Titanium qotishmalari o'zining yuqori kuch-og'irlik nisbati, mukammal korroziyaga chidamliligi va yuqori haroratlarda mexanik xususiyatlarni saqlab turish qobiliyati bilan mashhur bo'lib, aviatsiya, avtomobilsozlik va kimyo sanoatida muhim materiallardir. Ular orasida nominal tarkibi Ti-15Al-6.5Zr-2Mo-1V (og'irligi%) bo'lgan a-a yaqin qotishmasi bo'lgan TA1 titanium qotishmasi o'zining yuqori emirilishga chidamliligi, payvandlanishi va termal barqarorligi bilan ajralib turadi, bu uni samolyot dvigateli qismlari va erostruktiv tizimlar kabi yuqori haroratli ilovalar uchun afzal ko'radi. Shu bilan birga, TA15 ning yuqori haroratli oksidlanish harakati uning ishlashida cheklovchi omil hisoblanadi, chunki oksidlovchi muhitda yuqori haroratga uzoq vaqt ta'sir qilish oksid shkalasi shakllanishiga, kislorodning substratga tarqalishiga va mexanik xususiyatlarning potentsial buzilishiga olib keladi. Oksidlanish mexanizmlarini, kinetikasini va oksidlanish qarshiligini oshirish strategiyalarini tushunish talabchan muhitda qotishma ish faoliyatini optimallashtirish uchun juda muhimdir.

Ushbu maqola TA15 titanium qotishmasining oksidlanish kinetikasini, oksid shkalasi shakllanishini, mikro strukturaviy evolyutsiyasini, mexanik xususiyat o'zgarishlarini va oksidlanish qarshiligini yaxshilash usullarini o'z ichiga olgan yuqori haroratli oksidlanish xatti-harakatlarini har tomonlama o'rganadi. So'nggi ilmiy tadqiqotlarga asoslanib, maqola tadqiqotchilar, muhandislar va materialshunoslar uchun mos bo'lgan batafsil, obro'li hisobotni taqdim etishga qaratilgan. Muhokama alohida bo'limlarga ajratilgan bo'lib, ularning har biri yuqori haroratli oksidlanish sharoitida qotishma harakatining muhim jihatini ko'rib chiqadi va asosiy xulosalarni tushuntirish uchun qiyosiy jadvallar bilan to'ldiriladi.

TA15 titanium qotishmasining oksidlanish kinetikasi

Asosiy tamoyillar

Yuqori haroratlarda titanium qotishmalarining oksidlanishi metall sirtining atrofdagi muhitda kislorod bilan reaksiyasini o'z ichiga oladi, bu oksid shkalasi shakllanishiga va kislorodning substratga tarqalishiga olib keladi. TA15 uchun oksidlanish jarayoni odatda 550 °C dan 850 °C gacha bo'lgan haroratlarda parabolik tezlik qonuniga amal qiladi, bu oksidlanish tezligi o'sib borayotgan oksid qatlami orqali kislorod yoki metall ionlarining tarqalishi bilan boshqarilishini ko'rsatadi. Parabolik tezlik qonuni quyidagicha ifodalanadi:

[ (\Delta m)^2 = k_p t ]

bu erda (\Delta m) - maydon birligiga to'g'ri keladigan massa ortishi (mg/sm²), (k_p) - parabolik tezlik konstantasi (mg²·cm⁻⁴·h⁻¹) va (t) - oksidlanish vaqti (h). Parabolik tezlik konstantasi (k_p) haroratga bog'liq va Arrhenius tenglamasiga amal qiladi:

[ k_p = A \exp\left(-\frac{Q}{RT}\o'ng) ]

bu yerda (A) ko‘rsatkichdan oldingi omil, (Q) aktivlanish energiyasi (kJ/mol), (R) gaz doimiysi (8.314 J/mol·K), (T) mutlaq harorat (K).

