Яка температура плавлення титану?

1. Вступ

Рівноважна температура плавлення чист титан (На) в 1 атмосфера є 1668.0 ° C (≈ 1941.15 K, 3034.4 ° F).

Ця єдина цифра є важливою довідкою, але для техніки та виробництва це лише відправна точка: титан демонструє α→β алотропне перетворення при ≈ 882 ° C;
сплави та домішки утворюють діапазони солідус/ліквідус, а не одну точку; а надзвичайна хімічна реакційна здатність титану при підвищених температурах змушує виробників розплавляти та працювати з ним у вакуумі чи інертному середовищі.

Ця стаття пояснює температуру плавлення в термодинамічних термінах, показує, як легування та забруднення змінюють поведінку плавлення/твердіння, надає практичні оцінки енергії плавлення та описує промислові технології плавлення та засоби керування процесом, необхідні для виробництва чистого, високоякісні вироби з титану та титанових сплавів.

2. Фізична температура плавлення чистого титану

3. Термодинаміка і кінетика плавлення

• Термодинамічне визначення: плавлення — фазовий перехід першого роду, при якому вільні енергії Гіббса твердої та рідкої фаз рівні.
  Для чистого елемента при фіксованому тиску це чітко визначена температура (точка плавлення).
• Прихована теплота: енергія поглинається як прихована теплота плавлення, щоб порушити кристалічний порядок; температура не підвищується під час зміни фази до повного плавлення.
• Кінетика і переохолодження: при затвердінні рідина може залишатися нижче рівноважного плавлення (рідина) температура — переохолодження — що змінює швидкість зародження та мікроструктуру (розмір зерна, морфологія).
  На практиці, швидкість охолодження, Місця зародження і склад сплаву визначають шлях затвердіння та кінцеву мікроструктуру.
• Гетерогенне проти гомогенного зародження: реальні системи твердіють гетерогенним зародженням (на домішки, стінки форми, або інокулянти), тому чистота процесу та конструкція форми впливають на ефективне затвердіння.

4. Алотропія та фазова поведінка, що стосуються плавлення

• a ↔ β перетворення: титан має дві кристалічні структури у твердому стані: шестикутні щільно упаковані (α-Ti) стабільний при низькій температурі та об'ємно-центрова кубічна (β-Ti) стабільний над β-перехід (~882 °C для чистого Ti).
  Ця алотропна зміна значно нижча за температуру плавлення, але впливає на механічну поведінку та еволюцію мікроструктури під час нагрівання та охолодження.
• Наслідки: наявність фаз α і β означає, що багато титанових сплавів розроблено для використання α, a+b, або поля β-фази для необхідної сили, міцність і відгук на обробку.
  β-трансус контролює вікна кування/термічної обробки та впливає на поведінку сплаву, коли він наближається до плавлення під час таких процесів, як зварювання або переплавлення.

5. Як легувати, домішки та тиск впливають на плавлення/твердіння

• Сплави: більшість інженерних титанових деталей є сплавами (TI-6AL-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, тощо). Ці сплави показують твердий → рідкий температурні інтервали; деякі легуючі добавки підвищують або знижують ліквідус і розширюють діапазон замерзання.
  Більш широкі діапазони замерзання збільшують сприйнятливість до дефектів усадки та ускладнюють подачу під час затвердіння. Завжди використовуйте дані про солідус/ліквідус для конкретного сплаву для заданих значень процесу.
• Проміжні оголошення & елементи бродяги: кисень, азот і водень не є просто «змінювачами температури плавлення», але вони сильно впливають на механічні властивості (кисень і азот підвищують міцність, але стають крихкими).
  Мікрозабруднювачі (Феод, Al, V, C, тощо) впливають на утворення фаз і поведінку плавлення. Невеликі кількості легкоплавких забруднень можуть створити локальні аномалії плавлення.
• Тиск: підвищений тиск трохи підвищує температуру плавлення (Співвідношення Клапейрона). Промислова плавка титану здійснюється поблизу атмосфери або під вакуумом/інертним газом;
  прикладений тиск при затвердінні (Напр., при лиття під тиском) істотно не змінюють основну температуру плавлення, але можуть впливати на утворення дефектів.

