Apakah Takat Lebur Titanium?

1. Pengenalan

Titik lebur keseimbangan tulen Titanium (Dari) pada 1 suasana adalah 1668.0 ° C. (≈ 1941.15 K, 3034.4 ° f).

Nombor tunggal itu adalah rujukan penting, tetapi untuk kejuruteraan dan pengeluaran ia hanya titik permulaan: titanium mempamerkan perubahan alotropik α→β pada ≈ 882 ° C.;
aloi dan bendasing menghasilkan julat solidus/liquidus dan bukannya satu titik; dan kereaktifan kimia melampau titanium pada suhu tinggi memaksa pengeluar mencairkan dan mengendalikannya dalam persekitaran vakum atau lengai.

Artikel ini menerangkan takat lebur dalam istilah termodinamik, menunjukkan bagaimana pengaloian dan pencemaran mengubah tingkah laku pencairan/pemejalan, menyediakan anggaran tenaga lebur praktikal dan menerangkan teknologi lebur industri dan kawalan proses yang diperlukan untuk menghasilkan bersih, produk titanium dan aloi titanium berprestasi tinggi.

2. Takat lebur fizikal titanium tulen

3. Termodinamik dan kinetik lebur

• Definisi termodinamik: lebur ialah peralihan fasa tertib pertama di mana tenaga bebas Gibbs bagi fasa pepejal dan cecair adalah sama.
  Untuk unsur tulen pada tekanan tetap ini adalah suhu yang jelas (titik lebur).
• Haba pendam: tenaga diserap sebagai haba pendam pelakuran untuk memecahkan susunan kristal; suhu tidak meningkat semasa perubahan fasa sehingga lebur selesai.
• Kinetik dan penyejukan bawah: semasa pemejalan cecair boleh kekal di bawah lebur keseimbangan (cecair) suhu - kurang penyejukan — yang mengubah kadar nukleasi dan struktur mikro (saiz bijirin, morfologi).
  Dalam amalan, kadar penyejukan, tapak nukleasi dan komposisi aloi menentukan laluan pemejalan dan struktur mikro akhir.
• Nukleasi heterogen vs homogen: sistem sebenar memejal oleh nukleasi heterogen (pada kekotoran, dinding acuan, atau inokulan), jadi kebersihan proses dan reka bentuk acuan mempengaruhi tingkah laku pemejalan yang berkesan.

4. Alotropi dan tingkah laku fasa yang berkaitan dengan lebur

• a ↔ transformasi β: titanium mempunyai dua struktur kristal dalam keadaan pepejal: heksagon padat rapat (α-Ti) stabil pada suhu rendah dan padu berpusat badan (β-Ti) stabil di atas β-peralihan (~882 °C untuk Ti tulen).
  Perubahan alotropik ini jauh di bawah takat lebur tetapi menjejaskan tingkah laku mekanikal dan evolusi mikrostruktur semasa pemanasan dan penyejukan.
• Implikasi: kewujudan fasa α dan β bermakna banyak aloi titanium direka untuk mengeksploitasi α, a+b, atau medan fasa β untuk kekuatan yang diperlukan, keliatan dan tindak balas pemprosesan.
  β transus mengawal tingkap penempaan/rawatan haba dan mempengaruhi cara aloi akan bertindak apabila ia menghampiri lebur semasa proses seperti mengimpal atau mencairkan semula.

5. Bagaimana mengaloi, kekotoran dan tekanan menjejaskan pencairan/pemejalan

• Aloi: kebanyakan bahagian titanium kejuruteraan adalah aloi (Ti-6al-4v, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, dll.). Aloi ini menunjukkan Pepejal → cecair selang suhu; beberapa penambahan pengaloian menaikkan atau menurunkan cecair dan meluaskan julat pembekuan.
  Julat pembekuan yang lebih luas meningkatkan kerentanan terhadap kecacatan pengecutan dan menjadikan penyusuan lebih sukar semasa pemejalan. Sentiasa gunakan data solidus/liquidus khusus aloi untuk titik set proses.
• Interstisial & unsur gelandangan: oksigen, nitrogen dan hidrogen bukanlah "penukar takat lebur" mudah tetapi ia sangat mempengaruhi sifat mekanikal (oksigen dan nitrogen meningkatkan kekuatan tetapi rapuh).
  Jejak bahan cemar (Fe, Al, V, C, dll.) mempengaruhi pembentukan fasa dan tingkah laku lebur. Sebilangan kecil bahan cemar lebur rendah boleh mencipta anomali lebur tempatan.
• Tekanan: tekanan tinggi menaikkan sedikit takat lebur (hubungan Clapeyron). Pencairan industri titanium dilakukan berhampiran atmosfera atau di bawah vakum/gas lengai;
  digunakan tekanan dalam pemejalan (Mis., dalam tuangan tekanan) tidak mengubah suhu lebur asas dengan ketara tetapi boleh mempengaruhi pembentukan kecacatan.