Eksperimental kuzatishlar

Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, TA15 oksidlanish kinetikasi harorat bilan sezilarli darajada farq qiladi. 550 °C da parabolik tezlik konstantasi nisbatan past bo'lib, taxminan 6.07 × 10⁻⁴ mg²·sm⁻⁴·h⁻¹ bo'lib, oksidning sekin o'sish tezligini aks ettiradi. Harorat 850 °C ga ko'tarilganda, tezlik konstantasi 4.18 mg²·cm⁻⁴·h⁻¹ ga ko'tariladi, bu tezlashtirilgan oksidlanishni ko'rsatadi. Ushbu harorat oralig'ida oksidlanish uchun faollashuv energiyasi TA299 uchun taxminan 19.9 ± 15 kJ/mol deb baholandi, bu qotishma mikro tuzilishi va tarkibi ta'sirida diffuziya bilan boshqariladigan jarayonni ko'rsatadi.

Oksidlanish paytida massa ortishi dastlab kislorod va metall yuzasi o'rtasidagi to'g'ridan-to'g'ri aloqa tufayli tez bo'lib, nozik oksidli qatlam hosil qiladi. Taxminan 10 soatdan keyin tezlik sekinlashadi, chunki oksid qatlami orqali kislorod tarqalishi tezlikni cheklovchi bosqichga aylanadi. 800 °C haroratda kuchli oksidlanish kuzatiladi, bunda sezilarli massa ortishi va oksid qatlamining tozalanishi kuzatiladi, ayniqsa uzoq muddatli ta'sir qilishdan keyin (masalan, 100 soat), plyonka qalinligi 38 mkm gacha.

Qiyosiy tahlil

TA15 ning oksidlanish harakati uning ish faoliyatini ta'kidlash uchun Ti-6Al-4V kabi boshqa titanium qotishmalari bilan taqqoslanishi mumkin. Ti-6Al-4V, a+b qotishmasi, 800 °C da yuqori oksidlanish tezligini namoyon qiladi, faollashuv energiyasi 199-281 kJ/mol, uning b-transusiga nisbatan haroratga bog'liq. Ti-6Al-4V tarkibida vanadiy mavjudligi TiVO₄ kabi murakkab oksidlarning hosil bo'lishiga yordam beradi, bu esa shkalaning yopishishini kamaytirishi mumkin. Bundan farqli o'laroq, TA15 ning a ga yaqin tarkibi pastroq b-stabillashtiruvchi elementlarga ega bo'lib, o'rtacha haroratlarda (500–700 °C) oksidlanish qarshiligini oshirib, yanada barqaror Al₂O₃ va TiO₂ qatlamlarining shakllanishiga yordam beradi.

1-jadval: TA15 va Ti-6Al-4V ning turli haroratlarda oksidlanish kinetikasi

Manbalar:,

Oksid shkalasining shakllanishi va tuzilishi

Tarkibi va morfologiyasi

Yuqori haroratli oksidlanish jarayonida TA15 da hosil bo'lgan oksid shkalasi ko'p qatlamli bo'lib, odatda Al₂O₃ va TiO₂ ni o'z ichiga oladi, past haroratlarda oz miqdorda Ti₂O₃ va TiO ni o'z ichiga oladi. Strukturani Al₂O₃+TiO₂/TiO₂/Al₂O₃+TiO₂/substrat deb ta’riflash mumkin. Tashqi qatlam asosan TiO₂ (rutil faza) bo'lib, u zich va yuqori haroratlarda barqaror, ichki qatlamda esa shkalaning yopishishini kuchaytiruvchi va kislorod tarqalishini kamaytiradigan Al₂O₃ mavjud. TA15 tarkibida alyuminiyning mavjudligi (6.5 og'irlik%), ayniqsa, 700 ° C dan past haroratlarda himoya Al₂O₃ hosil bo'lishiga yordam beradi.

