Характеристика титана по плану: характеристика титана пожалуйста срочно — Школьные Знания.com

Контактное давление Расчетное значение имеет одинаковое значение (690, 870 и 1031 МПа) для обоих сплавов при приложенных нагрузках, соответственно, и альтернативной скорости движения.

3.2.3. Характеристики износа

Объемная скорость износа (таблица 6) была рассчитана с использованием механического профилометра. Шарик из стали 100Х6 производил шлифование с поверхности образца; то есть на поверхности произошел абразивный износ, что показано на рисунках 18 и 19. Объемный износ был определен как 5,45 × 10 ⁻³ , 9,53 × 10 ⁻³ и 12,08 × 10 ⁻³ мм ³ N ⁻¹ · мм ⁻¹ для Ti-6Al-4V и 5,48 × 10 ⁻³ , 9.64 × 10 ⁻³ и 13,12 × 10 ⁻³ при скорости скольжения 1 мм · с ⁻¹ под нагрузкой 3, 6 и 10 Н, соответственно, для Ti-6Al-7Nb. Наконец, объемный износ был одинаковым (сходящиеся значения) для обеих скоростей скольжения 15 мм · с ⁻¹ и 25 мм · с ⁻¹ между 22,06 × 10 ⁻³ и 57 × 10 ⁻³ . мм ³ N ⁻¹ · мм ⁻¹ для обоих образцов. В таблице 6 представлены зависимости объема износа исследованных сплавов от скорости скольжения. Данные объемного износа показывают, что потеря объема, независимо от состава и микроструктуры сплава, увеличивается с увеличением скорости скольжения.

4. Обсуждение

4.1. Поведение на трение

Результаты испытаний на твердость показывают, что сплав Ti-6Al-4V характеризуется более высокой твердостью, чем Ti-6Al-7Nb. Ранее сообщалось о зависимости между характеристиками износа и твердостью, и было замечено, что величина износа снижается с увеличением твердости [27]. При оценке свойств титанового сплава по параметрам, полученным по глубине вдавливания, было обнаружено, что глубина уменьшается с увеличением содержания примесей [27].Изменение значения глубины вызвано влиянием предела текучести [28] и напряжения течения [29]. Различия в потере веса и характеристиках изношенной поверхности между тремя металлами можно частично объяснить различиями в твердости и процессе деформации, связанными с микроструктурными характеристиками. Кроме того, на характеристики износа материала влияют и другие факторы. Частицы износа влияют на механизм повреждения поверхности [30], и состояние поверхности, как сообщается, оказывает влияние на характеристики износа сплавов биоматериалов [31].Для определения фазового состава титановые сплавы подвергали рентгеноструктурному анализу с использованием излучения CuK α . Подтверждено наличие обеих фаз и, причем в основном появлялись пики, соответствующие фазе (гексагональная закрытая упаковка) и фазе (объемно-центрированная кубическая) [32, 33]. Микроструктура сплава Ti-6Al-7Nb демонстрирует уточненную двухфазную структуру α , состоящую из игольчатой ​​фазы α в первичных зернах. Считается, что прочность сплава проистекает из этой усовершенствованной структуры.

4.2. Поведение при износе

Результаты объемных потерь изнашивания исследуемых сплавов представлены в таблице 6 с использованием функции скорости скольжения. Данные объемного износа показывают, что потеря объема, независимо от состава и микроструктуры сплава, увеличивается с увеличением скорости скольжения. Износостойкость сплава Ti-6Al-4V выше, чем у сплава Ti-6Al-7Nb. Как видно из рисунка 8, потеря веса Ti-6Al-4V ниже, чем у сплава Ti-6Al-7Nb.

Согласно закону Арчарда, объемные потери материала обратно пропорциональны значению твердости материала [24]. Это означает, что чем выше твердость материала, тем меньше потеря объема. Настоящие сплавы демонстрируют значительную разницу в значениях твердости, так что экспериментальные данные об износе при скольжении хорошо коррелируют с законом Арчарда.

Более того, его износ существенно увеличивается с увеличением скорости скольжения. Было замечено, например, что при скорости скольжения 25 мм · с ^-1 износ сплава Ti-6Al-7Nb составляет около, в то время как (мм ³ N ^-1 · мм ⁻¹ ) наблюдается износостойкость сплава Ti-6Al-4V.При более высоких скоростях скольжения разница в потерях на износ еще больше. Это можно объяснить тем, что с увеличением скорости скольжения окислительный износ уменьшается из-за сокращения времени, доступного для бесконтактного окисления [34]. Окислительный износ характеризуется образованием островков оксида на поверхности, которые непрерывно образуются и стираются. Если оксидные отложения на изношенной поверхности недостаточно поддерживаются лежащим под ним деформационно-упрочненным материалом и не прилипают к подложке, они имеют тенденцию к непрерывному дроблению.Следовательно, они не являются защитными, и в результате возникает серьезный износ. Поскольку поверхность неподвижных образцов в настоящем исследовании находится в постоянном контакте, одной из причин плохой износостойкости исследуемых сплавов является их неспособность образовывать защитный оксидный слой при износе. Хотя сплавы на основе Ti, подвергающиеся воздействию окислительной среды, быстро образуют оксидный слой на поверхности из-за их высокой реакционной способности, его последующее удаление во время скользящего контакта является причиной взаимодействия между поверхностями трибологической пары.Влияние скорости скольжения на потерю веса всех материалов представлено на рисунке 8. Расчетные значения скорости износа показывают, что при любой скорости скольжения скорости износа Ti-6Al-7Nb, Ti-6Al-4V и керамических сплавов равны в порядке убывания.

Морфологический анализ следов износа подтверждает вышеуказанные результаты. Микрофотографии SEM, представленные на рисунках 18 и 19, показывают типичную морфологию изношенной поверхности образцов, испытанных при самой низкой и самой высокой скорости скольжения. Морфология образцов, изношенных при промежуточной скорости скольжения, не показана, поскольку они показывают промежуточные характеристики между этими двумя крайними значениями.На изношенных поверхностях обоих сплавов на всех испытанных образцах можно обнаружить признаки абразивного износа.

Сплошные следы скольжения с пластически деформированными канавками и выступами видны на следах износа независимо от скорости скольжения. Однако степень пластической деформации или «вспашки» оказывается меньше в случае сплава Ti-6Al-7Nb (Рисунки 19 (a) и 19 (b)). Слои с последовательными пластическими деформациями относительно гладкие при всех оцененных скоростях (рис. 19). Наблюдаются только неглубокие канавки износа, возникшие в результате проникновения твердых жестких абразивов и последующего царапания поверхности образца пропитанными абразивами.Глубина проплавления зависит от относительной твердости абразива по отношению к твердости поверхности образца. Поскольку твердость сплава Ti-6Al-4V выше, чем твердость сплава Ti-6Al-7Nb, ожидается, что глубина проникновения абразива в поверхность Ti-6Al-4V будет меньше. Это приводит к меньшему удалению материала с поверхности из-за вспашки и меньшей степени пластического течения в случае Ti-6Al-4V. Таким образом, сплав Ti-6Al-4V демонстрирует значительно меньшую скорость износа по сравнению со сплавом Ti-6Al-7Nb.

Исследование SEM также показывает, что в этих сплавах действуют по крайней мере два механизма износа. Наличие хлопьев, удаленных с контактной поверхности в результате отслоения материала, убедительно свидетельствует о наличии адгезионного износа. Во время скольжения контактные неровности испытывают постепенную пластическую деформацию, которая накапливается при повторных контактах [35]. Когда достигается критическое значение накопленной пластической деформации, трещины зарождаются под поверхностью и распространяются параллельно поверхности.Как следствие, хлопья материала отделяются от поверхности за счет прилипания к ответной части. Часть перенесенного материала теряется, но часть повторно встраивается и размазывается по контактной поверхности. В этой теории расслоения [35], последовательно обсуждаемой и реализуемой многими авторами, предполагается, что критическая пластическая деформация определяется пластичностью материала. Титан и его сплавы химически активны и обладают высокой пластичностью, что обуславливает сильную тенденцию к адгезии [36].Следовательно, адгезионная прочность образующихся переходов обычно намного выше, чем прочность сплава Ti, и такие переходы будут разрушаться в пределах более слабых неровностей Ti, что составляет множество кратеров на изношенной поверхности сплава Ti. Удаление материалов за счет адгезии связано с большими потерями на износ, и, по-видимому, скорость износа определяется вкладом адгезионного износа в общий износ.

СЭМ-микрофотографии, представленные на рисунке 19, показывают изношенные поверхности сплава Ti-6Al-7Nb.Очевидно, что разрушение происходит в гораздо большем масштабе и что с поверхности удаляются крупные чешуйки. При детальном исследовании отслоившихся участков обнаруживаются гребни и трещины, перпендикулярные направлению скольжения. Смазанные участки также можно легко обнаружить на изношенных поверхностях. Эти особенности указывают на то, что износ происходит преимущественно за счет адгезии. В этом случае адгезия перекрывает истирание и ускоряет износ сплава Ti-6Al-7Nb. Возникновение расслоения более заметно, когда испытания на износ проводятся при более высоких скоростях скольжения (Рисунки 19 (e) и 19 (f)).Такое же поведение наблюдали Manivasagam et al. [37].

Другим фактором, способствующим наблюдаемому износу, может быть деформационное упрочнение. А именно, процессы скользящего износа пластичных материалов могут вызывать большие пластические деформации в слоях материала, прилегающих к контактным поверхностям [38, 39].