6. Інтервали плавлення поширених титанових сплавів

Нижче чистий, інженерно-орієнтований показ таблиці типове плавлення (твердий → рідкий) діапазони для широко використовуваних титанових сплавів.
Цінності є приблизні типові діапазони використовується для планування процесу та порівняння сплавів — завжди перевіряти з сертифікатом аналізу постачальника сплаву або з термічним аналізом (DSC / крива охолодження) для точних контрольних точок плавлення/обробки конкретної партії.

7. Промислові методи плавлення та переплаву титану

Оскільки титан хімічно реактивний при підвищених температурах, для його плавлення та переплавлення потрібні спеціальні технології та атмосфера, щоб уникнути забруднення та крихкості.

Поширені промислові методи

• Вакуумна дуга, що переробляє (Наш): переплавка витратних електродів під вакуумом; широко використовується для очищення хімії та видалення включень у високоякісних зливках.
• Електронний промінь (EB) плавлення: проводять під високим вакуумом; пропонує надзвичайно чисті розплави та використовується для виробництва злитків високої чистоти та сировини для виробництва добавок.
• Плазмово-дугове плавлення / Плазмовий вогнище: вакуумні або плазмові системи з контрольованою атмосферою використовуються для виробництва та регенерації сплавів.
• Індукційна плавка черепа (ISM, оплавлення черепа): використовує індукований струм для плавлення металу всередині охолоджуваної водою мідної котушки; тонкий твердий «череп» з металу утворює та захищає розплав від забруднення тигля — корисно для реактивних металів, включаючи титан.
• Холодна топка вогнища / витратний електрод EB або VAR для титанової губки та брухту: дозволяє видаляти високощільні вкраплення і контролювати трампові елементи.
• Порошкове виробництво (газорозпилювальний) для AM: для порошкової металургії та адитивного виробництва, переплавлення та розпилення газу виконуються в інертних атмосферах для отримання сферичних, порошки з низьким вмістом кисню.
• Інвестиційне кастинг: Потрібні керамічні форми (стійкий до 2000 ℃+) і розплавлений титан при 1700–1750 ℃. Висока температура плавлення збільшує вартість форми та тривалість циклу, обмеження кастингу малим, складні компоненти.

Чому вакуум/інертна атмосфера?

• Титан швидко реагує з киснем, азоту і водню при підвищених температурах; ці реакції утворюють фази, стабілізовані киснем/азотом (крихкий), крихкість, і грубе забруднення.
  Танення в вакуум або аргон високої чистоти запобігає цим реакціям і зберігає механічні властивості.

8. Проблеми обробки та пом'якшення

Реактивність і забруднення

• Окислення та азотування: при температурах плавлення титан утворює густу, адгезивні оксиди та нітриди; ці сполуки знижують пластичність і збільшують кількість включень.
  Пом'якшення: розплавити під вакуумом/інертним газом; використовувати плавлення черепа або захисні флюси в спеціалізованих процесах.
• Поглинання водню: викликає пористість і крихкість (утворення гідридів). Пом'якшення: сухі зарядні матеріали, вакуумне плавлення, і контроль атмосфери печі.
• Бродяга елементи (Феод, Куточок, Al, тощо): неконтрольований брухт може ввести елементи, які утворюють крихкі інтерметаліди або змінити діапазон плавлення — використовуйте строгий контроль брухту та аналітичні перевірки (ОЕС).

Питання безпеки

• Розплавлений титан горить: розплавлений титан бурхливо реагує з киснем і може горіти; контакт з водою може спричинити вибухову реакцію пари.
  Для обробки потрібна спеціальна підготовка та суворі процедури, виливання та реагування на надзвичайні ситуації.
• Вибухи пилу: титановий порошок є пірофорним; для обробки металевих порошків потрібне вибухозахищене обладнання, заземлення, та специфічні ЗІЗ.
• Небезпека диму: високотемпературна обробка може виділяти небезпечні пари (пари оксидів і легуючих елементів); використовуйте відведення диму та моніторинг газу.