Skanerli elektron mikroskop (SEM) va rentgen nurlari diffraktsiyasi (XRD) tahlillari shuni ko'rsatadiki, 500 ° C da oksid qatlami yupqa (0.03 soatdan keyin taxminan 1 mkm) va Ti₆O hosil bo'lishi sababli ko'k rangli sirtni namoyon qiladi. 800 °C da oksid qatlami sezilarli darajada qalinlashadi, 10.8 soatdan keyin 50 mkm ga etadi va yorilish va qobiq belgilarini ko'rsatadi, bu termal kengayishning mos kelmasligi va qalin TiO₂ shkalalarining mo'rt tabiati bilan bog'liq.

Mikrostruktura evolyutsiyasi

Oksid shkalasining mikro tuzilishi harorat va vaqt bilan rivojlanadi. 500 ° C da shkala minimal nuqsonlar bilan bir xil bo'lib, substrat sayoz issiqlik ta'sir qiladigan zonani ko'rsatadi. 800 °C da takroriy oksidlanish va peeling davrlari substratda don o'sishiga va b-faza nisbatining pasayishiga olib keladi, chunki kislorod a-fazani barqarorlashtiradi. Oksid shkalasi ostida kislorod diffuziya zonasi yoki a-holat hosil bo'lib, sirt qattiqligini oshiradi, lekin egiluvchanlikni pasaytiradi.

Energiya-dispersiv rentgen spektroskopiyasi (EDS) a-holda substratdan ko'ra yuqori kislorod konsentratsiyasiga ega ekanligini ko'rsatadi, bu uning mo'rtlashishiga yordam beradi. Kesimli tasvirlar 800 ° C da oksid shkalasi g'ovaklik va yoriqlar paydo bo'lishini ko'rsatadi, ular kislorodning kirib borishi uchun yo'l vazifasini bajaradi, oksidlanishni tezlashtiradi.

2-jadval: Turli sharoitlarda TA15 uchun oksid shkalasi tarkibi va qalinligi

Manba:,

Oksidlanish tufayli mexanik xususiyatning o'zgarishi

Yuzaki qattiqlik

Yuqori haroratli oksidlanish TA15 ning mexanik xususiyatlarini, ayniqsa sirt qattiqligini sezilarli darajada o'zgartiradi. Oksid shkalasi va a-xol hosil bo'lishi Vickers mikroqattiqligini oshiradi, bu qiymatlar oksidlanmagan TA360 uchun 150 ± 15 HV₀.₀₅ dan 1000 °C da oksidlanishdan keyin 150 ± 900 HV₀.₀₅ gacha ko'tariladi. Bu o'sish a-holda qattiq TiO₂ qatlami va kislorod bilan induktsiyalangan qattiq eritmaning mustahkamlanishi bilan bog'liq.

Chidamlilik va egiluvchanlik

Qattiqlik ortib borayotgan bo'lsa, valentlik kuchi va süneklik, ayniqsa 800 ° C va undan yuqori haroratlarda salbiy ta'sir ko'rsatadi. Qalin oksidli qatlamlarning tozalanishi kuchlanish sinovi paytida samarali tasavvurlar maydonini pasaytiradi, bu esa yakuniy tortishish kuchining sezilarli darajada pasayishiga olib keladi (uzoq muddatli oksidlanishdan keyin 987 ° C da 810 MPa dan 389 ° C da 650 MPa gacha). Mo'rt a-g'ilof, shuningdek, yoriqlar paydo bo'lishiga yordam beradi, issiqlik bilan ishlov berilgan namunalardagi cho'zilishni 17.78% dan kuchli oksidlangan namunalarda 5% dan kamroqgacha kamaytiradi.

Charchoq va aşınma qarshilik

Oksidlanish TA15 ning charchoqqa ta'sir qiladi, chunki mo'rt oksid qatlami va a-holati yoriqlar tarqalishiga moyillikni oshiradi. Shunga o'xshash qotishmalar (masalan, TC17) bo'yicha tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, TA15da yuqori haroratda charchoqning buzilishi egiluvchan yoriqlar va mahalliy mo'rt hududlar bilan aralash rejimlarni ko'rsatishi mumkin. Aşınma qarshilik ham buziladi, chunki qo'pol, yorilib ketgan oksid yuzasi surma sharoitida ishqalanish va material yo'qotilishini oshiradi.

