքսիդներ և նիտրիդներ; այս միացությունները նվազեցնում են ճկունությունը և ավելացնում ընդգրկման քանակը.
  Մեղմացում: հալվել վակուումային/իներտ գազի տակ; օգտագործել գանգի հալեցման կամ պաշտպանիչ հոսքեր մասնագիտացված գործընթացներում.
• Ջրածնի կլանումը: առաջացնում է ծակոտկենություն և փխրունություն (հիդրիդի ձևավորում). Մեղմացում: չոր լիցքավորման նյութեր, վակուումային հալեցում, և վերահսկելով վառարանի մթնոլորտը.
• Թափառաշրջիկ տարրեր (Անք, Մգոհել, Ալ, Եվ այլն): չվերահսկվող ջարդոն կարող է ներմուծել տարրեր, որոնք ձևավորում են փխրուն միջմետաղներ կամ փոխում են հալման միջակայքը. օգտագործեք ջարդոնի խիստ հսկողություն և վերլուծական ստուգումներ (Երեր).

Անվտանգության հարցեր

• Հալած տիտանի հրդեհները: հալված տիտանը դաժանորեն արձագանքում է թթվածնի հետ և կարող է այրվել; ջրի շփումը կարող է առաջացնել պայթուցիկ գոլորշու ռեակցիաներ.
  Բեռնաթափման համար պահանջվում են հատուկ ուսուցում և խիստ ընթացակարգեր, հորդառատ և շտապ արձագանք.
• Փոշու պայթյուններ: տիտանի փոշին պիրոֆորիկ է; Մետաղական փոշու հետ աշխատելը պահանջում է պայթյունապաշտպան սարքավորումներ, հիմնավորումը, և հատուկ PPE.
• Ծխի վտանգներ: բարձր ջերմաստիճանի մշակումը կարող է առաջացնել վտանգավոր գոլորշիներ (օքսիդի և համաձուլվածքի տարրերի գոլորշիներ); օգտագործել գոլորշի արդյունահանման և գազի մոնիտորինգ.

9. Հալման և պնդացման չափում և որակի վերահսկում

• Ջերմային վերլուծություն (DSC/DTA): դիֆերենցիալ սկանավորման կալորիմետրիան և ջերմային կանգառի վերլուծությունը ճշգրիտ չափում են համաձուլվածքների պինդությունը և հեղուկը և ապահովում հալման և ձուլման սահմանային կետերի վերահսկումը.
• Պիրոմետրիա & ջերմային զույգեր: օգտագործել համապատասխան սենսորներ; ճիշտ է արտանետման և մակերեսային օքսիդների համար պիրոմետրեր օգտագործելիս. Ջերմային զույգերը պետք է պաշտպանված լինեն (հրակայուն թևեր) և տրամաչափված.
• Քիմիական վերլուծություն: Երեր (օպտիկական արտանետումների սպեկտրոմետրիա) և LECO/O/N/H անալիզատորները կարևոր են թթվածին հետևելու համար, ազոտի և ջրածնի պարունակությունը և ընդհանուր քիմ.
• Ոչ կործանարար փորձարկում: Ռենտգեն, ուլտրաձայնային և մետալոգրաֆիա՝ ընդգրկումների առկայությունը ստուգելու համար, ծակոտկենություն և տարանջատում.
  Կրիտիկական բաղադրիչների համար, միկրոկառուցվածքը և մեխանիկական փորձարկումները համապատասխանում են ստանդարտներին (ASTM, AMS, Iso).
• Գործընթացի գրանցում: ռեկորդային վառարանների վակուումային մակարդակները, հալեցման ջերմաստիճանի պրոֆիլներ, էներգիայի ներդրումը և արգոնի մաքրությունը՝ հետագծելիությունը և կրկնելիությունը պահպանելու համար.

10. Համեմատական ​​վերլուծություն այլ մետաղների և համաձուլվածքների հետ

Տվյալները ներկայացուցչական արդյունաբերական արժեքներ են, որոնք հարմար են տեխնիկական համեմատության և գործընթացի ընտրության համար.

11. Դիզայնի գործնական հետևանքներ, վերամշակում և վերամշակում

• Դիզայն: Հալման կետը տիտանը տեղադրում է բարձր ջերմաստիճանի կառուցվածքային կիրառություններում, բայց դիզայնը պետք է հաշվի առնի ծախսերը և միացման սահմանափակումները (եռակցում ընդդեմ մեխանիկական ամրացման).
• Վերամշակում: հալվելը, ձուլման, Եռակցման և հավելումների արտադրությունը բոլորը պահանջում են վերահսկվող մթնոլորտ և մանրակրկիտ նյութերի հսկողություն.
  Ձուլված մասերի համար, Անհրաժեշտության դեպքում օգտագործվում է վակուումային ներդրումային ձուլում կամ կենտրոնախույս ձուլում իներտ մթնոլորտում.
• Վերամշակում: Տիտանի ջարդոնի վերամշակումը գործնական է, սակայն պահանջում է տարանջատում և վերամշակում (ՄԵՐ, EB) հեռացնել թափառաշրջիկ տարրերը և վերահսկել թթվածնի/ազոտի մակարդակը.