9. Вимірювання та контроль якості плавлення та затвердіння

• Термічний аналіз (DSC/DTA): диференціальна скануюча калориметрія та аналіз термозатримки точно вимірюють солідус і ліквідус сплавів і підтримують контроль заданих точок розплаву та лиття.
• пірометрія & Термопарки: використовувати відповідні датчики; поправка на коефіцієнт випромінювання та поверхневі оксиди при використанні пірометрів. Термопари повинні бути захищені (вогнетривкі рукава) і відкалібрований.
• Хімічний аналіз: ОЕС (оптична емісійна спектрометрія) і аналізатори LECO/O/N/H необхідні для відстеження кисню, вміст азоту та водню та загальний хімічний склад.
• Неруйнівне тестування: Рентгенівський, ультразвук і металографія для перевірки на наявність включень, пористість і сегрегація.
  Для критичних компонентів, Мікроструктура та механічні випробування відповідають стандартам (ASTM, AMS, ISO).
• Протоколювання процесу: записувати рівень вакууму в печі, профілі температури розплаву, споживана потужність і чистота аргону для підтримки простежуваності та повторюваності.

10. Порівняльний аналіз з іншими металами та сплавами

Дані є типовими промисловими величинами, придатними для технічного порівняння та вибору процесу.

11. Практичні наслідки для проектування, переробка та переробка

• Дизайн: температура плавлення дозволяє використовувати титан у високотемпературних конструкціях, але дизайн повинен враховувати витрати та обмеження з’єднання (зварювання проти механічного кріплення).
• Обробка: плавлення, кастинг, зварювання та виробництво добавок потребують контрольованої атмосфери та ретельного контролю матеріалів.
  Для литих деталей, за потреби використовується вакуумне лиття за виплавленими моделями або відцентрове лиття в інертній атмосфері.
• Переробка: переробка титанового брухту є практичною, але вимагає відокремлення та повторної обробки (Наш, EB) для видалення бродячих елементів і контролю рівня кисню/азоту.

12. Висновок

Температура плавлення титану (1668.0 ° C (≈ 1941.15 K, 3034.4 ° F) для чистого титану) є фундаментальною властивістю, що корениться в його атомній структурі та міцному металевому зв’язку, формуючи його роль як високоефективного інженерного матеріалу.

Чистота, легуючі елементи, і тиск змінюють його поведінку при плавленні, дозволяє розробляти титанові сплави для різноманітних застосувань — від біосумісних медичних імплантатів до високотемпературних аерокосмічних компонентів.

У той час як висока температура плавлення титану створює проблеми з обробкою (що вимагають спеціальних технологій плавлення та зварювання), це також дозволяє працювати в середовищах, де легкі метали (алюміній, магній) провал.

Точне вимірювання точки плавлення (через DSC, лазерний спалах, або методи електричного опору) і чітке розуміння факторів впливу є критичними для оптимізації обробки титану, забезпечення цілісності матеріалу, і максимізація продуктивності.

 

Поширені запитання

Чи значно змінює легування температуру плавлення титану?

Так. Показ титанових сплавів тверді/рідкі діапазони а не однієї точки плавлення.

Деякі сплави плавляться трохи нижче або вище елемента залежно від складу. Використовуйте дані для конкретного сплаву для обробки.

Є титановим магнітом?

Ні. Чистий титан і звичайні титанові сплави не є феромагнітними; вони слабо парамагнітні (дуже низька позитивна магнітна сприйнятливість), тому вони лише незначно притягуються до магнітного поля.

Чи не іржавіє титан?

Ні — титан не «іржавіє» в залізооксидному сенсі. Титан стійкий до корозії, оскільки він швидко утворює тонкий шар, прихильник, самовідновлюваний оксид титану (TiO₂) пасивна плівка, яка захищає метал від подальшого окислення.

Чому титан необхідно плавити у вакуумі або інертному газі?

Оскільки розплавлений титан активно реагує з киснем, азот і водень. Ці реакції утворюють крихкі сполуки та включення, які погіршують механічні властивості.

Які методи плавлення є кращими для аерокосмічного титану?

Аерокосмічний титан високої чистоти зазвичай виробляється Наш (вакуумно-дуговий переплав) або EB (електронний промінь) плавлення контролювати хімізм і включення.

Для адитивного виробництва сировини, Розплавлення EB і розпилення газу в контрольованих атмосферах є поширеними.

Скільки енергії потрібно, щоб розплавити титан?

Приблизна теоретична оцінка (ідеал, без втрат) є ≈1,15 МДж на кг нагрівати 1 кг від 25 °C до рідини при 1668 ° C (використовуючи cp ≈ 520 Дж·кг⁻¹·K⁻¹ і прихована теплота ≈ 297 кДж·кг⁻¹).

Реальне споживання енергії вище через втрати та неефективність обладнання.