3-jadval: Oksidlanishdan keyin TA15 ning mexanik xususiyatlarining o'zgarishi

Manbalar:,

Yuzaki ishlov berishning oksidlanish xulq-atvoriga ta'siri

Mexanik silliqlash va lazerli tozalash

Sirtni tayyorlash TA15 ning oksidlanish harakatiga sezilarli ta'sir qiladi. Silikon karbid (SiC) qog'ozi bilan mexanik silliqlash tabiiy oksidli plyonkani olib tashlaydi, ammo lazer bilan tozalashga (Ra ≈ 1.2 mkm) nisbatan qo'polroq sirtga (Ra ≈ 0.5 mkm) olib keladi. Nanosoniyali impulsli lazer yordamida lazerni tozalash qayta oksidlanishda yupqaroq, zichroq oksidli qatlam hosil qiladi, bu oksidlanish tezligini 20 °C da mexanik tuproqli sirtlarga nisbatan taxminan 800% ga kamaytiradi. Silliqroq sirt kislorod tarqalishi uchun nuqsonli joylarni kamaytiradi, oksidlanish qarshiligini oshiradi.

Ultrasonik mustahkamlash silliqlash jarayoni (USGP)

Ultrasonik mustahkamlovchi silliqlash jarayoni (USGP) TA15 yuzasiga a-Al₂O₃ va keramik sharlar bilan ta'sir qilishni o'z ichiga oladi, sirt siqish kuchlanishini va donni tozalashni keltirib chiqaradi. 700 soat davomida 80 °C da oksidlangan USGP bilan ishlov berilgan namunalar ishlov berilmagan namunalarga nisbatan massa ortishining 60.9% ga va oksid qatlami qalinligining 76.2% ga kamayganligini ko'rsatadi. Yaxshilangan qarshilik a-Al₂O₃ zarrachalarining yopishishi va himoya to'siqni hosil qiluvchi sirtdagi fazali o'tishlarga bog'liq.

Alyuminiy qoplamali issiq izostatik presslash (HIP).

Issiq daldırma alyuminiy qoplamali TA15 ning issiq izostatik presslashi (HIP) qoplama-substrat interfeysida TixAly intermetalik birikmalarini hosil qilish orqali oksidlanish qarshiligini oshiradi. HIP g'ovaklik va segregatsiya kabi qoplama nuqsonlarini yo'q qiladi, kislorod kirishini kamaytiradi. Mikroqattiqlik sinovlari shuni ko'rsatadiki, HIP bilan ishlov berilgan qoplamalar 600 °C da oksidlanishdan keyin barqaror qattiqlikni (≈800 HV) saqlaydi, ishlov berilmagan oksidlangan yuzalar uchun 800 HV bilan solishtirganda, sirt barqarorligi yaxshilanganligini ko'rsatadi.

4-jadval: TA15 ning 800 °C da oksidlanish harakatida yuzaki ishlov berishning ta'siri

Manbalar:,,

Oksidlanish qarshiligini oshirish strategiyalari

Qotishma modifikatsiyalari

TA15 ni niobiy (Nb), molibden (Mo) yoki itriy (Y) kabi elementlar bilan qotishma oksidlanish qarshiligini oshirishi mumkin. Nb oksid-substrat interfeysida azotga boy qatlam hosil bo'lishiga yordam beradi, kislorod tarqalishini sekinlashtiradi. Ti-6Al-4V da o'rganilgan itriy oksidi (Y₂O₃) qo'shimchalari 30 °C da oksid qatlami qalinligini 40-800% ga kamaytiradi, bu TA15 uchun potentsial foydani ko'rsatadi. Biroq, ortiqcha Nb (>% 15) TiNb₂O₇ kabi kamroq himoya oksidlarini hosil qilishi mumkin, bu esa kompozitsiyani diqqat bilan optimallashtirishni talab qiladi.