5. Выводы

Износостойкие характеристики высокопрочных сплавов Ti-6Al-7Nb и Ti-6Al-4V были оценены в испытании на износ, моделирующем трение для полного протеза бедра.Испытания на трение и износостойкость были проведены в окружающем воздухе с помощью колебательного триботестера в соответствии со стандартами ISO 7148, ASTM G99-95a и ASTM G133-95. С одной стороны, были проведены испытания на трение и износ, чтобы увидеть тип износа и количественно оценить потерю веса, а с другой стороны, чтобы увидеть изменение коэффициента трения исследуемых пар в различных условиях. Были получены следующие наблюдения и выводы: (1) Износостойкость сплавов Ti-6Al-7Nb с двухфазной микроструктурой существенно ниже, чем у сплава Ti-6Al-4V с более высокой твердостью, испытанного в тех же условиях испытаний.Наименьшая степень износа у Ti-6Al-4V с самой высокой твердостью. (2) Коэффициент трения обоих сплавов увеличивается с увеличением скорости скольжения. Однако сплав Ti-6Al-7Nb не показывает значительного изменения коэффициента трения при изменении скорости скольжения, тогда как в случае сплава Ti-6Al-4V коэффициент сплава Ti-6Al-4V линейно увеличивается с увеличением скорости скольжения. Такое поведение можно отнести к преобладающему механизму износа. (3) Два сплава Ti имели схожие характеристики трения и износа, хотя их зеренная структура и состав различались.(4) Произошли большие колебания трения, вероятно, в результате образования и периодического локализованного разрушения переходного слоя. (5) Более высокий коэффициент трения с более отчетливыми колебаниями значений и более высокая скорость износа наблюдались при более высоком уровне износа сайдинга. (6) Для обоих исследованных сплавов и во всех исследованных условиях коэффициент трения сначала уменьшается, а затем увеличивается в зависимости от расстояния скольжения. Изменение коэффициента трения связано с составом изношенных поверхностей. (7) Механизм износа из сплава Ti-6Al-4V трансформируется от износа вспашки и отслаивания при низких скоростях скольжения до пластической деформации и адгезионного износа на повышенной скорости. (8) Потеря веса, которая количественно определяет износ мягкого тела, скользящего по нему. твердая поверхность пропорциональна не только расстоянию от скольжения, но и приложенной нормальной нагрузке. (9) Скорость скольжения имеет принципиальное влияние на температуру зоны контакта. При выходе за пределы критической скорости происходит плавление поверхности самого легкоплавкого тела.(10) Повышение температуры зоны контакта с увеличением скорости скольжения вызывает структурные преобразования и увеличивает реакционную способность контактных поверхностей по отношению к окружающей среде, то есть окисление в присутствии воздуха. Выше определенной температуры и, следовательно, для скоростей скольжения, превышающих предел разрушения, оксидная пленка, возникающая в результате постоянного окисления, восстанавливается вместе с мехом, поскольку он разрушается в результате износа.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Выражение признательности

Эта работа была выполнена в сотрудничестве с лабораторией MSMP Материалов и обрабатывающих материалов, Art et Métiers Paris tech-Lille France. Авторы выражают благодарность директору лаборатории за любезно предоставленные стержни из металла TiAlV и бедренный стержень из TiAlNb. Авторы также благодарны профессору ALAIN IOST за разрешение на использование сканирующего электронного микроскопа и триботестера.

Механистическая основа чувствительности титана к кислороду

ВВЕДЕНИЕ

Титановые сплавы обладают рядом очень желаемых свойств, включая превосходную коррозионную стойкость и высокую удельную прочность, что делает их привлекательными конструкционными материалами для широкого круга коммерческих применений.Внедрение атомов внедрения, намеренно или естественным образом, оказывает сильное влияние на механические свойства титана ( 1 , 2 ). Среди различных видов используемых примесей внедрения кислород является наиболее широко применяемым в сплавах на основе титана, чтобы использовать мощный упрочняющий эффект для различных применений ( 2 — 4 ). Неотъемлемой проблемой при дальнейшем расширении использования титановых сплавов, например, для облегчения веса в автомобилях, является их высокая стоимость.Расходы на титан частично связаны с требованиями строгого контроля содержания примесей внедрения при их обработке и производстве. Эти требования возникают из-за сильной чувствительности к кислороду механических свойств гексагонального плотноупакованного (ГПУ) α-титана, особенно из-за неблагоприятного воздействия на пластичность и вязкость разрушения ( 3 , 5 — 10 ). Например, увеличение концентрации кислорода на ~ 0,2 атомных% (ат.%) Приводит к многократному увеличению предела текучести, но еще большему снижению пластичности и вязкости ( 6 , 7 , 11 ). Несмотря на хорошо задокументированные эффекты охрупчивания межузельных примесей в α-Ti ( 5 , 11 , 12 ), механистическое происхождение этой аномальной чувствительности к кислороду в отношении механических свойств не было ясно понято, что ограничивает усилия в сплаве. стратегии проектирования и обработки.

Документально подтверждено, что «волнообразный» переход дислокационных структур происходит с увеличением содержания кислорода в титане ( 9 ). На микроскопическом уровне плоское скольжение характеризуется более организованной дислокационной структурой, локализованной в области ограниченных плоскостей, в то время как волнообразное скольжение характеризуется более равномерно распределенной и разнонаправленной конфигурацией дислокаций.Сообщалось, что образование плоского скольжения ухудшает различные механические свойства α-Ti, включая формуемость ( 3 ), вязкость разрушения ( 13 ) и способность к деформационному упрочнению ( 5 ). Волнообразно-плоский переход также наблюдался в сплавах Ti-Al с замещением, где этот переход предполагается как следствие химического ближнего упорядочения (SRO) атомов алюминия ( 13 — 15 ). В сплавах Ti-Al растворенные вещества алюминия являются замещающими, и поэтому ведущая дислокация приводит к нарушению SRO и последовательному движению дислокаций по «размягченной» плоскости скольжения.Эта теория подтверждается косвенными доказательствами, такими как ведущие пары дислокаций, возникающие в результате создания диффузной противофазной границы (DAPB) ( 16 — 18 ), а также прямая характеристика структур SRO с помощью нейтронографии ( 19 ). ) и просвечивающая электронная микроскопия с фильтром энергии (ТЕМ) ( 20 ). Аналогичным образом была выдвинута гипотеза, что образование SRO в сплавах Ti-O может быть ответственно за склонность к скольжению плоских дислокаций при более высоких концентрациях кислорода ( 9 ).Однако гораздо более низкая концентрация растворенных атомов в сплавах Ti-O по сравнению со сплавами Ti-Al ставит под сомнение две ситуации, имеющие одно и то же механистическое происхождение.

В данном исследовании мы провели систематическое многомасштабное исследование механических свойств и микроструктур деформации с учетом концентрации внедрения, скорости деформации и температуры деформации с целью выявить природу планарности скольжения, связанной с более высоким содержанием кислорода. В сочетании с явными доказательствами пагубной склонности активностей двойникования {11-24} мы обнаружили, что заметная чувствительность к кислороду в титане может быть связана с переходами как в поведении дислокаций, так и в активности двойникования.Атомистическое происхождение переходов обсуждается в свете моделирования теории функционала плотности (DFT) и молекулярной динамики (MD), что дает представление о конструкции титановых сплавов, толерантных к внедрению.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Механические свойства и характер разрушения

Механическое поведение трех модельных сплавов, а именно чистого Ti [0,05 вес.% (Вес.%) (0,15 ат.%) Кислорода], Ti-0,1O [0,10 вес. % (0,31 ат.%) Кислорода] и Ti-0,3O [0,30 мас.% (0,88 ат.%) Кислорода], оценивали при высокой температуре (~ 500 K), комнатной температуре (~ 300 K) и криогенной температуре (~ 100 K) посредством испытаний на одноосное растяжение со скоростью деформации 10 ⁻³ с ⁻¹ .Типичные инженерные кривые напряжение-деформация для двух более низких температурных режимов показаны на рис. 1A. Как показано на графиках, небольшое изменение содержания кислорода привело к заметным изменениям механических свойств сплавов Ti-O как при комнатной, так и при криогенных температурах. В частности, при комнатной температуре (красные линии на рис. 1А) увеличение содержания кислорода (с 0,05 до 0,30 мас.%) Привело к увеличению предела текучести сплавов Ti-O с 156 до 472 МПа при заметной стоимости. пластичности (общее удлинение уменьшилось с 48 до 16%).Для сравнения, кислородная зависимость механических свойств сплавов Ti-O при криогенной температуре была еще более острой (синие линии на рис. 1А). При понижении температуры деформации в чистом Ti было выявлено одновременное улучшение предела текучести и пластичности по сравнению с его аналогом при комнатной температуре. Аналогичное явление было обнаружено и в сплаве Ti-0,1O. Однако в сплаве Ti-0,3O, несмотря на впечатляющий предел текучести ~ 1 ГПа, материал демонстрировал преждевременное разрушение вскоре после текучести с полученным общим удлинением только ~ 4%.Катастрофическое разрушение сплава Ti-0,3O при низкой температуре свидетельствует о том, что препятствует его применению в криогенных условиях.

( A ) Типичные инженерные кривые напряжения-деформации для трех сплавов со скоростью деформации 10 ^-3 с ^-1 . ( B ) Соответствующие кривые истинное напряжение-истинная деформация (сплошные линии) и кривые скорости деформационного упрочнения (символы) для трех сплавов. ( C ) Томография разрушения чистого Ti при комнатной температуре. ( D ) Томография разрушения чистого Ti при криогенной температуре. ( E ) Томография разрушения Ti-0,3O при криогенной температуре.

Заметные изменения механических свойств, особенно пластичности при растяжении, сплавов Ti-O с температурой деформации или содержанием кислорода можно увидеть в эволюции способности к деформационному упрочнению, как показано на рис. 1B. При комнатной температуре способность к деформационному упрочнению непрерывно снижалась с увеличением содержания кислорода, что приводило к постепенной потере пластичности сплавов Ti-O.В чистом Ti на кривых скорости деформационного упрочнения наблюдалась стадия плато, тогда как в сплавах Ti-0,1O и Ti-0,3O было обнаружено монотонное уменьшение скорости деформационного упрочнения с продолжающейся деформацией. При криогенной температуре чистый Ti и Ti-0,1O показали отличные и почти одинаковые скорости деформационного упрочнения (что демонстрируется длинной стадией плато на кривых скорости деформационного упрочнения), причем оба значения были намного выше, чем у их аналогов при комнатной температуре. . Это говорит о склонности к деформационному двойникованию при более низких температурах с низким содержанием кислорода.Однако в сплаве Ti-0,3O скорость деформационного упрочнения быстро упала до нуля, что означает существенный переход в механизмах деформации, вызванный как содержанием кислорода, так и температурой деформации.

