Kaj je razlog, zakaj je titanovo zlitino in aluminij težko variti?

Titanova zlitina je lahek material visoke trdnosti, odporen proti koroziji. Zaradi svojih odličnih lastnosti se pogosto uporablja v letalstvu, medicinski opremi, kemični industriji in na drugih področjih. Vendar je varilna zmogljivost titanovih zlitin razmeroma slaba, predvsem zaradi naslednjih razlogov:
Tvorba oksidne plasti:Trdna oksidna plast se zlahka oblikuje na površini titanove zlitine. Ta oksidna plast ne le poveča težave med postopkom varjenja, ampak tudi zmanjša trdnost varjenja. Pred varjenjem so običajno potrebne nekatere posebne metode predobdelave, kot je luženje ali mehansko poliranje, da se odstrani oksidna plast in s tem izboljša učinkovitost varjenja.
Nizka toplotna prevodnost:Toplotna prevodnost titanove zlitine je relativno nizka, kar ima za posledico velik temperaturni gradient v bližini zvara, kar lahko zlahka povzroči deformacijo pri varjenju in razpoke. Da bi zmanjšali temperaturni gradient, je pogosto treba sprejeti ukrepe, kot sta predgrevanje in nadzor hitrosti varjenja, kar poveča kompleksnost varilnega postopka.
Občutljivost na vodik:Titanova zlitina je občutljiva na vodik in zlahka absorbira vodik med postopkom varjenja, kar povzroči vodikovo krhkost. Vodikova krhkost lahko povzroči krhek lom zvarnih spojev, zato je treba sprejeti nekatere ukrepe, kot je nadzor vsebnosti vodika v varilnem okolju, da zmanjšamo tveganje vodikove krhkosti.

Selektivno raztapljanje:Titanova zlitina je nagnjena k selektivnemu raztapljanju z nekaterimi kovinskimi elementi pri visokih temperaturah, kar tvori krhko fazo, ki vpliva na zmogljivost zvarjenih spojev. Zato je treba posebno pozornost posvetiti izogibanju temu selektivnemu raztapljanju pri izbiri varilnih materialov in varilnih postopkov.
Visoko tališče:Relativno visoko tališče titanovih zlitin zahteva visoke temperature za varilni proces, s čimer se povečajo poraba energije in zahteve po varilni opremi.
Da bi rešili te težave, varjenje titanovih zlitin običajno zahteva uporabo specializiranih varilnih postopkov, vključno z varjenjem v inertnem plinu, varjenjem z elektronskim žarkom, laserskim varjenjem in drugimi naprednimi varilnimi tehnologijami. Poleg tega so izbira ustreznih varilnih materialov, nadzor varilnih parametrov in sprejemanje metod predobdelave prav tako pomembna sredstva za izboljšanje kakovosti varjenja titanovih zlitin.

Če povzamemo, razlogi, zakaj je titanovo zlitino in aluminij težko variti, so naslednji:
1. Aluminij in titan zlahka reagirata s kisikom
⑴ Aluminij reagira s kisikom in tvori gost in ognjevzdržen Al2O3 (oksidni film) s tališčem do 2050 stopinj, kar ovira kombinacijo obeh osnovnih materialov in naredi zvar nagnjen k vključkom.
⑵Titan začne oksidirati pri 600 stopinjah. Višja kot je temperatura, resnejša bo oksidacija, ki tvori TiO2 (titanov dioksid), ki tvori vmesno krhko plast v zvaru, kar zmanjšuje plastičnost in žilavost.
2. Aluminij in titan reagirata različno pri različnih temperaturah
⑴. Pri 1460 stopinjah aluminij in titan tvorita spojino TiAl (titanov aluminid), ki vsebuje 36,03 % masnega deleža aluminija, kar poveča krhkost kovine.
⑵ Aluminij in titan tvorita spojino TiAl3 (titanov trialuminid), ki vsebuje 60 % do 64 % masnega deleža aluminija pri 1340 stopinjah.
⑶ Ko se aluminij in titan stopita, ko je masni delež titana 0,15 %, v aluminiju nastane trdna raztopina titana.
3. Medsebojna topnost aluminija in titana je zelo majhna
⑴Pri 665 stopinjah je topnost titana v aluminiju 0.26%~0.28%. Ko se temperatura zniža, se topnost zmanjša.
⑵Ko temperatura pade na 20 stopinji, topnost titana v aluminiju pade na 0,07 %, zaradi česar je težko kombinirati oba osnovna materiala.
Topnost aluminija v titanu je bolj omejena, zaradi česar je nastajanje zvarov med osnovnima materialoma zelo oteženo.
4. Aluminij in titan imata močno absorpcijo vode pri visokih temperaturah.
⑴Tekoči aluminij lahko raztopi veliko količino vodika, vendar je v trdnem stanju skoraj netopen. Ko se zvar strdi, vodik nima časa, da bi ušel in oblikoval pore.
⑵Vodik ima visoko topnost v titanu. Pri nizkih temperaturah se vodik nabira v porah, kar zmanjša plastičnost in žilavost zvara ter zlahka povzroči krhke razpoke.
5. Aluminij tvori krhke spojine s titanom in drugimi nečistočami
⑴. Oksid, ki ga tvorita aluminij in kisik, poveča krhkost kovine in oteži varjenje.
⑵Titan in dušik tvorita titanov nitrid, ki zmanjša plastičnost kovine.
⑶Titan in ogljik tvorita karbide. Ko je masni delež ogljika večji od 0,28 %, se bo varivost obeh osnovnih kovin znatno poslabšala.
6. Aluminij in titan reagirata različno pri različnih temperaturah
⑴Toplotna prevodnost aluminija in titana je zelo različna. Aluminij (206,9 W·m-2·K-1) je približno 16-krat večji od titana (13,8 W·m-2·K-1).
⑵Koeficienti linearne ekspanzije aluminija in titana so zelo različni in aluminij je približno 3-krat večji od titana. Nagnjen k pokanju pod pritiskom.
7. Elementi zlitine v aluminiju in titanu gorijo in izhlapevajo
⑴Ko se aluminij ali aluminijeva zlitina tali, začnejo elementi z nižjimi tališči, kot so magnezij, cink itd., goreti ali izhlapevati.
⑵ Ko je doseženo tališče titana ali titanove zlitine (1677 stopinj), elementi zlitine, kot je aluminij, gorijo in bolj izhlapevajo, kar povzroči neenakomerno kemično sestavo zvara in zmanjšano trdnost.