Yuzaki qoplamalar

Al₂O₃ yoki NiCr₂O₄ kabi himoya qoplamalarini plazma purkash yoki ikki marta porlashi plazma sirtini qotishma orqali qo'llash oksidlanish qarshiligini sezilarli darajada oshiradi. Masalan, Ti₂AlNb qotishmalaridagi xromlangan (Cr) va nikel-xromlangan (Ni-Cr) qoplamalar 50 K da massa o'sishini 1093% ga kamaytiradi, bu TA15 uchun qo'llaniladigan strategiya. Ushbu qoplamalar kislorod tarqalishini inhibe qiluvchi zich, doimiy oksid tarozilarini hosil qiladi.

Lazer zarbasi (LSP)

Lazer zarbasi bilan ishlov berish kompressiv qoldiq stresslarni va donni tozalashni keltirib chiqaradi, nuqson joylarini kamaytirish orqali oksidlanishga chidamliligini oshiradi. LSP bilan ishlov berilgan Ti₂AlNb qotishmalari nozikroq donalar va yuqori mikroqattiqlik ko'rsatadi, bu esa shunga o'xshash muolajalar oksid shkalasini barqarorlashtirish va spallatsiyani kamaytirish orqali TA15 ga foyda keltirishi mumkinligini ko'rsatadi.

Oksidlanish xulq-atvorini modellashtirish va simulyatsiya qilish

Cheklangan farqli vaqt-domen (FDTD) simulyatsiyasi

FDTD simulyatsiyalari oksidlangan TA15 sirtlarining infraqizil emissiyasini modellashtirish uchun ishlatilgan, bu oksid plyonkasi tuzilishining radiatsiyaviy xususiyatlarga qo'shgan hissasini ochib beradi. Simulyatsiyalar to'lqin uzunligi 8 mkm dan past bo'lgan normal spektral emissiyani aniq bashorat qiladi, bu esa emissiya 0.18 mkm oksid qalinligida 0.3 dan 0.67 mkm da 38 gacha oshishini ko'rsatadi. Ushbu modellar aerokosmik ilovalarda oksidning qalinligini termal ishlash bilan bog'lashda yordam beradi.

Mashinani o'rganish yondashuvlari

Ti-V-Cr kabi titanium qotishmalarida oksidlanish qarshiligini bashorat qilish uchun gradientni kuchaytiruvchi qaror daraxtlari (GBDT) va eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) kabi mashinani o'rganish modellari qo'llanilgan. Parabolik tezlik konstantalarini yuqori aniqlik bilan bashorat qilish uchun harorat, qotishma tarkibi va oksidlanish vaqti kabi xususiyatlardan foydalangan holda TA15 uchun shunga o'xshash modellar ishlab chiqilishi mumkin (R² ≈ 0.98). Ushbu modellar qotishma elementlarning va ishlov berish sharoitlarining oksidlanish xatti-harakatlariga ta'siri haqida tushuncha beradi.

Aerokosmik sohasidagi ilovalar va cheklovlar

Aerokosmik ilovalar

TA15 ning yuqori siljish qarshiligi va termal barqarorligi uni 500–600 °C haroratda ishlaydigan reaktiv dvigatellarda kompressor pichoqlari, turbinali disklar va tarkibiy qismlar uchun ideal qiladi. Ushbu haroratlarda o'rtacha oksidlanish qarshiligi qisqa muddatli yuqori harorat ta'sirida, masalan, uchish va qo'nish davrlarida ishonchli ishlashni ta'minlaydi. Qotishmaning payvandlanishi ham murakkab yig'ilishlarni ishlab chiqarishni osonlashtiradi.

Yuqori haroratlarda cheklovlar

700 °C dan yuqori haroratda TA15 ning oksidlanish qarshiligi yomonlashadi, oksidning tez o'sishi va spallatsiyasi uning xizmat muddatini cheklaydi. Mo'rt a-g'ilofning hosil bo'lishi charchoq muddatini qisqartiradi va yoriqlar paydo bo'lish xavfini oshiradi, bu esa dvigatelning issiqroq qismlarida qo'llanilishi uchun qiyinchiliklar tug'diradi. Yuzaki ishlov berish va qoplamalar qotishma ish harorati oralig'ini kengaytirish uchun juda muhimdir.