Сильное влияние содержания кислорода на механические свойства сплавов Ti-O при различных температурах деформации также отражается на томографии разрушения (рис. 1, C – E). В чистом Ti, деформированном при комнатной температуре (рис. 1C), поверхность излома характеризовалась большими впадинами, что указывает на внутризеренный режим вязкого разрушения.При криогенной температуре (рис. 1D) режим разрушения чистого Ti все еще оставался внутризеренным, вязким, и размер ямок стал намного меньше, чем при комнатной температуре. Это хорошо согласуется с гораздо более высокой прочностью на разрыв и даже лучшей пластичностью, обнаруженной у чистого Ti, деформированного при криогенной температуре, чем при комнатной температуре. С другой стороны, в Ti-0.3O, деформированном при криогенной температуре (рис. 1E), режим разрушения был полностью изменен, и наблюдалась четкая морфология хрупкого межзеренного разрушения вместе с некоторыми особенностями скола.Этот режим хрупкого разрушения предполагает переход к другому доминирующему механизму деформации.

Активность дислокаций: волнистое скольжение по сравнению с плоским скольжением

Переход в режим деформации, вызванный содержанием кислорода и температурой деформации, также можно увидеть в морфологии дислокационных структур в этих сплавах. Типичные дислокационные морфологии сплавов Ti-O, как в волнообразном, так и в плоском режиме с преобладанием скольжения, систематически исследовались с помощью прерывистых деформаций растяжения (до пластической деформации 4.0%) при разных температурах (500, 300 и 100 К) и скоростях деформации (10 ⁻⁵ с ⁻¹ , 10 ⁻³ с ⁻¹ , 10 ⁻¹ с ⁻¹ , и 2 с ⁻¹ ). Преобладающая морфология дислокаций для каждого условия деформации определялась путем исследования не менее 30 зерен на образец. Трехмерная (3D) диаграмма, демонстрирующая совместный анализ зависимостей морфологии дислокаций от температуры, скорости деформации и содержания кислорода, представлена ​​на рис.2A, на котором серые и синие точки представляют собой волнообразные условия с преобладанием скольжения и плоские условия с преобладанием скольжения соответственно. Изображения ПЭМ, показывающие характерную морфологию дислокаций с учетом скорости деформации, концентрации кислорода и температуры деформации для всех этих точек данных, показаны на фиг. От S1 до S3. В общем, переход от волнистого к плоскому скольжению склонен происходить при увеличении скорости деформации, то есть, как показано на рис. 2С (чистый Ti, 10 ⁻¹ с ⁻¹ , LN ₂ ) на рис.2B (чистый Ti, 2 с ⁻¹ , LN ₂ ), или увеличение содержания кислорода, то есть из рис. 2D (Ti-0.1O, 10 ⁻⁵ с ⁻¹ , LN ₂ ) на рис. 2E (Ti-0.3O, 10 ⁻⁵ с ⁻¹ , LN ₂ ), или при понижении температуры, т. е. с рис. 2F (Ti-0.3O, 10 ⁻³ с ⁻¹ , RT) на рис. 2G (Ti-0.3O, 10 ⁻³ с ⁻¹ , LN ₂ ). Четкая граница перехода, очерчивающая плоские области с преобладанием скольжения и волнистые области с преобладанием скольжения, может быть найдена для каждого содержания кислорода.В чистом Ti (содержащем 0,05 мас.% Кислорода) граница перехода расположена в нижнем левом углу соответствующей плоскости на рис. 2A, что предполагает довольно жесткое требование (чрезвычайно низкая температура деформации и большая скорость деформации) для возникновения плоское скольжение при таком низком содержании кислорода. Однако с увеличением содержания кислорода критическое условие перехода от волнистого к плоскому скольжению ослабляется, что проявляется в постепенном смещении границы перехода к верхнему правому углу соответствующих плоскостей.Стоит отметить, что плоское скольжение действительно было обнаружено при комнатной температуре в сплаве Ti-0.3O при относительно высоких скоростях деформации (10 ^-1 с ^-1 и 2 с ^-1 ) (рис. 2А и рис. .S1), тогда как в предыдущих исследованиях ( 3 , 5 , 6 ) преимущественно сообщалось о плоском скольжении в сплавах Ti-O для условий криогенной деформации. Наконец, следует отметить, что, осторожно, г . Анализ b показал, что большинство описанных нами дислокаций с волнистой или плоской морфологией скольжения оказались дислокациями типа < a >, хотя мы не можем исключить возможность нескольких < c + a > -типа дислокации вблизи областей границ зерен, особенно в образцах с более высоким содержанием кислорода и более низкой температурой деформации, где были реализованы большие напряжения течения ( 5 ).

Деформация растяжения составляла 4,0% для всех микроструктур. ( A ) Трехмерная диаграмма, демонстрирующая комбинированный анализ зависимостей морфологии дислокаций от температуры, скорости деформации и содержания кислорода в сплавах Ti-O.Общая тенденция перехода от волнистого к плоскому скольжению возникала при увеличении скорости деформации, то есть от ( C ) (чистый Ti, 10 ^-1 с ^-1 , LN ₂ ) до ( B ) (чистый Ti, 2 с ⁻¹ , LN ₂ ) или увеличение содержания кислорода, т. Е. Из ( D ) (Ti-0.1O, 10 ⁻⁵ с ⁻¹ , LN От ₂ ) до ( E ) (Ti-0.3O, 10 ⁻⁵ с ⁻¹ , LN ₂ ) или при понижении температуры, т.е.е., от ( F ) (Ti-0.3O, 10 ⁻³ с ⁻¹ , RT) до ( G ) (Ti-0.3O, 10 ⁻³ с ⁻¹ , LN ₂ ). Граница перехода, очерчивающая волнистые области с преобладанием скольжения и плоские области с преобладанием скольжения, постепенно смещалась в сторону более высокой температуры и направления более низкой скорости деформации с увеличением содержания кислорода.

Несмотря на то, что в сплавах Ti-O часто сообщалось о плоском скольжении ( 3 , 5 , 9 ), особенно при криогенных температурах деформации, лежащий в основе механизм не был ясен.Было высказано предположение, что SRO атомов кислорода может быть возможным механизмом, аналогичным случаю сплавов Ti-Al ( 13 — 15 , 20 ). Однако SRO кислорода в двойной системе Ti-O с таким разбавленным содержанием кислорода никогда не проверялось экспериментально. Энергия диффузного DAPB в предположении равновесия SRO в сплаве Ti-0.3O была рассчитана с использованием основных методов кластерного расширения и моделирования Монте-Карло. Как указано в дополнительных материалах, эти расчеты показали, что энергии DAPB в Ti-0.Сплав 3O на два порядка меньше, чем у сплавов Ti-Al ( 21 ). Энергии DAPB сплава Ti-0,3O, рассчитанные в этой работе, даже меньше, чем рассчитанные для высокотемпературных обработанных и быстро закаленных сплавов Ti-Al, где плоское скольжение не наблюдалось экспериментально ( 21 ). Кроме того, для сплава Ti – 6 мас.% Al плоское скольжение было вызвано смягчением плоскости скольжения из-за разрушения SRO из-за скольжения дислокаций. Таким образом, было подтверждено, что возникновение плоского скольжения не зависит от температуры и скорости деформации (как показано на рис.S4). Это резко контрастирует с зависимостями плоского скольжения от температуры и скорости деформации, которые мы обнаружили в сплавах Ti-O. Также стоит отметить, что вызванное SRO плоское скольжение обычно оставляет поле остаточной деформации, вызванное разрушением SRO на плоскости скольжения ( 18 , 20 ). О подобных наблюдениях в сплавах Ti-O никогда не сообщалось. Из-за этих факторов ясно, что должна быть другая причина эволюции плоского скольжения в сплавах Ti-O, кроме разрушения SRO.

Механизм межузельного перемешивания для системы Ti-O

На основе расчетов методом DFT из первых принципов мы предлагаем здесь новый механизм межузельного перемешивания (ISM) для учета температурных и скоростных зависимостей волнообразного скольжения в плоское. переход в сплавах Ti-O. В модели ISM конкуренция между двумя процессами, включающими движение атомов кислорода между различными междоузлиями (октаэдрическими или гексаэдрическими), определяет морфологию дислокаций в сплавах Ti-O.Геометрические размеры, характеризуемые расстоянием между ближайшими соседями после релаксации, составляли 2,09 и 1,92 Å для октаэдрического и гексаэдрического положения соответственно ( 22 ). Чтобы начать процесс, атомы кислорода, которые изначально находятся в более стабильных октаэдрических позициях, перетасовываются винтовыми дислокациями типа < a >, движущимися по призматическим плоскостям в гексаэдрические позиции, где они оказывают меньшее сопротивление движению дислокаций. Это создает эффект смягчения плоскости скольжения, который приводит к плоскому скольжению.После начального смягчения плоскости скольжения тепловые флуктуации заставляют некоторые атомы кислорода, которые были перемещены дислокациями в высокоэнергетические гексаэдрические узлы, прыгать обратно в стабильное октаэдрическое положение. Эти прыжки из гексаэдра в октаэдр увеличивают сопротивление скольжению в данной полосе скольжения и, следовательно, уменьшают тенденцию к скольжению плоских дислокаций. В результате взаимодействие между двумя процессами определяет, произойдет ли плоское скольжение, что, в свою очередь, приводит к температурным и скоростным зависимостям перехода от волнистого к плоскому скольжению в сплавах Ti-O, которые мы показали экспериментально.Более высокая температура будет способствовать большему прыжку из гексаэдра в октаэдр, в то время как более низкая скорость деформации будет замедлять скорость межузельного перетасовки, делая волнообразное скольжение преобладающим в этих условиях деформации. С другой стороны, при более низких температурах и более высоких скоростях деформации прыжки кислорода будут в значительной степени подавлены, в то время как процесс перетасовки происходит независимо от движения дислокации, что облегчает плоское скольжение в этих условиях деформации.

Энергии обобщенного дефекта упаковки (GSF), полученные с помощью расчетов методом DFT из первых принципов (более подробную информацию см. В разделе «Вычислительный метод»), обеспечивают расчетное свидетельство эффекта смягчения плоскости скольжения, связанного с процессом перетасовки (рис.3). В этих расчетах мы использовали модифицированный метод GSF, в котором моделировались шаги вдоль направления вектора Бюргерса через поверхность энергии дефекта упаковки, при этом допускались релаксации перпендикулярно вектору Бюргерса. Путь с наименьшей энергией через соответствующую γ-поверхность в направлении вектора Бюргерса дислокации связан с энергетическим барьером для скольжения этой дислокации. Модифицированные энергии GSF на призматической плоскости {10-10} для чистого Ti и Ti с одной из восьми октаэдрических позиций на плоскости скольжения, занятой примесями кислорода, показаны на рис.3С. Призматическая плоскость представляет интерес, поскольку скольжение винтовых дислокаций типа < a > по этой плоскости представляет собой наиболее активную систему скольжения дислокаций с технической чистотой (CP) –Ti.

