Titanium Grade 5 og Grade 23: En detaljert sammenligning

Ti-6Al-4V legeringssystem

Grad 5 og grad 23 tilhører alfa-beta titanfamilien, med en to-fasestruktur av sekskantet alfa og kropps-sentrert kubisk beta. Sammensetningen, 6 prosent aluminium og 4 prosent vanadium, er det mest vellykkede titanlegeringssystemet som noen gang er utviklet, og kombinerer høy styrke, moderat tetthet og god korrosjonsbestandighet.

De to kvalitetene er metallurgisk det samme systemet, men de er spesifisert for ulike markeder. Grad 5, UNS R56400, er arbeidshesten til romfart og industri; Grad 23, UNS R56401, er den ekstra-lave-interstitielle versjonen som kreves av medisinske implantater og kryogene applikasjoner.

Kjemi: Standard og Ekstra-Lav interstitial

De interstitielle elementene oksygen, karbon, nitrogen og hydrogen okkuperer mellomrommene mellom titanatomer og styrker legeringen ved å forvrenge gitteret. Grad 5 tillater opptil 0,20 prosent oksygen og 0,40 prosent jern. Grad 23 begrenser oksygen til 0,13 prosent, jern til 0,25 prosent, og senker de andre interstitialene proporsjonalt.

Effekten av de strammere grensene er synlig i eiendommene. Lavere interstitielt innhold gir høyere bruddseighet, bedre duktilitet og langsommere sprekkvekst, som er akkurat de egenskapene som trengs der en feil ville være katastrofal. Styrkestraffen er bare noen få prosent, og det er derfor ELI-karakteren er valgt for de mest krevende delene.

Mikrostruktur og varmebehandling

Begge karakterene arbeides i alfa-betafeltet. Ingots smiddes og rulles til emne, plate, plate, stang og rør, og den endelige glødingen ved omtrent 700 til 800 grader C gir en fin, likeakset alfa-betastruktur. For høyere styrke gir en løsningsbehandling ved ca. 955 grader C etterfulgt av aldring ved 480 til 595 grader C en herdet struktur med vesentlig høyere strekkfasthet.

Foredlingsruten er lik for begge kvaliteter, og derfor produseres de ofte på samme fabrikker. Forskjellen ligger i kjemikontrollen av smelten og kvalitetssystemet, med klasse 23 som krever strengere verifisering av hver varme.

Mekanisk oppførsel

I glødet tilstand garanterer Grade 5 895 MPa strekkfasthet og 828 MPa utbytte, med 10 prosent forlengelse i arkform; Grad 23 garanterer 860 MPa og 795 MPa. I løsningen -behandlet og eldet tilstand når begge kvaliteter godt over 1000 MPa strekkfasthet, på bekostning av redusert duktilitet.

Seighet er der ELI-karakteren skiller seg. Bruddseighetsverdier for grad 23 er typisk 40 til 60 prosent høyere enn grad 5 under tilsvarende forhold, og fordelen vokser ved lav temperatur. Utmattingsytelsen er sammenlignbar, med klasse 23 noen ganger foretrukket i høy-syklusdesign på grunn av dens bedre motstand mot sprekkvekst.

Søknader for hver klasse

Grad 5 er standard for flystrukturer, motorkomponenter, festemidler, marin maskinvare, trykkbeholdere og ytelsesutstyr. Kombinasjonen av styrke, pris og tilgjengelighet gjør den til førstevalget uansett hvor en titanlegering er spesifisert uten spesielle krav.

Grad 23 er spesifisert for kirurgiske implantater under ASTM F136, for kryogene kar og rør under lav-temperaturkoder, og for frakturkritiske-strukturer som undersjøiske skrog og dyp-sjøtrykkhus. I disse applikasjonene er seighetsmarginen, ikke styrken, kjøpskriteriet.

Ofte stilte spørsmål

Spørsmål: Er klasse 5 og grad 23 den samme legeringen?

A: De deler Ti-6Al-4V-basesammensetningen, men klasse 23 begrenser mellomliggende elementer tettere for å forbedre seighet og duktilitet.

Spørsmål: Hva er styrkeforskjellen?

A: Glødet Grade 5 garanterer 895 MPa strekk og 828 MPa utbytte; Karakter 23 garanterer 860 MPa og 795 MPa, omtrent fire prosent lavere.

Spørsmål: Hvorfor brukes grad 23 til implantater?

A: De ekstra-lave interstitielle grensene gir bruddseigheten og biokompatibilitetsprofilen som kreves av ASTM F136 for kirurgiske implantater.

Spørsmål: Kan begge kvaliteter varmebehandles?

A: Ja, begge reagerer på løsningsbehandling og aldring, som øker styrken godt over 1000 MPa på bekostning av duktilitet.

Spørsmål: Hvilken karakter er bedre for kryogen tjeneste?

A: Grade 23, hvis høye seighet ved lav temperatur gjør det til standardvalget for flytende gassutstyr.

Spørsmål: Hvordan identifiseres karakterene?

A: Etter UNS-nummer, R56400 for grad 5 og R56401 for grad 23, og etter den gjeldende spesifikasjonen på sertifikatet.