Kelajakdagi tadqiqot yo'nalishlari

TA15 bo'yicha kelajakdagi tadqiqotlar quyidagilarga qaratilishi kerak:

1. Kengaytirilgan qoplamalar: Yaxshilangan termal barqarorlik va yopishqoqlikka ega nanostrukturali qoplamalarni ishlab chiqish.

2. Qotishmalarni optimallashtirish: Bir nechta qotishma elementlarning (masalan, Nb, Y, Si) oksidlanish qarshiligiga sinergetik ta'sirini o'rganish.

3. Izotermik bo'lmagan oksidlanish: Dvigatelning haqiqiy sharoitlarini simulyatsiya qilish uchun izotermik bo'lmagan oksidlanish xatti-harakatlarini o'rganish.

4. Mashina o'rganish integratsiyasi: Uzoq muddatli oksidlanish xatti-harakatlarini bashorat qilish va qotishma dizaynini boshqarish uchun mashinani o'rganish modellarini kengaytirish.

5. Gibrid ishlov berish: Birlashtirish yuzasi davolashOksidlanish qarshiligida sinergik yaxshilanishlarga erishish uchun LSP va HIP kabi.

Xulosa

TA15 titanium qotishmasining yuqori haroratli oksidlanish harakati kinetik, oksid shkalasi shakllanishi, mikrostruktura o'zgarishlari va mexanik xususiyat evolyutsiyasining murakkab o'zaro ta'siridir. TA15 500-600 °C da yaxshi oksidlanish qarshiligini ko'rsatsa-da, 700 °C dan yuqori kuchli oksidlanish ish faoliyatini yaxshilash uchun ilg'or sirt ishlov berish va qotishma strategiyalarini talab qiladi. Batafsil eksperimental tadqiqotlar va modellashtirish orqali tadqiqotchilar oksidlanishni boshqaruvchi mexanizmlarni aniqladilar, bu esa aerokosmik va undan tashqarida optimallashtirilgan ilovalarga yo'l ochdi. Qoplamalar, qotishma dizayni va bashoratli modellashtirish sohasidagi davom etayotgan yutuqlar TA15 ning yuqori haroratli muhitda foydalanish imkoniyatlarini yanada kengaytiradi va uning zamonaviy muhandislikdagi asosiy material sifatidagi rolini ta'minlaydi.

Qayta chop etish bayonoti: Agar maxsus ko'rsatmalar bo'lmasa, ushbu saytdagi barcha maqolalar asl nusxadir. Qayta chop etish uchun manbani ko'rsating: https: //www.cncmachiningptj.com/，tashakkur！

PTJ® Custom Precision-ning to'liq spektrini taqdim etadi cnc ishlov berish chinni xizmatlari.ISO 9001: 2015 va AS-9100 sertifikati. 3, 4 va 5 o'qli tezkor aniqlik CNC ishlov berish xizmatlar, shu jumladan frezalash, mijozlarning talablariga javob berish, +/- 0.005 mm bardoshlik bilan metall va plastmassa bilan ishlov beriladigan qismlar. Ikkinchi xizmatlarga CNC va an'anaviy silliqlash, burg'ulash,o'lib ketish,varaqli metall va shtamplash.Prototiplarni taqdim etish, to'liq ishlab chiqarish, texnik ko'mak va to'liq tekshiruv avtomobil, aviatsiya, qolip va armatura, yoritilgan yorug'lik,tibbiy, velosiped va iste'molchi electronics tarmoqlar. O'z vaqtida yetkazib berish. Loyihangiz byudjeti va kutilayotgan yetkazib berish muddati haqida bizga bir oz aytib bering. Maqsadingizga erishishingizga yordam beradigan eng tejamkor xizmatlarni taqdim etish uchun siz bilan strategiya tuzamiz, biz bilan bog'lanishga xush kelibsiz ( sales@pintejin.com ) to'g'ridan-to'g'ri yangi loyihangiz uchun.