( A ) Решетка ГПУ с октаэдрическими (белый) и шестигранный (синий) узлами, а также призматической, пирамидальной и базисной плоскостями (красной, синей и зеленой). ( B ) Ориентация ступеней дислокационного скольжения, показанная в (I) — (L).( C ) Модифицированная энергия GSF на призматической плоскости, рассчитанная с помощью DFT. ( D ) — ( H ) показывают положение кислорода для выбранных шагов, начиная с октаэдра (D). (E) показывает искаженный октаэдрический участок при максимуме энергии. На этапах (F) и (H) кислород находится в октаэдрическом месте, образованном на дефекте упаковки. (G) показывает шестигранный узел. ( I ) — ( L ) демонстрируют ключевые этапы модели ISM. В (I) первая дислокация (крестик) на призматической плоскости встречает октаэдрический кислород, и скольжению сопротивляется.В конечном итоге он преодолевает это препятствие и перемещает кислород в гексаэдрический узел (J). Дислокация продолжает скользить, и последующие дислокации следуют за ней (K). Эти дислокации видят уменьшенный барьер от гексаэдрического кислорода и, таким образом, легко скользят по этой плоскости (L).

Для чистого Ti энергия GSF быстро увеличивается до сдвига λ = 0,35 (т.е. 0,35 вектора Бюргерса), а затем уменьшается до локального минимума при λ = 0,5. Барьер для завершения скольжения (т. Е. От λ = 0.5 к 1) является симметричным. Для сравнения, для результатов на той же траектории скольжения в системе, содержащей кислород, видно, что модифицированная энергия GSF увеличивается более резко на ранних стадиях скольжения, до λ = 0,45, когда происходит резкое падение энергии. Это падение энергии связано с перемещением кислородного междоузлия из низкоэнергетического октаэдрического участка в участок в базисной плоскости, который связан с так называемым гексаэдрическим положением ( 23 ) в недеформированной структуре ГПЧ.В структуре HCP атом кислорода имеет гораздо более высокую энергию в гексаэдрическом узле, чем в более открытом октаэдрическом узле. Однако октаэдрический узел становится все более сжатым во время скольжения, в то время как шестигранный узел становится более «открытым» вдоль пути сдвига. Хотя о перетасовке кислорода и связанном с ним падении энергии GSF сообщалось ранее ( 24 , 25 ), наиболее интересным выводом настоящего исследования является то, что когда скольжение завершено (λ = 1), межузельный слой кислорода остается в базальной плоскости. сайт (барьер для возврата в октаэдрический сайт составляет 890 мэВ), а барьер для дальнейшего скольжения существенно снижается.В частности, рассмотрим два полных пути скольжения для кислородсодержащей системы, показанной на рис. 3C: λ = 0 → 1 и λ = 0,5 → 1,5. Для обоих энергетический барьер для скольжения соответствует разнице между самой низкой и самой высокой энергиями GSF на пути. В первом случае проскальзывания барьер составляет 36,5 мэВ / Å ² [что близко соответствует расчетам подталкиваемой эластичной ленты (NEB), выполненным Квасняком и соавторами ( 25 )], а во втором случае он снижается до 9,8 мэВ / Å ² . Поскольку сайт базальной плоскости частично выходит за пределы плоскости скольжения, стерическое препятствие скольжению заметно уменьшается за счет перемещения атома кислорода в этот сайт.Таким образом, расчеты GSF подтверждают ISM для смягчения плоскости скольжения, показанного на рис. 3 (с I по L). Первое событие скольжения на данной плоскости скольжения приводит к перемещению примесей кислорода к месту базисной плоскости (рис. 3, I и J). Смещенные атомы кислорода остаются в этих положениях, что приводит к уменьшению барьера для дальнейшего скольжения (рис. 3, K и L).

Дальнейшее доказательство уменьшения барьера для скольжения, представленного кислородом в гексаэдрической позиции, а не в октаэдрической позиции, было предоставлено расчетами закрепления дислокаций, выполненными с использованием метода модифицированного внедренного атома (MEAM) ( 26 ).Путем расчета максимальных углов изгиба дислокаций, закрепленных на межузельных атомах кислорода, мы обнаружили, что сила закрепления октаэдрического кислорода примерно на 55% выше, чем у гексаэдрического кислорода. См. Дополнительный текст, таблицу S3 и рис. S5 для более подробной информации.

Двойниковая активность как функция кислорода и температуры

В дополнение к дислокационной активности, деформационное двойникование имеет решающее значение для понимания механических свойств сплавов Ti-O, так как движение дислокаций только типа < a > либо в виде волнообразного или плоского скольжения, недостаточно для компенсации произвольной пластической деформации.Двойникование при деформации в титане обеспечивает необходимый путь для компенсации деформации по оси c . Двойникование является источником отличных механических свойств, наблюдаемых при криогенных температурах в титановых сплавах, где активность дислокаций становится затруднительной. На сегодняшний день в титане зарегистрировано четыре распространенных режима двойникования при деформации, включая два двойника растяжения (T1 {10-12} <-1011> и T2 {11-21} <−1-126>) и два двойника сжатия (C1 {11-22} <11-2-3> и C2 {10-11} <10-1-2>) ( 27 — 30 ).При комнатной температуре T1 является преобладающим режимом двойникования из-за его низкой деформации сдвига и простого механизма перемешивания ( 28 ). Обзор поведения двойникования в зависимости от содержания кислорода и температуры показан на рис. 4. В микроструктуре изломанного при растяжении чистого Ti при комнатной температуре (рис. 4A) обычно наблюдались большие двойники линзовидной формы с появлением вторичных близнецы внутри первичных близнецов. Однако с увеличением содержания кислорода (рис. 4, B и C) двойные фракции при комнатной температуре непрерывно уменьшались до такой степени, как в Ti-0.30. При комнатной температуре заметных двойников обнаружить не удалось. Подтверждено, что типы двойников деформации (как показано на рис. S6) в чистом Ti и Ti-0,1O при комнатной температуре являются либо T1 (красным цветом), либо двойниками C1 (зеленым цветом), что хорошо согласуется с предыдущими литература по титану ( 28 — 30 ).

( A ) Чистый Ti, RT и деформация разрушения: 0,40. ( B ) Ti-0,10, RT и деформация разрушения: 0,28. ( C ) Ti-0,3O, RT и деформация разрушения: 0,16. ( D ) Чистый Ti, LN ₂ , и деформация разрушения: 0,60. ( E ) Ti-0,1O, LN ₂ и деформация разрушения: 0,56. ( F ) Ti-0,3O, LN ₂ и деформация разрушения: 0,04. Направление растяжения для всех микроструктур горизонтальное.

При криогенной температуре двойниковая активность в чистом Ti значительно усиливается (рис.4D), что приводит к подразделению исходных зерен за счет высокой плотности первичных и вторичных двойников с гораздо меньшей толщиной (см. Рис. S7). В результате обширного деформационного двойникования чистый Ti показал гораздо более высокую скорость деформационного упрочнения и общее удлинение при криогенной температуре, чем при комнатной температуре. Повышенная активность двойникования в чистом Ti при криогенной температуре может быть приписана более высокому уровню внутреннего напряжения, в то время как критическое разрешенное напряжение сдвига для зарождения двойников по существу нечувствительно к температуре.В отличие от подавленной активности двойникования, обнаруживаемой при комнатной температуре, при криогенной температуре, сплав Ti-0.1O также показал почти полностью двойниковую микроструктуру после разрушения при растяжении (рис. 4E).

Неожиданно мы обнаружили, что сплав Ti-0.3O действительно показывает заметные двойники при криогенной температуре (рис. 4F), хотя деформация разрушения (~ 4%) была намного меньше, чем у сплава Ti-0.3O (~ 16 %) при комнатной температуре. Однако эти наноразмерные двойники не привели к улучшению пластичности Ti-0.3O при криогенной температуре, как и ожидалось. Вместо этого образец для растяжения показал преждевременное разрушение вскоре после деформации, в отличие от случая при комнатной температуре, в котором разумная пластичность сохранялась без вклада двойникования. Эти наноразмерные двойники, обнаруженные в разрушенном при растяжении Ti-0,3O при криогенной температуре, были повсеместно подтверждены как двойники {11-24} с характерным углом разориентации 77 ° по нормали к плоскости <01-10> (см. Рис. .S6F). Об этом типе двойника лишь изредка сообщалось в CP-титане, деформированном при некоторых экстремальных условиях, т.е.е., высокие скорости деформации ( 31 , 32 ), такие как испытания на баллистический удар при 10 ³ с ^-1 ( 32 ) или криогенные температуры ( 33 — 35 ). В большинстве случаев доля двойников {11-24} была довольно ограниченной, и они, как правило, встречались в титане из ХП с относительно высоким содержанием кислорода ( 32 — 35 ). Как показано на рис. 5, было подтверждено, что большинство активированных в этом образце близнецов являются близнецами {11-24}, несмотря на существование нескольких близнецов T1 и C1 (рис.5, Б и Ж). Насколько нам известно, о таком преобладании двойникования {11-24} над обычными двойниками растяжения и сжатия (как показано на рис. S6F и рис. 5В) никогда ранее не сообщалось в титане при любых условиях деформации. На соответствующем профиле угла разориентации (рис. 5E) наблюдался четкий пик около 77 °, что характерно для двойника {11-24}. При оптической микроскопии (рис. 5А) наблюдали несколько микротрещин, большинство из которых располагались вдоль границ зерен (как показано желтыми стрелками).Эти микротрещины после образования могли легко распространяться по границам зерен, и, учитывая относительно большой размер зерен сплавов Ti-O, можно было бы ожидать преждевременного разрушения вскоре после текучести. Это также согласуется с морфологией межкристаллитного разрушения, обнаруженной в сплаве Ti-0,3O при криогенной температуре (рис. 1E). Наблюдение за этими микротрещинами приводит к заметному открытию, что большинство из них расположено в точках пересечения, где распространение двойников {11-24} было заблокировано на границах зерен.Один типичный пример этого взаимодействия показан на рис. 5 (C и D), где микротрещины, соединяющие двойники {11-24}, отмечены желтыми стрелками. Образец ПЭМ был приготовлен из одного из двойников {11-24}, соединенных с микротрещинами (отмеченными оранжевым прямоугольником на фиг. 5B) методом подъема с использованием сфокусированного ионного пучка (FIB). Изображение ПЭМ с высоким разрешением (ось зоны [-5143]), показывающее структуру решетки на границе раздела двойник / матрица, приведено на фиг. 5F, на котором наблюдались большие искажения решетки вокруг границы раздела.Это изображение HRTEM также впервые показало детальную структуру решетки вокруг этого необычного двойника в титане.

