Graus de titani comercialment pur adequats per a entorns de temperatura mitjana-a-alta i baixa-temperatura
1. Graus de titani CP per a escenaris de temperatura mitjana-a-alta
Retenció de la resistència a la tracció i a la fatiga
Resistència a la deformació per fluència (flux plàstic lent sota càrrega sostinguda)
Estabilitat microestructural (sense transformació de fase ni segregació d'impureses)
Resistència a l'oxidació (formació minimitzada d'escales de TiO₂ fràgils)
1.1 Selecció òptima de grau: grau 2 i grau 4
1.1.1 Avantatges bàsics de 2n i 4t grau
Retenció de la força a temperatures elevades: les impureses intersticials (oxigen i nitrogen) del grau 2 i del grau 4 formen una solució sòlida estable a la -reticula de titani, que resisteix el suavització de la gelosia a 200-300 graus . A 300 graus, el grau 4 manté el 70% de la seva resistència a la tracció a temperatura ambient (UTS, ~485 MPa a temperatura ambient vs. temperatura ambient vs. ~190 MPa a 300 graus).
Resistència a la fluència: La fluència és un mode de fallada crític per a materials amb càrrega sostinguda a temperatures elevades. El contingut més elevat d'oxigen del grau 4 augmenta la fricció de la gelosia, alentint el moviment de dislocació i reduint la tensió de fluència. A 350 graus i una tensió de 150 MPa, la tensió de fluència del grau 4 després de 1.000 hores és d'un 0,2%, en comparació amb el 0,8% del grau 1 en les mateixes condicions.
Resistència a l'oxidació: Tant el grau 2 com el grau 4 formen una capa d'òxid de TiO₂ densa i adherent a 200-400 graus, que actua com a barrera per a una major entrada d'oxigen. El contingut d'impureses lleugerament més elevat del grau 4 no compromet la integritat de la capa d'òxid, mentre que els graus d'impureses ultra-baix (per exemple, el grau 1) poden formar òxids porosos a causa de la menor estabilitat de la gelosia.
1.1.2 Grau especialitzat per a entorns corrosius d'alta -temperatura: grau 7 (Ti-0,12Pd)
Millora la resistència a la corrosió en àcids reductors (per exemple, HCl) a temperatures elevades
Prevé la corrosió localitzada (corrosió per picades i esquerdes) que es pot accelerar per altes temperatures
Manté l'estabilitat microestructural fins a 350 graus sense formar fases intermetàl·liques fràgils
1.1.3 Casos d'aplicació
Processament químic: El grau 2 s'utilitza per als tubs d'intercanviador de calor que funcionen a 200-250 graus, mentre que el grau 4 s'utilitza per als components del recipient del reactor a 300-400 graus.
Sistemes auxiliars aeroespacials: El grau 4 s'utilitza per a línies hidràuliques en góndoles de motor d'avions (que funcionen a 250-300 graus) a causa de la seva resistència a la fluència i retenció de força.
Plantes dessalinitzadores: El grau 7 s'utilitza per a escalfadors de salmorra-alta temperatura (250-300 graus) per resistir la corrosió del clorur i la fatiga tèrmica.
1.2 Graus a evitar per a temperatures mitjanes-a-eleves
Grau 1: el seu contingut d'oxigen ultra-baix com a resultat una mala retenció de la força i una resistència a la fluència superior a 250 graus, el que el fa inadequat per a components de càrrega-a temperatures elevades.
Grau 3: tot i que el seu rendiment és intermedi entre el Grau 2 i el Grau 4, no ofereix cap avantatge significatiu respecte al Grau 2 (menor cost) o al Grau 4 (més resistència), cosa que comporta un ús limitat en aplicacions de temperatura mitjana-a-alta.
2. Qualificacions de titani CP amb una resistència superior per a entorns de baixa-temperatura
2.1 Selecció òptima de grau: grau 1 i grau 2 (el grau 1 és preferit per a temperatures ultra-baixes)
2.1.1 Avantatges bàsics del grau 1 per a condicions criogèniques
Ductilitat excepcional a baixa-temperatura: a -196 graus (temperatura del nitrogen líquid), el grau 1 reté un 80% del seu allargament a temperatura ambient (24-28% a temperatura ambient vs. 20-22% a -196 graus) i ~75% de la seva reducció d'àrea (30-35% a temperatura ambient vs -{12}}-98% a --98%). En canvi, el grau 4 (alt contingut d'oxigen) experimenta una caiguda del 40% de l'allargament a -196 graus (del 15% a temperatura ambient al 9% a -196 graus).
Alta tenacitat a la fractura: La tenacitat a la fractura (KIC) és una mètrica crítica per als materials criogènics. El grau 1 té un KIC de ~60 MPa·m¹/² a -196 graus, mentre que el KIC del grau 4 baixa a ~35 MPa·m¹/² a la mateixa temperatura. El baix contingut d'impureses intersticials del grau 1 redueix la distorsió de la gelosia i elimina la formació de precipitats fràgils, permetent la deformació plàstica abans de la fractura.
Resistència a la fatiga a baixa-temperatura: a -100 graus , el límit de fatiga del grau 1 (10⁷ cicles) és d'~170 MPa, només un 5% inferior al seu límit de fatiga a temperatura ambient (~180 MPa). El grau 4, en comparació, veu una caiguda del 15% del límit de fatiga a -100 graus (de 150 MPa a temperatura ambient a 127 MPa a -100 graus) a causa de l'augment de la fragilitat.
2.1.2 Justificació per evitar graus d'-impureses altes (grau 3 i grau 4)
L'alt contingut d'oxigen/nitrogen al grau 3 i al grau 4 augmenta la duresa de la gelosia i redueix la mobilitat de la dislocació a baixes temperatures, donant lloc a una transició de la fractura dúctil a fràgil.
A temperatures inferiors a -100 graus, aquests graus poden formar zones fràgils localitzades als límits del gra, on les impureses intersticials se separen, provocant una fractura sobtada sota l'impacte o la càrrega cíclica.
2.1.3 Casos d'aplicació
Sistemes de gas natural liquat (GNL).: El grau 1 s'utilitza per a revestiments de tancs d'emmagatzematge de GNL i canonades de transferència (que funcionen a -162 graus) a causa de la seva alta tenacitat i resistència a la fatiga criogènica.
Equip mèdic criogènic: El grau 2 es desplega per a components de nitrogen líquid/congelador en dispositius d'imatge mèdica (funcionant entre -80 graus i -196 graus) per equilibrar la duresa i la força moderada.
Sistemes de combustible criogènic aeroespacial: El grau 1 s'utilitza per a línies de combustible d'hidrogen líquid (que funcionen a -253 graus) per evitar fallades fràgils sota càrregues de fred extrem i vibracions.
