Подходящие марки коммерчески чистого титана для работы в средах со средними-до-высокими и низкими- температурами.
1. Марки титана CP для средних---высокотемпературных сценариев.
Сохранение прочности на растяжение и усталости.
Сопротивление деформации ползучести (медленное пластическое течение при длительной нагрузке)
Микроструктурная стабильность (отсутствие фазовых превращений и сегрегации примесей)
Устойчивость к окислению (минимизация образования хрупких накипи TiO₂)
1.1 Выбор оптимальной степени: степень 2 и степень 4.
1.1.1 Основные преимущества классов 2 и 4
Сохранение прочности при повышенных температурах: Примеси внедрения (кислород и азот) в классах 2 и 4 образуют стабильный твердый раствор в решетке - титана, который противостоит размягчению решетки при 200–300 градусах. При 300 градусах класс 4 сохраняет ~70 % предела прочности на разрыв при комнатной- температуре (UTS, ~485 МПа при комнатной температуре по сравнению с ~340 МПа при 300 градусах), тогда как класс 1 (низкое содержание кислорода, 0,18 мас.% O) сохраняет только ~55 % UTS при комнатной- температуре (~345 МПа при комнатной температуре по сравнению с 300 градусами). ~190 МПа при 300 градусах).
Сопротивление ползучести: Ползучесть является критическим видом разрушения материалов при длительной нагрузке при повышенных температурах. Более высокое содержание кислорода в 4-й степени увеличивает трение решетки, замедляя движение дислокаций и уменьшая деформацию ползучести. При 350 градусах и напряжении 150 МПа деформация ползучести класса 4 через 1000 часов составляет ~0,2% по сравнению с ~0,8% для класса 1 в тех же условиях.
Устойчивость к окислению: И класс 2, и класс 4 образуют плотный, липкий слой оксида TiO₂ при температуре 200–400 градусов, который действует как барьер для дальнейшего проникновения кислорода. Немного более высокое содержание примесей в марке 4 не нарушает целостность оксидного слоя, тогда как марки со сверх-низким содержанием примесей (например, марка 1) могут образовывать пористые оксиды из-за более низкой стабильности решетки.
1.1.2 Специализированная марка для высоко-коррозионных сред: класс 7 (Ti-0,12Pd)
Повышает коррозионную стойкость при восстановлении кислот (например, HCl) при повышенных температурах.
Предотвращает локальную коррозию (питтинговую и щелевую коррозию), которая может ускориться под воздействием высоких температур.
Сохраняет микроструктурную стабильность до 350 градусов без образования хрупких интерметаллических фаз.
1.1.3 Случаи применения
Химическая обработка: Марка 2 используется для труб теплообменников, работающих при 200–250 градусах, а марка 4 применяется для компонентов корпуса реактора при 300–400 градусах.
Аэрокосмические вспомогательные системы: Марка 4 используется для гидравлических линий в гондолах авиационных двигателей (работающих при температуре 250–300 градусов) из-за ее сопротивления ползучести и сохранения прочности.
Опреснительные установки: Марка 7 используется для высокотемпературных-нагревателей рассола (250–300 градусов) для защиты от хлоридной коррозии и термической усталости.
1.2 Сорта, которых следует избегать при средних-–-высоких температурах
1 класс: Сверх-низкое содержание кислорода приводит к плохому сохранению прочности и сопротивлению ползучести при температуре выше 250 градусов, что делает его непригодным для изготовления-несущих компонентов при повышенных температурах.
3 класс: Хотя его характеристики являются промежуточными между классом 2 и классом 4, он не дает существенных преимуществ по сравнению с классом 2 (более низкая стоимость) или классом 4 (более высокая прочность), что приводит к ограниченному использованию в условиях средних---высоких температур.
2. Марки титана CP с превосходной прочностью для работы в условиях низких-температур.
2.1 Выбор оптимального класса: класс 1 и класс 2 (класс 1 предпочтителен для сверх-низких температур)
2.1.1 Основные преимущества класса 1 для криогенных условий
Исключительная пластичность при низких-температурах: При -196 градусах (температура жидкого азота) класс 1 сохраняет ~80% своего удлинения при комнатной температуре (24–28% при комнатной температуре по сравнению с . 20–22% при -196 градусах) и ~75% уменьшения площади (30–35% при комнатной температуре по сравнению с. 25–28% при -196 градусах). Напротив, степень 4 (высокое содержание кислорода) имеет снижение удлинения на 40% при -196 градусах (с 15% при комнатной температуре до 9% при -196 градусах).
Высокая вязкость разрушения: Вязкость разрушения (KIC) является важнейшим показателем для криогенных материалов. Класс 1 имеет KIC ~60 МПа·м¹/² при температуре -196 градусов, тогда как KIC класса 4 падает до ~35 МПа·м¹/² при той же температуре. Низкое содержание примесей внедрения в Grade 1 уменьшает искажение решетки и исключает образование хрупких выделений, что позволяет осуществить пластическую деформацию перед разрушением.
Устойчивость к низко-усталости: При -100 градусах предел усталости класса 1 (10⁷ циклов) составляет ~ 170 МПа, что всего на 5 % ниже, чем предел усталости при комнатной температуре (~ 180 МПа). Для сравнения, в классе 4 предел выносливости снижается на 15% при -100 градусах (от 150 МПа при комнатной температуре до 127 МПа при -100 градусах) из-за повышенной хрупкости.
2.1.2 Обоснование необходимости избегать высоких-степеней примесей (класса 3 и класса 4)
Высокое содержание кислорода/азота в Grade 3 и Grade 4 увеличивает твердость решетки и снижает подвижность дислокаций при низких температурах, что приводит к переходу от вязкого разрушения к хрупкому.
При температуре ниже -100 градусов эти марки могут образовывать локальные хрупкие зоны по границам зерен, где происходит сегрегация межузельных примесей, вызывающая внезапное разрушение под воздействием удара или циклической нагрузки.
2.1.3 Случаи применения
Системы сжиженного природного газа (СПГ): Марка 1 используется для облицовки резервуаров для хранения СПГ и перекачивающих трубопроводов (работающих при -162 градусах) из-за ее высокой прочности и устойчивости к криогенной усталости.
Криогенное медицинское оборудование: Класс 2 применяется для компонентов жидкого азота/морозильной камеры в медицинских устройствах визуализации (работающих при температуре от -80 до -196 градусов), чтобы сбалансировать ударную вязкость и умеренную прочность.
Аэрокосмические криогенные топливные системы: Класс 1 используется для топливопроводов с жидким водородом (работающих при -253 градусах) для предотвращения хрупкого разрушения при экстремальных холодных и вибрационных нагрузках.