( A ) Оптическая микроскопия области вблизи поверхности излома, в которой вдоль границ зерен наблюдали несколько микротрещин (как показано желтыми стрелками). ( B ) Карта границ двойников, показывающая типы близнецов вблизи поверхности разлома [в соответствии с цветами, показанными на (G)].( C ) и ( D ) — это карта IPF и карта границ двойников, показывающая один типичный пример микротрещин, образующихся в точках, где двойники {11-24} блокировались на границах зерен. ( E ) Профиль угла разориентации, в котором явный пик был обнаружен при 77 °, подтверждая преобладание двойников {11-24} в Ti-0.3O, деформированном при криогенной температуре. ( F ) Изображение HRTEM (от оси зоны [-5143]) одного близнеца {11-24}, поднятое из прямоугольной области на (B) методом сфокусированного ионного пучка (FIB).( G ) Цвета, используемые на панелях B и D.

Чтобы лучше понять аномальное поведение близнецов {11-24}, мы изучили взаимодействие между кислородом и границами двойников (TB) с помощью атомистического моделирования. Предыдущие экспериментальные ( 5 ) и вычислительные ( 36 , 37 ) исследования показали, что растворенные вещества кислорода имеют тенденцию подавлять наиболее часто наблюдаемые {10-12} двойники при низких температурах в Ti. Это подавление объясняется привлекательной связью между кислородом и TB, что приводит к закреплению и, следовательно, более медленному росту {10-12} TB ( 36 , 37 ).Здесь мы смоделировали {10-11}, {10-12}, {11-21}, {11-22} и {11-24} TB и вычислили энергию взаимодействия кислорода с каждой границей, используя упомянутый потенциал MEAM. вышеуказанные расчеты при температуре 0 K (подробности моделирования см. в дополнительных материалах). Мы обнаружили, что, хотя кислород притягивается к {10-11}, {10-12} и {11-21} TB, для кислорода неблагоприятно выделяться в {11-22} и {11-24} ТБ, а значит, и кислород предпочитает оставаться в массе. Этот результат согласуется с преобладанием двойников {11-24} и {11-22}, экспериментально наблюдаемым на образцах с более высокой концентрацией кислорода (рис.5). Другими словами, отсутствие притяжения O к двойникам {11-24} и {11-22} означает, что при высоких напряжениях эти типы двойников могут расти при высоких концентрациях кислорода в отличие от других, более часто наблюдаемых двойниковых мод.

Резюме и выводы

Принимая во внимание систематическое влияние кислорода на морфологию дислокаций и фракцию двойникования, а также тип двойникования, можно представить механистическую картину чувствительности механических свойств титана к кислороду.Мы можем приписать происхождение температуры, скорости деформации и чувствительности к содержанию кислорода плоскостности скольжения в сплавах Ti-O скорее движению атомов кислорода, чем наличию SRO. Модель ISM обеспечивает объяснение наблюдаемой чувствительности к температуре и скорости деформации плоского скольжения в сплавах Ti-O, которое включает конкурирующие эффекты перемещения межузельного кислорода дислокациями и последующие прыжки метастабильного межузельного кислорода к стабильному участку. Эта модель может также применяться к другим системам сплавов, содержащих растворенные вещества внедрения, которые сильно взаимодействуют с соответствующими дислокациями.Увеличение плоского скольжения и подавление деформационного двойникования с увеличением содержания кислорода приводит к отсутствию способности к деформационному упрочнению у сплавов Ti-O. В крайнем случае высокого содержания кислорода, низкой температуры и, следовательно, высокого напряжения текучести, сплав Ti-0.3O генерирует необычный двойник {11-24} типа, который приводит к межкристаллитному растрескиванию и объясняет происхождение эффекта отравления кислородом в криогенных условиях. условия. Этот результат подчеркивает необходимость дальнейшей теоретической работы и моделирования, чтобы понять фундаментальные механизмы аномально усиленного двойника {11-24} путем рассмотрения взаимодействий между атомами кислорода и TB.

Наши результаты показывают, что стратегии проектирования сплавов, которые прерывают процесс межузельного перемешивания (например, увеличение энергии метастабильных гексаэдрических узлов путем настройки параметров решетки с помощью легирования замещения), могут заметно увеличить межузельный допуск титановых сплавов. Кроме того, следует применять методы, способствующие либо обычному деформационному двойникованию, либо подавлению двойникования {11-24}, если желательны применения при криогенных температурах. В отличие от локализации деформации, вызванной SRO, которая обнаруживается в системах Ti-Al ( 16 ), чувствительность к скорости деформации плоского скольжения в сплавах Ti-O также подразумевает, что эффект упрочнения, обеспечиваемый межузельными атомами, имеет большое преимущество для ползучести. производительность (низкие скорости деформации) без ущерба для пластичности.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Обработка материалов и испытание механических свойств

Три слитка Ti с различным содержанием кислорода (0,05, 0,10 и 0,30 мас.%) Были предоставлены TIMET, Великобритания, которые будут называться чистым Ti, Ti- 0,1O и Ti-0,3O здесь и далее для простоты. Подробный химический состав трех слитков приведен в таблице S1. Слитки были дважды плавлены в аргоновой дуге, а затем выкованы в квадратные бруски при 1125 ° C перед закалкой в ​​воде. Затем прутки прокатывали при 900 ° C и отжигали при 800 ° C в течение 1 часа.После отжига материалы характеризовались полностью равноосной микроструктурой со средним размером зерна ~ 60 мкм и почти без дислокаций. Они будут использоваться в качестве исходной микроструктуры для последующих испытаний механических свойств и определения характеристик микроструктуры.

Образцы для микропластического растяжения в форме костей собаки с расчетной длиной 5,0 мм, шириной 1,6 мм и толщиной 0,8 мм были приготовлены из отожженных материалов с помощью электроэрозионной обработки. Испытания на одноосное растяжение были выполнены на системе критериев MTS (модель 43) с начальной скоростью деформации 10 ⁻³ с ⁻¹ как при комнатной температуре (~ 300 K), так и при криогенной температуре (~ 100 K).Для испытаний на растяжение при комнатной температуре растягивающие напряжения обеспечивались системой MTS, в то время как деформации растяжения точно измерялись методом корреляции цифровых изображений (DIC). Поверхности образцов с микропрочным растяжением были опрысканы белыми и черными контрастными частицами, которые служили маркерами для анализа ДИК. Во время испытаний на растяжение изображения образцов с микропрочным растяжением были получены камерой устройства с зарядовой связью (ПЗС), которые впоследствии были проанализированы с помощью коммерческого программного обеспечения Vic-2D.Точная пластическая деформация (деформация по Мизесу) образца при растяжении может быть получена путем отслеживания положения маркеров. Для испытаний на растяжение при криогенных температурах был разработан специальный пластиковый контейнер, который позволил полностью погрузить как образцы на растяжение, так и зажимные приспособления в жидкий азот на протяжении всего процесса испытания на растяжение. Перед испытаниями на растяжение образцы выдерживали в жидком азоте в течение 10 мин для гомогенизации температуры. Деформации растяжения, заданные системой MTS, коррелировали с использованием данных деформации при комнатной температуре (полученных методом DIC), предполагая неизменный модуль Юнга при двух температурах испытаний.Для каждого сплава было испытано не менее трех образцов при каждой температуре деформации для подтверждения воспроизводимости механических свойств.

Для анализа морфологии дислокаций была проведена еще одна серия экспериментов по прерывистой деформации растяжения при трех различных температурах (500, 300 и 100 K) и четырех различных скоростях деформации [10 ⁻⁵ с ⁻¹ , 10 ^{— 3} с ^-1 , 10 ^-1 с ^-1 и 2 с ^-1 (максимальная скорость деформации, которая была достигнута в системе MTS для геометрии образца, использованной в этом исследовании)].Все образцы были деформированы растяжением до пластической деформации 4,0%, а затем разгружены для последующей характеристики микроструктуры. Кроме того, сплав Ti – 6 мас.% Al с активированным SRO (старением при 420 ° C в течение 120 часов) также деформировался растяжением при некоторых из вышеупомянутых условий деформации. Подробную информацию об истории обработки сплава Ti – 6 мас.% Al, а также прямую визуализацию SRO можно найти в другом месте ( 20 ). Для анализа морфологии дислокаций в каждом образце проверяли не менее 30 зерен.Особое внимание уделялось дислокациям внутри зерен, а дислокации вблизи границ зерен избегали.

Подготовка образцов и метод определения характеристик

Поверхности образцов, разрушенных при растяжении, были отшлифованы и механически отполированы наждачной бумагой из карбида кремния (от P160 до P4000). Окончательную электрополировку в растворе 6% хлорной кислоты и 94% метанола проводили при -40 ° C с напряжением ~ 30 В в течение 30 с. Характеристики дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) были выполнены на участках, близких к боковым поверхностям излома, с использованием системы TSL, присоединенной к сканирующей электронной микроскопии (SEM) FEI Strata 235 с автоэмиссионной пушкой, работающей при ускоряющем напряжении 20 кВ.Собранные данные были проанализированы с помощью программного обеспечения TSL-OIM. На том же оборудовании были проведены исследования SEM перпендикулярно поверхностям излома при растяжении.

Образцы для ПЭМ-исследований были приготовлены из образцов после прерывистой деформации растяжением. Деформированные образцы сначала подвергали механической полировке до толщины ~ 100 мкм. Толщина была дополнительно уменьшена стандартным методом двухструйной электрополировки с использованием устройства Fischione (модальный 110) при -40 ° C с использованием напряжения ~ 30 В в растворе 6% хлорной кислоты и 94% метанола.ПЭМ-характеристика морфологии дислокаций проводилась на ПЭМ JEOL 3010, работающем при 300 кВ. Для характеристики двойника {11-24}, обнаруженного в сплаве Ti-0.3O, разрушающемся при криогенной температуре, образец ПЭМ был подготовлен методом извлечения из области сканирования EBSD с использованием двухлучевого FIB FEI Helios G4 UX. Измерение характеристик двойника {11-24} методом HRTEM было выполнено на ПЭМ FEI TitanX 60-300, работающем при 300 кВ.