6. Julat Lebur Aloi Titanium Biasa

Di bawah adalah bersih, menunjukkan jadual berfokuskan kejuruteraan lebur tipikal (Pepejal → cecair) julat untuk aloi titanium yang biasa digunakan.
Nilai adalah anggaran julat tipikal digunakan untuk perancangan proses dan perbandingan aloi - sentiasa mengesahkan dengan sijil analisis pembekal aloi atau dengan analisis haba (DSC / lengkung penyejukan) untuk titik tetap cair/pemprosesan yang tepat bagi kumpulan tertentu.

7. Kaedah pencairan dan pencairan semula industri untuk titanium

Kerana titanium reaktif secara kimia pada suhu tinggi, pencairan dan pencairannya memerlukan teknologi dan atmosfera khas untuk mengelakkan pencemaran dan kekotoran.

Kaedah perindustrian biasa

• Vacuum arc remelting (Kami): pencairan semula elektrod pakai di bawah vakum; digunakan secara meluas untuk memperhalusi kimia dan membuang kemasukan dalam jongkong berkualiti tinggi.
• Rasuk elektron (Eb) Lebur: dilakukan di bawah vakum tinggi; menawarkan leburan yang sangat bersih dan digunakan untuk jongkong ketulenan tinggi dan pengeluaran bahan suapan pengilangan bahan tambahan.
• Lebur Arka Plasma / Perapian Plasma: vakum atau sistem plasma atmosfera terkawal digunakan untuk pengeluaran aloi dan penambakan.
• Pencairan tengkorak induksi (ISM, tengkorak mencair): menggunakan arus teraruh untuk mencairkan logam di dalam gegelung kuprum yang disejukkan dengan air; "tengkorak" pepejal nipis bentuk logam dan melindungi cair daripada pencemaran pijar-berguna untuk logam reaktif termasuk titanium.
• Perapian sejuk mencair / elektrod boleh guna EB atau VAR untuk span titanium dan sekerap: membolehkan penyingkiran kemasukan berketumpatan tinggi dan kawalan elemen gelandangan.
• Pengeluaran serbuk (pengabusan gas) untuk AM: untuk metalurgi serbuk dan pembuatan bahan tambahan, pencairan semula dan pengabusan gas dilakukan dalam atmosfera lengai untuk menghasilkan sfera, serbuk oksigen rendah.
• Pelaburan Pelaburan: Memerlukan acuan seramik (tahan kepada 2000 ℃+) dan titanium cair pada 1700–1750 ℃. Takat lebur yang tinggi meningkatkan kos acuan dan masa kitaran, mengehadkan pemutus kepada kecil, komponen kompleks.

Mengapa vakum/suasana lengai?

• Titanium bertindak balas dengan cepat dengan oksigen, nitrogen dan hidrogen pada suhu tinggi; tindak balas tersebut menghasilkan fasa penstabilan oksigen/nitrogen (rapuh), Embrittlement, dan pencemaran kasar.
  Meleleh masuk vakum atau argon ketulenan tinggi menghalang tindak balas ini dan mengekalkan sifat mekanikal.

8. Memproses cabaran dan mitigasi

Kereaktifan dan pencemaran

• Pengoksidaan dan nitridasi: pada suhu lebur titanium membentuk tebal, oksida dan nitrida yang melekat; sebatian ini mengurangkan kemuluran dan meningkatkan kiraan kemasukan.
  Pengurangan: cair di bawah vakum/gas lengai; gunakan peleburan tengkorak atau fluks pelindung dalam proses khusus.
• Pengambilan hidrogen: menyebabkan keliangan dan kerapuhan (pembentukan hidrida). Pengurangan: bahan cas kering, Vakum lebur, dan mengawal suasana relau.
• Elemen gelandangan (Fe, Cu, Al, dll.): sekerap yang tidak terkawal boleh memperkenalkan unsur-unsur yang membentuk intermetalik rapuh atau mengubah julat lebur — gunakan kawalan sekerap yang ketat dan semakan analitik (Oes).

Isu keselamatan

• Api titanium cair: titanium cair bertindak balas dengan kuat dengan oksigen dan boleh terbakar; sentuhan air boleh menghasilkan tindak balas wap letupan.
  Latihan khas dan prosedur yang ketat diperlukan untuk pengendalian, mencurah-curah dan tindak balas kecemasan.
• Letupan habuk: serbuk titanium adalah pyrophoric; mengendalikan serbuk logam memerlukan peralatan kalis letupan, pembumian, dan PPE tertentu.
• Bahaya wasap: pemprosesan suhu tinggi boleh menghasilkan asap berbahaya (wap unsur oksida dan aloi); gunakan pengekstrakan wasap dan pemantauan gas.

