Ποιος είναι ο λόγος για τον οποίο το κράμα τιτανίου και το αλουμίνιο είναι δύσκολο να συγκολληθούν;
Το κράμα τιτανίου είναι ένα ελαφρύ, υψηλής αντοχής, ανθεκτικό στη διάβρωση υλικό. Λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του, χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, τον ιατρικό εξοπλισμό, τη χημική βιομηχανία και άλλους τομείς. Ωστόσο, η απόδοση συγκόλλησης των κραμάτων τιτανίου είναι σχετικά κακή, κυρίως για τους ακόλουθους λόγους:
Σχηματισμός στιβάδας οξειδίου:Ένα στερεό στρώμα οξειδίου σχηματίζεται εύκολα στην επιφάνεια του κράματος τιτανίου. Αυτό το στρώμα οξειδίου όχι μόνο αυξάνει τη δυσκολία κατά τη διαδικασία συγκόλλησης, αλλά μειώνει επίσης την αντοχή συγκόλλησης. Πριν από τη συγκόλληση, απαιτούνται συνήθως ορισμένες ειδικές μέθοδοι προεπεξεργασίας, όπως η αποξίδωση ή η μηχανική στίλβωση, για την αφαίρεση του στρώματος οξειδίου και ως εκ τούτου τη βελτίωση της απόδοσης συγκόλλησης.
Χαμηλή θερμική αγωγιμότητα:Η θερμική αγωγιμότητα του κράματος τιτανίου είναι σχετικά χαμηλή, με αποτέλεσμα μια μεγάλη κλίση θερμοκρασίας κοντά στη συγκόλληση, η οποία μπορεί εύκολα να προκαλέσει παραμόρφωση συγκόλλησης και ρωγμές. Προκειμένου να μειωθεί η διαβάθμιση θερμοκρασίας, είναι συχνά απαραίτητο να υιοθετούνται μέτρα όπως η προθέρμανση και ο έλεγχος της ταχύτητας συγκόλλησης, γεγονός που αυξάνει την πολυπλοκότητα της διαδικασίας συγκόλλησης.
Ευαισθησία στο υδρογόνο:Το κράμα τιτανίου είναι ευαίσθητο στο υδρογόνο και απορροφά εύκολα το υδρογόνο κατά τη διαδικασία συγκόλλησης, με αποτέλεσμα την ευθραυστότητα του υδρογόνου. Η ευθραυστότητα του υδρογόνου μπορεί να προκαλέσει εύθραυστο κάταγμα των συγκολλημένων αρμών, επομένως πρέπει να ληφθούν ορισμένα μέτρα, όπως ο έλεγχος της περιεκτικότητας σε υδρογόνο στο περιβάλλον συγκόλλησης, για να μειωθεί ο κίνδυνος ευθραυστότητας του υδρογόνου.
Επιλεκτική διάλυση:Το κράμα τιτανίου είναι επιρρεπές σε επιλεκτική διάλυση με ορισμένα μεταλλικά στοιχεία σε υψηλές θερμοκρασίες, σχηματίζοντας μια εύθραυστη φάση, η οποία επηρεάζει την απόδοση των συγκολλημένων αρμών. Επομένως, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στην αποφυγή αυτής της επιλεκτικής διάλυσης κατά την επιλογή υλικών συγκόλλησης και διεργασιών συγκόλλησης.
Υψηλό σημείο τήξης:Το σχετικά υψηλό σημείο τήξης των κραμάτων τιτανίου απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες για τη διαδικασία συγκόλλησης, αυξάνοντας έτσι την κατανάλωση ενέργειας και τις απαιτήσεις σε εξοπλισμό συγκόλλησης.
Προκειμένου να επιλυθούν αυτά τα προβλήματα, η συγκόλληση κραμάτων τιτανίου συνήθως απαιτεί τη χρήση εξειδικευμένων διεργασιών συγκόλλησης, συμπεριλαμβανομένης της συγκόλλησης με θωράκιση αδρανούς αερίου, της συγκόλλησης με δέσμη ηλεκτρονίων, της συγκόλλησης με λέιζερ και άλλων προηγμένων τεχνολογιών συγκόλλησης. Επιπλέον, η επιλογή των κατάλληλων υλικών συγκόλλησης, ο έλεγχος των παραμέτρων συγκόλλησης και η υιοθέτηση μεθόδων προεπεξεργασίας είναι επίσης σημαντικά μέσα για τη βελτίωση της ποιότητας συγκόλλησης των κραμάτων τιτανίου.
Συνοψίζοντας, οι λόγοι για τους οποίους το κράμα τιτανίου και το αλουμίνιο είναι δύσκολο να συγκολληθούν είναι οι εξής:
1. Το αλουμίνιο και το τιτάνιο αντιδρούν εύκολα με το οξυγόνο
⑴ Το αλουμίνιο αντιδρά με το οξυγόνο για να σχηματίσει ένα πυκνό και πυρίμαχο Al2O3 (υμένιο οξειδίου) με σημείο τήξης έως και 2050 βαθμούς, το οποίο εμποδίζει τον συνδυασμό των δύο βασικών υλικών και καθιστά τη συγκόλληση επιρρεπής σε εγκλείσματα.