Вычислительный метод

Модифицированные вычисления GSF .В расчетах энергии GSF ( 38 ) рассматривается континуум возможных дефектов упаковки и формируется энергетическая поверхность, представляющая их. Представленный здесь метод модифицирован для исследования межузельных эффектов путем последовательного выполнения расчетов (каждая конфигурация входа зависит от предыдущего выхода) и поиска вдоль пути в направлении вектора Бюргерса через поверхность энергии дефекта упаковки с допустимыми релаксациями перпендикулярно. к вектору Бюргерса.Этот подход позволяет исследовать стерические взаимодействия между кислородными междоузлиями и проскальзыванием дислокаций, изолированными от эффектов ядра дислокации и без необходимости использования дорогих конфигураций квадрупольных дислокаций. Это также решает вопрос о том, где разместить межузельный слой кислорода, который возник бы, если бы вся энергетическая поверхность дефекта упаковки была рассчитана с каждой конфигурацией, инициированной независимо. В конструкции GSF выбрана представляющая интерес плоскость скольжения, и была построена суперячейка длинной (не менее 30 Å) в направлении, нормальном к этой плоскости, с перпендикулярными направлениями, как правило, короче.Суперячейка имеет периодические границы в направлениях, содержащихся в плоскости скольжения, но непериодическая (с использованием вакуумного слоя не менее 15 A в расчетах методом DFT на основе плоских волн) перпендикулярна плоскости скольжения. Одиночный атом кислорода помещается в октаэдрическую позицию на плоскости скольжения, которая выбрана посередине сверхъячейки.

Расчет происходит следующим образом:

(1) положения атомов полностью релаксированы,

(2) атомов выше плоскости скольжения смещены на долю вектора Бюргерса по сравнению с приведенными ниже,

(3) ограниченная релаксация позиций атомов,

(4) повторяют (2) и (3) до полного проскальзывания.

Поскольку атом кислорода находится в плоскости скольжения, он смещается на половину размера шага, чтобы избежать смещения его релаксации. Во время вынужденной релаксации атомам титана позволяют расслабиться в плоскости, перпендикулярной вектору Бюргерса. Причина, по которой это позволяет максимально расслабиться, наиболее точно отражает реальные условия. Однако, если атомам позволить релаксировать вдоль вектора Бюргерса, они могут просто отменить приложенное скольжение. Атому кислорода всегда позволяют расслабиться без ограничений.Параметры решетки сохраняются фиксированными с тем обоснованием, что в массивном кристалле большой недеформированный объем будет ограничивать размеры области вокруг дислокации или дефекта упаковки. Модификация, введенная здесь, чтобы позволить плоскую релаксацию атомов титана, является важной, поскольку новые результаты, представленные ниже, происходят только в том случае, если эта релаксация разрешена.

Энергия ( E ) выводится после каждой релаксации, и энергия GSF на каждом шаге вычисляется следующим образом: GSF (λ) = E (λ) −E (λ = 0) A, где λ — доля скольжения вдоль Вектор Бюргерса и A — это площадь плоскости скольжения на суперячейку.

Расчеты дислокаций . Расчеты конфигураций квадрупольных дислокаций были инициированы введением двух винтовых дислокаций типа < a > с вектором Бюргерса a <11-2¯0> / 3 (противоположного знака для двух дислокаций) в чистый Ti суперячейка желаемого размера, используя метод Дау ( 39 ) и учитывая искажения из-за дислокаций, как предписано Lehto et al. ( 40 ).

Для измерения углов изгиба дислокаций мы построили шесть конфигураций, используя метод Cai et al. ( 41 ), модифицированный для включения однородно напряженных слоев на поверхностях для подавления сил изображения на дислокации. Суперячейки содержали 1 806 336, 3 612 672 и 5 419 008 атомов титана и 1 атом кислорода, помещенный в плоскости скольжения дислокации [один случай октаэдрического размещения и один случай размещения кислорода в узле базисной плоскости (гексаэдрическом) были рассмотрены для каждого размера суперячейки].Три размера суперъячейки различались только длиной в направлении линии дислокации (которая соответствовала длине между центрами пиннинга кислорода) и составляли 281, 563 и 845 A. Мы выполнили моделирование MD с постоянной скоростью деформации для каждой ячейки моделирования при нулевой температуре со скоростью деформации 8,17 × 10 ⁶ с ^-1 .

Вычислительные настройки . Все расчеты DFT были выполнены с использованием пакета моделирования Vienna ab initio ( 42 ). Использовался метод проекторно-усиленной волны ( 43 ), в расчетах не использовалась спиновая поляризация.Титановый потенциал формы Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) ( 44 ) аппроксимации общего градиента (GGA), включая 3d ² 4s ² 3p ⁶ электронов в качестве валентности, использовался для всех последующих DFT. расчеты. Использовали потенциал PBE для кислорода средней жесткости. Использовалась схема размытия второго порядка Метфесселя-Пакстона ( 45 ) с шириной размытия 0,2 эВ. Энергия отсечки для базиса плоских волн составляла 400 эВ для модифицированных расчетов GSF с участием только титана, 520 эВ для модифицированных расчетов GSF, которые включали атомы кислорода, и 600 эВ для расчетов с учетом дислокаций.Петли самосогласования электронной структуры прекращались при допуске энергии 10 ⁻⁵ эВ, а ионная релаксация прекращалась при допуске энергии 10 ⁻⁴ эВ для модифицированных расчетов GSF и допуске силы 0,02 эВ / Å для расчетов дислокаций. . K-точечные сетки для модифицированных расчетов GSF были созданы с использованием сервера сетки k-точек ( 46 ) с минимальным расстоянием по сетке в реальном пространстве 37 Å, а для расчетов дислокаций использовалась сетка с Γ-центром размером 1 × 1 × 5. .Было продемонстрировано, что этих параметров достаточно для захвата соответствующей информации об этих структурах ядра дислокации ( 47 ). В расчетах ближнего порядка использовался тот же потенциал, что и выше. При расчете силовой постоянной, сил Канзаки, модуля упругости и коэффициентов расширения решетки использовалось ограничение по энергии для плоских волн 600 эВ, и эти силы сводились к 0,001 эВ / Å. В экспериментах по расширению кластера, где важна только энергия, использовалось ограничение по энергии 520 эВ и силы сводились к 0.015 эВ / Å. Ни одно моделирование не было поляризованным по спину.

Классические вычисления потенциала были выполнены с использованием крупномасштабного атомно-молекулярного массово-параллельного симулятора (LAMMPS) ( 48 ). Потенциал MEAM ( 26 ) Hennig et al. ( 49 ) использовался для расчетов чистого Ti, а также тесно связанный потенциал для систем Ti-O Zhang et al. ( 50 ). Было показано, что этот потенциал точно отражает относительные энергии важных межузельных узлов кислорода в титане (октаэдрических, гексаэдрических и краудион), а также барьеров между этими узлами ( 50 ).Релаксацию проводили при нулевой температуре и прекращали, когда норма сил на всех атомах была меньше 10 ^-4 эВ / Å.

Благодарности: Мы хотели бы поблагодарить TIMET за производство модельных сплавов и D. Rugg из Rolls Royce, Великобритания, за полезные обсуждения проекта. Финансирование: Мы благодарны Управлению военно-морских исследований США за финансирование в рамках гранта № N00014-16-1-2304 и N0014-19-1-2376. Работа в Molecular Foundry была поддержана Управлением науки Управления фундаментальных энергетических наук Университета им.S. Министерство энергетики по контракту № DE-AC02-05Ch21231. Вычислительные ресурсы были предоставлены программой Berkeley Research Computing в Калифорнийском университете в Беркли. В этой работе использовались вычислительные ресурсы, предоставленные Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), которая поддерживается Национальным научным фондом в рамках гранта № ACI-1053575. Вклад авторов: Y.C., R.Z., M.P., and A.M.M. подготовил рукопись, которую рецензировали и редактировали все авторы; Ю.К., Р.З. и С.З. провели испытания на растяжение; Y.C. и Р.З. проанализировали данные о растяжении; Y.C. провели характеристику томографии переломов; Ю.К., Р.З. и С.З. провели ТЕМ-эксперименты; Y.C. и С.З. провели эксперименты EBSD и анализ границ двойников; M.P., E.R., D.C.C. и M.A. провели теоретические расчеты дислокационных кислородных взаимодействий; D.L.O. и M.A. провели расчет ближнего порядка; M.S.H. и М.А. провели моделирование деформационных двойников.Управление проектом, надзор и получение финансирования осуществлялись M.A., D.C.C., J.W.M.J. и A.M.M. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

Лучшие титановые велосипеды: как они сделаны и почему вам может понадобиться один

Титан — лучший металл для многих аэрокосмических применений.Это вдвое меньше веса стали для трубы с таким же пределом прочности на разрыв и вдвое большей прочности, чем у алюминиевого сплава. Титан также более устойчив к усталости и ударам, чем алюминиевые сплавы, поэтому лучше справляется с ударами и ударами. Титановые велосипеды, если они занимают нишу, высоко ценятся по сравнению с алюминиевыми и карбоновыми рамами.

>>> Ваш следующий байк должен быть из карбона, алюминия, стали или титана?

Еще одно преимущество титановой рамы в том, что она не подвержена коррозии, в отличие от стали.Как правило, титановые оправы имеют неокрашенную матовую отделку, часто с зеркальными бликами, демонстрирующими характерный серый блеск металла, хотя при желании вы можете заказать окрашенную титановую оправу.

Ищете что-то другое? Выезд:

Вот наш выбор титановых велосипедов и рам, которые стоит рассмотреть, хотя, конечно, есть и множество других вариантов.

Титановые велосипеды, которые стоит рассмотреть

Enigma Etape

Обладатель награды «Выбор редакции Cycling Weekly » в 2018 году, шоссейный велосипед Enigma Etape Endurance подходит для шин диаметром до 35 или 32 мм с брызговиками.Все кабели полностью закрыты и проходят снаружи, что упрощает обслуживание и при этом защищает их от непогоды. Кабель динамо-машины проходит через правую ножку вилки и крепления стойки, поэтому вы можете настроить Etape для поездок на дальние расстояния.

