מחקר על ההשפעה של אלמנט Si על היציבות התרמית של סגסוגות טיטניום

ההשפעות של Si על היציבות התרמית של שלוש סגסוגות בינאריות TiSi עם תכולת Si שונה נחקרו על ידי ביצוע ניסויי חשיפה תרמית בטמפרטורות שונות למשך 100 שעות ואפיון היציבות התרמית של הסגסוגות לפי תכונות מכניות. התוצאות מראות כי בתנאי הניסוי, תוספת של אלמנט Si מגבירה את חוזק המתיחה של הסגסוגות, וככל שתכולת ה-Si גבוהה יותר, כך שיפור החוזק גבוה יותר: במהלך תהליך החשיפה התרמית, כאשר טמפרטורת החשיפה התרמית גבוהה מ-450 רמה , חוזק המתיחה של סגסוגות Ti-Si מראה מגמת ירידה, והן מציגות את היציבות התרמית הגרועה ביותר לאחר 500 מעלות /100 שעות של טיפול בחשיפה תרמית, ביניהן ההתארכות של Ti-0.4 סגסוגות Si פוחתת ל-28.0%. TiSi, שנוצר על ידי דיפוזיה ודימריזציה של יסודות Si, הוא הגורם העיקרי המשפיע על היציבות התרמית של סגסוגות Ti-Si.
סגסוגות טיטניום נמצאות בשימוש נרחב בתחומי התעופה והחלל, הפטרוכימיה, הביו-רפואי ואחרים בגלל החוזק הגבוה, הצפיפות הנמוכה ועמידותן בפני קורוזיה טובה. חלק גדול מסגסוגות הטיטניום הן סגסוגות טיטניום בטמפרטורה גבוהה, המשמשות בעיקר לייצור חלקי מנועי תעופה וחלל כגון דיסקים ולהבים, החשובים לשיפור יחס הדחף למשקל של מטוסים. נכון לעכשיו, טמפרטורת היישום של סגסוגות טיטניום בוגרות בטמפרטורה גבוהה היא בעיקר 600'C, וסגסוגות הטיטניום בטמפרטורה גבוהה שפותחו על ידי מדינות שונות הן בעיקר טי-אל-Sn-Zr-Mo-Si טיטניום קרוב-אלפא. סגסוגות, האופייניות להן הן IMI834 של בריטניה, Ti-1100 של ארצות הברית, BT36 של הפדרציה הרוסית, וכן סגסוגות Ti-600, Ti-60 של סין וכולי.
בהשפעת טמפרטורות גבוהות, ארגון הסגסוגת משתנה, כפי שמעידים שינויים בארגון ובמורפולוגיה של המשקעים. ניתן להשתמש ביציבות תרמית כדי לאפיין את יכולתה של סגסוגת לשמור על תכונותיה בטמפרטורות גבוהות, וקובעת את הטמפרטורה בה ניתן להשתמש בסגסוגת. אלמנטים סגסוגת שונים יש השפעות שונות על היציבות התרמית, ולכן יש צורך לבחור את אלמנט הסגסוג המתאים. si הוא יסוד הכרחי בסגסוגות טיטניום בטמפרטורה גבוהה בגלל תפקידו הייחודי בעמידות לזחילה. נכון לעכשיו, סגסוגות טיטניום בטמפרטורה גבוהה עם טמפרטורה של 400 מעלות ומעל הכל מכילות Si, ותכולת ה-Si של סגסוגת הטיטניום הבריטית IMI834 הגיעה אפילו ל-0.5%, בעוד שתכולת ה-Si של ה-TG6 של סין. סגסוגת טיטניום בטמפרטורה גבוהה הגיעה גם ל-0.4%. עם זאת, על פי מחקרו של סיגל, Si הוא יסוד B אוטקטי יציב, אשר משחק תפקיד בחיזוק תמיסה מוצקה וגם משקעים בצורה של סיליקידים במטריצת סגסוגת הטיטניום או בגבולות התבואה, משנה את התנהגות העיוות של הסגסוגת ומשפיעים היציבות התרמית שלו. סגסוגות TA1, Ti-0.2Si ו-Ti-0.4Si שימשו כאובייקטי מחקר כדי לחקור את ההשפעה של יסודות Si על ביצועי היציבות התרמית שלהם, על מנת להבהיר את השפעת התנהגות המשקעים של יסודות Si על יציבות תרמית במהלך חשיפה תרמית.
סיכום
(1) אלמנט Si יכול לעדן את הגרגר של סגסוגת Ti-Si, ויש לו השפעה מחזקת ברורה על הסגסוגת. עם הגידול של תכולת Si, גודל הגרגירים של סגסוגות Ti-Si יורד באופן משמעותי, החוזק גדל באופן משמעותי והפלסטיות פוחתת; החוזק של Ti-0.2Si ו-Ti-0.4 סגסוגות Si עולה תחילה ולאחר מכן יורד בתהליך החשיפה התרמית, בעוד החוזק של Ti-0.4Si סגסוגות פוחת באופן משמעותי, וכן שתי הסגסוגות הן הגרועות ביותר מבחינת פלסטיות לאחר חשיפה תרמית ב-500 מעלות למשך 100 שעות. החוזק של סגסוגות Ti-0.4Si יורד באופן משמעותי לאחר חשיפה תרמית, והפלסטיות של סגסוגות Ti-0.4Si היא הגרועה ביותר לאחר חשיפה תרמית.
(2) סגסוגות Ti-0.2Si ו-Ti-0.4Si הן בעיקר שלבי TiSi המשקעים לאחר חשיפה תרמית. הדיפוזיה ההטיה של אלמנט Si בתהליך של חשיפה לחום היא הסיבה העיקרית להיווצרות של TisSi, פאזה, ושלב ה-TiSi הגדל בהדרגה הוא הסיבה העיקרית לעלייה בחוזק הסגסוגת וירידה בפלסיות. בחשיפה תרמית מעל 500'C, שלב ה-TiSi הצובר הגדל מוביל לירידה בקואורדינציה של גבולות התבואה, וכתוצאה מכך לירידה בחוזקן של סגסוגות Ti-Si.
(3) הגודל וההפצה של שלב TisSi משפיעים על החוזק והפלסטיות של הסגסוגת. מושפע מגודל הגרגירים והתוכן האטומי Si, TiSi, פאזה ב-Ti-0.2Si ו-Ti-0.4 סגסוגות Si בגודל ובחלוקה של הבדל משמעותי, בעיקר ב-Ti{{5} }.4 משקעים של סגסוגת Si בגבולות התבואה, בעוד שב-Ti-0. 2 משקעים סגסוגות Si בתוך גבולות התבואה והתבואה.