12. Եզրափակում

Տիտանի հալման կետը (1668.0 ° C (≈ 1941.15 Ք, 3034.4 ° f) մաքուր տիտանի համար) հիմնարար հատկություն է, որը հիմնված է նրա ատոմային կառուցվածքի և ամուր մետաղական կապի վրա, ձևավորելով իր դերը որպես բարձր արդյունավետությամբ ինժեներական նյութ.

Մաքրություն, Ալյումինե տարրեր, և ճնշումը փոխում է դրա հալման վարքը, հնարավորություն տալով նախագծել տիտանի համաձուլվածքներ՝ հարմարեցված տարբեր կիրառությունների համար՝ կենսահամատեղելի բժշկական իմպլանտներից մինչև օդատիեզերական բարձր ջերմաստիճանի բաղադրիչներ.

Մինչդեռ տիտանի բարձր հալման կետը վերամշակման հետ կապված խնդիրներ է առաջացնում (որոնք պահանջում են հալման և եռակցման մասնագիտացված տեխնոլոգիաներ), այն նաև հնարավորություն է տալիս սպասարկել այն միջավայրում, որտեղ թեթև մետաղներ են (ալյումին, մագնեզիում) ձախողել.

Հալման կետի ճշգրիտ չափում (DSC-ի միջոցով, լազերային ֆլեշ, կամ էլեկտրական դիմադրության մեթոդներ) և ազդող գործոնների հստակ ըմբռնումը կարևոր է տիտանի վերամշակման օպտիմալացման համար, նյութական ամբողջականության ապահովում, և առավելագույնի հասցնել կատարողականը.

 

ՀՏՀ

Արդյո՞ք համաձուլվածքը զգալիորեն փոխում է տիտանի հալման կետը?

Այո. Տիտանի համաձուլվածքները ցույց են տալիս պինդ/հեղուկ միջակայքեր այլ ոչ թե մեկ հալման կետ.

Որոշ համաձուլվածքներ մի փոքր հալվում են տարրի տակ կամ վերևում՝ կախված կազմից. Մշակման համար օգտագործեք համաձուլվածքների հատուկ տվյալներ.

Տիտանի մագնիսական է?

Ոչ. Մաքուր տիտանը և տիտանի սովորական համաձուլվածքները ֆերոմագնիսական չեն; դրանք թույլ պարամագնիսական են (շատ ցածր դրական մագնիսական զգայունություն), այնպես որ նրանք միայն աննշանորեն են ձգվում դեպի մագնիսական դաշտ.

Արդյո՞ք տիտանը ժանգոտում է?

Ոչ, տիտանը չի «ժանգոտում» երկաթի օքսիդ իմաստով. Տիտանը դիմադրում է կոռոզիային, քանի որ այն արագորեն ձևավորում է բարակ նյութ, հավատարիմ, ինքնաբուժվող տիտանի օքսիդ (TiO2) պասիվ թաղանթ, որը պաշտպանում է մետաղը հետագա օքսիդացումից.

Ինչու՞ պետք է տիտանը հալվի վակուումում կամ իներտ գազում?

Քանի որ հալած տիտանն ակտիվորեն արձագանքում է թթվածնի հետ, ազոտ և ջրածին. Այդ ռեակցիաները առաջացնում են փխրուն միացություններ և ներդիրներ, որոնք քայքայում են մեխանիկական հատկությունները.

Ինչ հալման մեթոդներ են նախընտրելի օդատիեզերական դասի տիտանի համար?

Բարձր մաքրության օդատիեզերական տիտան սովորաբար արտադրվում է ՄԵՐ (վակուումային աղեղի վերահալում) կամ EB (էլեկտրոնային ճառագայթ) հալվելը վերահսկել քիմիան և ընդգրկումները.

Հավելանյութերի արտադրության համար հումքի համար, EB-ի հալումը և վերահսկվող մթնոլորտում գազի ատոմացումը տարածված է.

Որքա՞ն էներգիա է պահանջվում տիտանի հալման համար?

Մոտավոր տեսական գնահատական (իդեալական, ոչ մի կորուստ) է լինել ≈1,15 ՄՋ/կգ տաքացնել 1 կգ-ից 25 °C-ից մինչև հեղուկ 1668 ° C (օգտագործելով cp ≈ 520 J·kg-1·K-1 և թաքնված ջերմություն ≈ 297 kJ·kg⁻1).

Իրական էներգիայի սպառումն ավելի մեծ է կորուստների և սարքավորումների անարդյունավետության պատճառով.