Купить сейчас: Enigma Etape Ultegra от Enigma Cycles от 3999,99 фунтов стерлингов

Набор рам Kinesis GTD

Британский бренд Kinesis уже давно использует титановые рамы в своей линейке. Мы рассмотрели его предыдущий набор фреймов GFTI Disc, который теперь был заменен последней версией GTD V2.Он обладает классическими характеристиками для длинных поездок, включая полностью закрытую кабельную разводку, легко обслуживаемый нижний кронштейн, дисковые тормоза и множество креплений. Углеродная вилка имеет внутреннюю прокладку троса динамо-машины, и существует семь размеров от 48 см до 60 см, что подойдет любому райдеру.

Купить сейчас: Набор рам Kinesis GTD от ProBikeKit за 1980 фунтов стерлингов

Рибл Endurance Ti

Один из двух титановых велосипедов в линейке Ribble, наряду с гравийным велосипедом CGR Ti, Endurance Ti Disc стоит от 2299 фунтов стерлингов и дает вам геометрию Ribble на длинные дистанции вместе с гидравлическим дисковым тормозом Shimano 105 для быстрой и стабильной езды.Как и во всех велосипедах Ribble, здесь есть возможности для апгрейда и индивидуальные настройки.

Купить сейчас: Ribble Endurance Ti Disc от Ribble от 2299 £

Ван Николас Вентус SE

Обновленный Van Nicholas Ventus с дисковыми тормозами и внутренней разводкой

Когда мы рассматривали Ventus, байк начального уровня Van Nicholas, нам понравился его плавный ход и мы оценили разумную цену за титан. Van Nicholas обновил Ventus в соответствии с современным дизайном велосипеда, добавив дисковые тормоза, сквозные оси, внутреннюю прокладку кабелей и другие технологии, которые используются в более дорогих моделях.

Купить сейчас: Ван Николас Вентус из Ван Николаса от 2264 £

Титановые велосипеды: все, что вам нужно знать

Как изготавливаются титановые велосипеды?

Рамы шоссейных велосипедов изготовлены из сплава титана с другими металлами, обычно алюминием и ванадием, в различных пропорциях в зависимости от желаемых физических свойств, которые улучшают долговечность и физические свойства по сравнению с чистым металлом. Производители каркасов часто ссылаются на трубы «аэрокосмического качества».

>>> Алюминиевые шоссейные велосипеды: пятерка лучших

Наборы титановых трубок могут быть подвергнуты холодной вытяжке, а также гидроформованию, как алюминиевый сплав.Таким образом, хотя некоторые титановые рамы могут поставляться с круглыми основными трубками с внешней прокладкой кабелей, наборы трубок могут иметь другие формы и допускать внутреннюю прокладку кабелей. Ярким примером этого являются комплекты рам Helix от Lynskey, в которых используются спирально закрученные трубы, которые, по словам Лински, помогают противостоять скручивающим силам.

Как и в случае с любым другим металлическим каркасом, трубы каркаса перед сваркой обрезаются по длине и под углом. Сварка комплектов титановых трубок сложнее, чем изготовление каркасов из сплавов, поскольку титан вступает в реакцию с кислородом.Таким образом, выполнение сварных швов может занять до пяти часов работы. Затем на трубке должна быть нарезана резьба, чтобы установить компоненты, прикрученные и прикрученные к раме, и добавить окончательную отделку и логотипы.

В рамке AllRoad Caminade используются титановые трубы, вклеенные в угольные проушины

Хотя большинство комплектов рамок из титана сварные, есть и другие варианты. Французский производитель рам на заказ Caminade предлагает несколько вариантов, в том числе комплект рам AllRoad, в котором используются титановые трубы, вклеенные в карбоновые проушины, что является более экономичным вариантом, чем полностью сварные титановые рамы.

Как ездят титановые велосипеды?

Титан имеет более высокую способность к деформации в ответ на неровности дороги, чем другие металлы, используемые для изготовления велосипедных рам. Это означает, что правильно спроектированная титановая рама будет лучше справляться с ухабистыми поверхностями, что приведет к более комфортной поездке. Титановая рама обычно сочетается с карбоновой вилкой для повышения комфорта на дороге.

>>> Ваш следующий шоссейный велосипед должен быть из карбона, алюминия, стали или титана?

Есть несколько производителей оправ, таких как Moots, Van Nicholas, Lynskey и Pilot, которые специализируются на титановых оправах.Другие, такие как Ribble, Kinesis и Enigma, продают титановые рамы вместе с вариантами из сплава и стали.

Титановые велосипеды: взгляд дизайнера

Одна марка, которая имеет две титановые рамы в линейке из алюминия и стали, — это Mason Progressive Cycles. Его вездеход Bokeh доступен как из титана, так и из алюминия, а сверхпрочный байк Aspect — только из титана. На оба титановых велосипеда есть лист ожидания, каждый из которых изготовлен на заказ.

Mason Cycles производит всего пять наборов фреймов Bokeh Ti в месяц

Но, говорит Дом Мейсон, владелец и дизайнер Mason: «Для выносливости, AdventureSport, внедорожного велосипеда, такого как BokehTi, титан почти идеален. Он легкий, прочный, удобный и при правильной конструкции дает невероятный отклик и тягу ».

>>> Стальные байки: лучшее из британского металла

Более сложные комплекты трубок, доступные в настоящее время, означают, что поездку можно настроить так, чтобы обеспечить характеристики, необходимые для преодолеваемого типа местности.

>>> Линейка велосипедов Ritchey

Дом Мейсон — поклонник ездовых качеств из титана

«Титановые оправы, изготовленные около 10–15 лет назад, когда-то производили на них довольно« аппетитный »вид, — продолжает Мейсон. «Ограниченное количество доступных наборов трубок означало, что конструкция рамы была главным фактором комфорта, но они, как правило, казались довольно« мягкими »и гибкими при выходе из седла и плохо отслеживали и не снижали мощность.

«Мы разрабатываем свой путь к желаемым качествам езды, работая в тесном и непосредственном сотрудничестве с производителем трубок, Dedacciai, и с Reynolds UK, которые напечатали на 3D-принтере наши титановые дропауты с сквозной осью / плоским креплением», — говорит Мейсон.

>>> Дорожные велосипеды из карбона: что делает карбон хорошего качества и пять велосипедов, на которые стоит обратить внимание

Как и в случае с любым другим материалом, правильная езда требует тщательного проектирования: мы тестировали как чрезмерно жесткие, так и «ненормальные» титановые велосипеды.

Руководство по 3D-печати с использованием титана

Благодаря преимуществам сокращения отходов материала и способности создавать легкие конструкции, 3D-печать титаном находит свою нишу во многих отраслях промышленности.

Титан обладает превосходными свойствами материала, но его высокая стоимость исторически ограничивала его использование в высокоценных областях авиакосмической промышленности. Теперь, когда металлическая 3D-печать становится все более и более жизнеспособным методом производства, эта технология делает титан более доступным для таких отраслей, как медицина, автомобилестроение и автоспорт.

Сегодняшний пост посвящен тому, что делает титан хорошим выбором для 3D-печати, технологиям, поддерживающим этот материал, а также ключевым промышленным приложениям.

Подумайте о прочности, легкости и устойчивости к коррозии, и вы поймете, что делает титан таким востребованным материалом. Титан известен своими превосходными свойствами материала — таким же прочным, как сталь, но с плотностью всего 60%.

Высокое соотношение прочности и плотности титана, хорошая коррозионная стойкость и химическая стойкость делают его особенно востребованным для высокопроизводительных отраслей промышленности, таких как аэрокосмическая и оборонная.

Здесь титановые сплавы используются в приложениях, где требуются легкие детали, способные сохранять свои механические свойства при высоких температурах.

Титан также известен своей биосовместимостью, что делает его идеальным выбором для медицинских применений, таких как имплантаты.

Однако, хотя титан обладает рядом преимуществ, он остается относительно дорогим материалом. Это связано с тем, что металл добывается в относительно небольших количествах, а обработка сырого титана остается сложной задачей, что делает этот материал значительно более дорогим, чем альтернативные металлы, такие как сталь.

Титан может быть трудным металлом в обработке, особенно когда дело касается механической обработки. Во-первых, у титана низкая теплопроводность. Это означает, что при обработке, например, на станке с ЧПУ, выделяемое тепло сохраняется в инструменте с ЧПУ, что может привести к быстрому износу инструмента.

Кроме того, поскольку механическая обработка включает в себя резку и удаление материала, процесс может привести к образованию большого количества отходов материала.В результате многие компании ищут лучшие альтернативы производству титановых деталей.

Металл 3D-печать оказывается такой жизнеспособной альтернативой.

При 3D-печати металлом наиболее часто используемый сорт титана — это сплав Ti6Al4V (Ti64). Помимо Ti64, также можно выполнять 3D-печать из чистого титана.

3D-печать на титане дает множество преимуществ.

В аэрокосмической отрасли использование деталей для 3D-печати из титана часто помогает снизить соотношение покупаемых товаров и услуг. Термин, пришедший из аэрокосмической промышленности, относится к соотношению между весом первоначально закупленного материала и весом готовой детали.

В традиционном производстве, например, титановые компоненты самолетов могут иметь соотношение закупок и продаж от 12: 1 до 25: 1. Это означает, что для производства 1 кг деталей требуется 12-25 кг сырья.В этом сценарии обрабатывается до 90% материала.

Металл 3D-печать может снизить это соотношение для титановых компонентов до 3: 1 и 12: 1. Это связано с тем, что в 3D-принтерах по металлу обычно используется только необходимое количество материала, необходимого для создания детали, что приводит к незначительным отходам от несущих конструкций. Для дорогостоящего материала, такого как титан, экономия за счет этого пониженного отношения покупательной способности к лету может быть весьма значительной.

Аддитивное производство также может улучшить легкие свойства титана благодаря оптимизации топологии.Используя программное обеспечение для оптимизации топологии, инженеры устанавливают определенные требования, такие как ограничения по нагрузке и жесткости, а затем позволяют программному инструменту оптимизировать первоначальный проект в соответствии с этими требованиями. Благодаря этой оптимизации любой ненужный материал удаляется из конструкции, создавая более легкий, но прочный компонент.