9. Pengukuran dan kawalan kualiti peleburan dan pemejalan

• Analisis terma (DSC/DTA): pengimbasan pembezaan kalorimetri dan analisis penahanan haba mengukur pepejal dan cecair aloi dengan tepat dan menyokong kawalan titik tetap cair dan tuangan.
• Pirometri & Thermocouples: gunakan sensor yang sesuai; betul untuk emisitiviti dan oksida permukaan apabila menggunakan pyrometer. Termokopel mesti dilindungi (lengan refraktori) dan ditentukur.
• Analisis kimia: Oes (spektrometri pelepasan optik) dan penganalisis LECO/O/N/H adalah penting untuk mengesan oksigen, kandungan nitrogen dan hidrogen dan kimia keseluruhan.
• Ujian tidak merosakkan: X-ray, ultrasonik dan metalografi untuk memeriksa kemasukan, keliangan dan pengasingan.
  Untuk komponen kritikal, struktur mikro dan ujian mekanikal mengikut piawaian (ASTM, AMS, ISO).
• Proses pembalakan: rekod tahap vakum relau, profil suhu cair, input kuasa dan ketulenan argon untuk mengekalkan kebolehkesanan dan kebolehulangan.

10. Analisis Perbandingan dengan Logam dan Aloi Lain

Data tersebut merupakan nilai perindustrian yang mewakili yang sesuai untuk perbandingan teknikal dan pemilihan proses.

11. Implikasi praktikal untuk reka bentuk, pemprosesan dan kitar semula

• Reka bentuk: takat lebur meletakkan titanium dalam aplikasi struktur suhu tinggi, tetapi reka bentuk mesti mengambil kira kos dan had penyertaan (kimpalan vs pengancing mekanikal).
• Pemprosesan: lebur, Casting, kimpalan dan pembuatan bahan tambahan semuanya memerlukan suasana terkawal dan kawalan bahan yang teliti.
  Untuk bahagian tuang, tuangan pelaburan vakum atau tuangan emparan dalam suasana lengai digunakan apabila diperlukan.
• Kitar semula: kitar semula sekerap titanium adalah praktikal tetapi memerlukan pengasingan dan pemprosesan semula (Kami, Eb) untuk membuang unsur gelandangan dan mengawal paras oksigen/nitrogen.

12. Kesimpulan

Takat lebur titanium (1668.0 ° C. (≈ 1941.15 K, 3034.4 ° f) untuk titanium tulen) ialah sifat asas yang berakar umbi dalam struktur atomnya dan ikatan logam yang kuat, membentuk peranannya sebagai bahan kejuruteraan berprestasi tinggi.

Kesucian, elemen aloi, dan tekanan mengubah suai tingkah laku leburnya, membolehkan reka bentuk aloi titanium disesuaikan dengan pelbagai aplikasi—daripada implan perubatan biokompatibel kepada komponen aeroangkasa bersuhu tinggi.

Walaupun takat lebur tinggi titanium menimbulkan cabaran pemprosesan (memerlukan teknologi lebur dan kimpalan khusus), ia juga membolehkan perkhidmatan dalam persekitaran di mana logam ringan (aluminium, magnesium) gagal.

Pengukuran takat lebur yang tepat (melalui DSC, kilat laser, atau kaedah rintangan elektrik) dan pemahaman yang jelas tentang faktor yang mempengaruhi adalah penting untuk mengoptimumkan pemprosesan titanium, memastikan integriti material, dan memaksimumkan prestasi.

 

Soalan Lazim

Adakah pengaloian mengubah takat lebur titanium dengan ketara?

Ya. Pameran aloi titanium julat pepejal/cecair bukannya satu takat lebur.

Sesetengah aloi cair sedikit di bawah atau di atas unsur bergantung pada komposisi. Gunakan data khusus aloi untuk pemprosesan.

Adalah magnet titanium?

Tidak. Titanium tulen dan aloi titanium biasa bukan feromagnetik; mereka adalah paramagnet yang lemah (kerentanan magnet positif yang sangat rendah), jadi mereka hanya diabaikan tertarik kepada medan magnet.

Adakah titanium berkarat?

Tidak — titanium tidak "berkarat" dalam pengertian besi-oksida. Titanium tahan kakisan kerana ia cepat membentuk nipis, pengikut, titanium-oksida penyembuhan diri (TiO₂) filem pasif yang melindungi logam daripada pengoksidaan selanjutnya.

Mengapa titanium mesti dicairkan dalam vakum atau gas lengai?

Kerana titanium cair bertindak balas dengan kuat dengan oksigen, nitrogen dan hidrogen. Tindak balas tersebut membentuk sebatian rapuh dan kemasukan yang merendahkan sifat mekanikal.

Apakah kaedah lebur yang diutamakan untuk titanium gred aeroangkasa?

Titanium aeroangkasa ketulenan tinggi biasanya dihasilkan oleh Kami (peleburan semula arka vakum) atau Eb (Rasuk elektron) lebur untuk mengawal kimia dan kemasukan.

Untuk bahan suapan pembuatan bahan tambahan, Pencairan EB dan pengabusan gas dalam atmosfera terkawal adalah perkara biasa.

Berapa banyak tenaga yang diperlukan untuk mencairkan titanium?

Anggaran teori kasar (ideal, tiada kerugian) adalah ≈1.15 MJ setiap kg untuk memanaskan 1 kg dari 25 °C kepada cecair pada 1668 ° C. (menggunakan cp ≈ 520 J·kg⁻¹·K⁻¹ dan haba pendam ≈ 297 kJ·kg⁻¹).

Penggunaan tenaga sebenar adalah lebih tinggi kerana kerugian dan ketidakcekapan peralatan.