⑵ Το τιτάνιο αρχίζει να οξειδώνεται στους 600 βαθμούς. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο σοβαρή θα είναι η οξείδωση, σχηματίζοντας TiO2 (διοξείδιο του τιτανίου), σχηματίζοντας ένα ενδιάμεσο εύθραυστο στρώμα στη συγκόλληση, μειώνοντας την πλαστικότητα και τη σκληρότητα.
2. Το αλουμίνιο και το τιτάνιο αντιδρούν διαφορετικά σε διαφορετικές θερμοκρασίες
⑴. Στους 1460 βαθμούς, το αλουμίνιο και το τιτάνιο σχηματίζουν μια ένωση TiAl (αλουμινίδιο του τιτανίου) που περιέχει 36,03% κλάσμα μάζας αλουμινίου, το οποίο αυξάνει την ευθραυστότητα του μετάλλου.
⑵ Το αλουμίνιο και το τιτάνιο σχηματίζουν μια ένωση TiAl3 (τριαργιλιούχο τιτάνιο) που περιέχει 60% έως 64% κλάσμα μάζας αλουμινίου στους 1340 βαθμούς.
⑶ Μετά την τήξη του αλουμινίου και του τιτανίου, όταν το κλάσμα μάζας του τιτανίου είναι 0,15%, σχηματίζεται στερεό διάλυμα τιτανίου στο αλουμίνιο.
3. Η αμοιβαία διαλυτότητα αλουμινίου και τιτανίου είναι πολύ μικρή
⑴Στους 665 βαθμούς , η διαλυτότητα του τιτανίου στο αλουμίνιο είναι 0,26%~0,28%. Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, η διαλυτότητα μειώνεται.
⑵Όταν η θερμοκρασία πέφτει στους 20 βαθμούς, η διαλυτότητα του τιτανίου στο αλουμίνιο πέφτει στο 0,07%, καθιστώντας δύσκολο τον συνδυασμό των δύο βασικών υλικών.
Η διαλυτότητα του αλουμινίου στο τιτάνιο είναι πιο περιορισμένη, γεγονός που καθιστά πολύ δύσκολο τον σχηματισμό συγκολλήσεων μεταξύ των δύο βασικών υλικών.
4. Το αλουμίνιο και το τιτάνιο έχουν ισχυρή απορρόφηση νερού σε υψηλές θερμοκρασίες.
⑴Το υγρό αλουμίνιο μπορεί να διαλύσει μεγάλη ποσότητα υδρογόνου, αλλά είναι σχεδόν αδιάλυτο στη στερεά κατάσταση. Καθώς η συγκόλληση στερεοποιείται, το υδρογόνο δεν έχει χρόνο να διαφύγει και να σχηματίσει πόρους.
⑵ Το υδρογόνο έχει υψηλή διαλυτότητα στο τιτάνιο. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, το υδρογόνο συσσωρεύεται στους πόρους, μειώνοντας την πλαστικότητα και την σκληρότητα της συγκόλλησης και προκαλώντας εύκολα εύθραυστες ρωγμές.
5. Το αλουμίνιο σχηματίζει εύθραυστες ενώσεις με τιτάνιο και άλλες ακαθαρσίες
⑴. Το οξείδιο που σχηματίζεται από το αλουμίνιο και το οξυγόνο αυξάνει την ευθραυστότητα του μετάλλου και δυσκολεύει τη συγκόλληση.
⑵Το τιτάνιο και το άζωτο σχηματίζουν νιτρίδιο τιτανίου, το οποίο μειώνει την πλαστικότητα του μετάλλου.
⑶Το τιτάνιο και ο άνθρακας σχηματίζουν καρβίδια. Όταν το κλάσμα μάζας του άνθρακα είναι μεγαλύτερο από 0,28%, η συγκολλησιμότητα και των δύο βασικών μετάλλων θα επιδεινωθεί σημαντικά.
6. Το αλουμίνιο και το τιτάνιο αντιδρούν διαφορετικά σε διαφορετικές θερμοκρασίες
⑴Η θερμική αγωγιμότητα του αλουμινίου και του τιτανίου είναι πολύ διαφορετική. Το αλουμίνιο (206,9W·m-2·K-1) είναι περίπου 16 φορές μεγαλύτερο από το τιτάνιο (13,8W·m-2·K-1).
⑵Οι γραμμικοί συντελεστές διαστολής του αλουμινίου και του τιτανίου είναι πολύ διαφορετικοί και το αλουμίνιο είναι περίπου 3 φορές μεγαλύτερο από το τιτάνιο. Επιρρεπής σε ρωγμές υπό πίεση.
7. Τα στοιχεία κράματος σε αλουμίνιο και τιτάνιο καίγονται και εξατμίζονται
⑴Όταν το αλουμίνιο ή το κράμα αλουμινίου λιώνει, στοιχεία με σημεία τήξης χαμηλότερα από αυτό, όπως μαγνήσιο, ψευδάργυρος κ.λπ., αρχίζουν να καίγονται ή να εξατμίζονται.
⑵ Όταν επιτευχθεί το σημείο τήξης του τιτανίου ή του κράματος τιτανίου (1677 μοίρες), τα στοιχεία κράματος όπως το αλουμίνιο καίγονται και εξατμίζονται περισσότερο, με αποτέλεσμα την ανομοιόμορφη χημική σύνθεση της συγκόλλησης και τη μειωμένη αντοχή.