Топологически оптимизированные конструкции часто можно изготавливать только с помощью аддитивных производственных технологий. Это преимущество особенно ценится в аэрокосмической отрасли, где легкие титановые детали, напечатанные на 3D-принтере, могут снизить вес и улучшить характеристики самолета.

Три метода металлической 3D-печати, наиболее часто используемые для создания титановых деталей, — это прямое энергетическое осаждение (DED), электронно-лучевая плавка (EBM) и селективная лазерная плавка (SLM).

Первые попытки 3D-печати титана начались в 1997 году в Aeromet Corporation, которая использовала технологию DED для производства деталей для аэрокосмической промышленности.

В DED источник энергии высокой интенсивности, такой как лазер или луч, используется для плавления титанового порошка (или проволоки), когда он наносится через сопло на подложку.Ключевым преимуществом здесь является возможность изготавливать большие детали при относительно высокой скорости наплавки материала (до 320 куб. См / ч).

Сегодня существует множество разновидностей технологии DED, включая аддитивное производство электронно-лучевого излучения (EBAM) и проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM) компании Sciaky.

Шведская компания Arcam разрабатывает технологию EBM для создания титановых имплантатов и аэрокосмических компонентов, напечатанных на 3D-принтере. В EBM электронный луч направляется на слой металлического порошка, плавясь и сплавляя его с предыдущим слоем.

EBM считается более точным, чем DED, и подходит для небольших сложных деталей. Примечательно, что процесс EBM происходит в вакууме и при высокой температуре. Это приводит к минимальным остаточным напряжениям в деталях, напечатанных на 3D-принтере, что также означает, что детали не требуют последующей термообработки.

В 2013 году Arcam выпустила две машины AM, Arcam Q10 и Arcam Q20, нацеленные на производство ортопедических имплантатов и аэрокосмическую промышленность соответственно. Arcam Q20 специально разработан для работы со сплавом Ti6Al4V.

Arcam также выпустила 3D-принтер Arcam Spectra H, способный печатать новые склонные к образованию трещин титановые сплавы, такие как алюминид титана.

Как и EBM, SLM представляет собой процесс плавления в слое порошка, хотя он использует лазерный луч вместо электронного луча для плавления и сплавления слоев металлического порошка. Толщина одного слоя в процессе SLM может достигать 20 микрон, что делает эту технологию намного более точной по сравнению с DED и EBM.

Aerospace доминирует в ключевых областях применения титановой 3D-печати. Тем не менее, другие отрасли, такие как медицина, автоспорт, химическая и морская промышленность, также начинают исследовать технологию производства титановых компонентов.

Для аэрокосмических компаний 3D-печать титаном помогает снизить вес высоконагруженных конструкций, что делает его чрезвычайно подходящим для реактивных двигателей, газовых турбин и многих компонентов планера.

Многие крупнейшие аэрокосмические компании используют титановые детали, напечатанные на 3D-принтере, в своих самолетах.

Liebherr-Aerospace & Transportation SAS

Например, поставщик аэрокосмической продукции Liebherr-Aerospace & Transportation SAS начал серийное производство кронштейна Напечатанные на 3D-принтере кронштейны передней опоры шасси из титана для Airbus A350 XWB ранее в этом году.Эти кронштейны станут первыми деталями Airbus, которые будут производиться из титана, напечатанного на 3D-принтере.

Боинг и Норск Титан

Boeing тоже сделал ставку на 3D-печать титаном. С 2015 года Boeing в партнерстве с норвежской компанией Norsk Titanium, занимающейся 3D-печатью металла, производит крупные конструкционные титановые компоненты для 787 Dreamliner. В 2017 году они прошли квалификацию FAA для безымянной титановой детали, изготовленной с помощью запатентованной технологии Norsk Rapid Plasma Deposition (RPD).
Деталь Norsk Titanium, напечатанная на 3D-принтере и обработанная на станке [Изображение предоставлено: Norsk Titanium]

Основываясь на процессе DED, RDP использует титановую проволоку с плазменными горелками для печати больших титановых конструктивных элементов. Сообщается, что эта технология в 50-100 раз быстрее, чем системы на основе порошка, и использует на 25-50% меньше титана, чем процессы ковки. Ускорение сроков выполнения заказа и сокращение отходов материалов могут сэкономить Boeing до 3 миллионов долларов на один самолет.

В настоящее время 3D-печать титаном изучается в основном для небольших компонентов самолетов, таких как кронштейны и корпуса.Однако в будущем его использование может расшириться на гораздо более крупные структурные компоненты, чему способствует экономия веса, стоимости и времени разработки.

Титан нетоксичен, обладает высокой прочностью и устойчивостью к коррозии, что делает его привлекательным материалом для ортопедических и дентальных имплантатов.

При использовании 3D-печати производители медицинского оборудования могут создавать имплантаты со сложной пористой структурой. Примечательно, что эти структуры имитируют структуру костей человека, поэтому костные клетки распознают ее как основу, через которую они могут расти.

Титановые спинномозговые имплантаты Osseus
Устройство для межтелового спондилодеза Osseus, изготовленное с использованием титановой 3D-печати [Изображение предоставлено: Osseus]

Одна из компаний, разрабатывающих такие устройства, — американская компания Osseus Fusion System. Его титановые спинномозговые имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, называемые Aries-L Interbody Fusion Devices, имеют запатентованную многоосевую сетку и оптимизированную топологию микроповерхностей, что позволяет костям быстрее срастаться. Чтобы сделать такие сложные функции возможными, Osseus печатает свои устройства Aries на сертифицированном FDA 3D-принтере SLM.

Использование титановой 3D-печати для ортопедических устройств, таких как имплантаты позвоночника, бедра и колена, растет. Согласно недавнему отчету Smartech, к 2020 году медицинские применения титана, напечатанного на 3D-принтере, будут составлять около 274000 кг титана. Это дает очень хорошие перспективы для 3D-печати титаном в медицинской промышленности.

Титановый тормозной суппорт Bugatti

По сравнению с аэрокосмической и медицинской отраслью автомобильная промышленность не так быстро внедрила титановую 3D-печать.Несмотря на те же преимущества, потребительский автомобильный рынок очень заботится о затратах, что ограничивает использование этого дорогостоящего материала в большинстве автомобилей.

В настоящее время детали, напечатанные на 3D-принтере из титана, можно найти в гоночных автомобилях и автомобилях класса люкс, где вес и производительность являются важными факторами.

Одним из наиболее ярких примеров использования титановой 3D-печати в автомобилестроении является тормозной суппорт Bugatti, разработанный для его суперкара Bugatti Chiron.

Тормозной суппорт, являющийся неотъемлемой частью тормозной системы, имеет размеры 41 x 21 x 13.6 см и был напечатан на 3D-принтере за 45 часов с использованием технологии SLM. Говорят, что готовая деталь примерно на 40% легче, чем обработанная алюминиевая альтернатива.

В прошлом году компания успешно протестировала тормозной суппорт, доказав, что он может соответствовать экстремальным требованиям по прочности, жесткости и температуре.

Помимо тормозного суппорта, Bugatti использовала титановую 3D-печать при производстве активного кронштейна спойлера. В сотрудничестве с Siemens деталь была оптимизирована для снижения веса при сохранении прочности, что привело к снижению веса на 53% и повышению жесткости.

Титановые диски HRE, напечатанные на 3D-принтере

Американский производитель колесных дисков, HRE, — еще одна компания, которая извлекает выгоду из 3D-печати на титане. Основная цель HRE заключалась в том, чтобы уменьшить количество материала, расходуемого впустую при производстве колесных дисков.

Используя технологию EBM, HRE 3D напечатал обод колеса сложной формы и добился снижения веса на 19%.

При использовании традиционных методов производства для этого применения отходы материалов могут достигать 80%.HRE утверждает, что в случае 3D-печати потери материала не превышают 5%.

Компания HRE считает обод колеса скорее технологической демонстрацией, чем коммерческим продуктом. Тем не менее, этот проект дает представление о том, что ждет дизайн и производство колес в будущем.

Титановая 3D-печать и автоспорт

В автоспорте 3D-печать титаном играет «критически важную стратегическую роль» в производстве высокопроизводительных и легких транспортных средств, в том числе гоночных.

Один из примеров поступил от студенческой команды Oxford Brookes Formula. В сотрудничестве с Центром производственных технологий Великобритании (MTC) команда переработала стойки автомобиля и изготовила их с использованием технологии EBM. Благодаря этому процессу команда смогла снизить вес на 50%.

Несмотря на преимущества 3D-печати титаном, необходимо учитывать несколько проблем.

Во-первых, это необходимость разработки стандартов использования титана с аддитивными технологиями. Некоторые компании уже делают шаги в этом направлении. В 2018 году Boeing и Oerlikon подписали пятилетнее партнерство, направленное на стандартизацию 3D-печати на титане и обеспечение соответствия печатных компонентов требованиям FAA и DoD к полетам.

Вторая проблема заключается в высокой стоимости титановых порошков. Например, стоимость титанового порошка, оптимизированного для 3D-печати, составляет от 300 до 600 долларов.

Чтобы снизить фактическую стоимость материала на килограмм титана, некоторые производители порошка разработали альтернативные методы производства порошка. Канадская компания PyroGenesis, например, использует систему плазменного распыления NexGen ™, которая производит металлический порошок, включая титан, со скоростью более 25 кг / ч. Более высокие темпы производства позволяют компании производить титан по конкурентоспособным ценам.

Британская компания Metalysis разработала еще один метод производства порошка, который может снизить цены на титан.В этом методе используется форма электролиза для преобразования сырого оксида титана в порошок титана. Ключевые преимущества этой технологии заключаются в ее экологичности и низкой стоимости по сравнению с традиционными методами производства порошков.

В сентябре 2018 года компания Metalysis начала коммерческое производство титановых порошков в дополнение к другим сплавам, стремясь поставлять от 10 до 100 тонн металлических порошков в год.

Если новые методы производства титанового порошка смогут реализовать свой потенциал, средняя цена 1 кг титана может быть снижена на 17% к 2024 году, согласно анализу SmarTech.

Титановая 3D-печать стала ценной технологией в аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности. Основная причина этого — выигрышное сочетание превосходных свойств титана и способности 3D-печати сокращать отходы и создавать сложные и легкие конструкции.

В будущем, по мере того, как стоимость титана снижается и открываются новые возможности, 3D-печать титаном станет отличной производственной альтернативой для гораздо более широкого круга отраслей.