Odpowiednie gatunki czystego tytanu dostępne na rynku do środowisk o średniej-do-wysokiej i niskiej-temperaturze
1. Gatunki tytanu CP dla scenariuszy średnio-do-wysokiej temperatury
Utrzymanie wytrzymałości na rozciąganie i zmęczenie
Odporność na odkształcenia pełzające (powolne płynięcie plastyczne pod długotrwałym obciążeniem)
Stabilność mikrostrukturalna (brak przemian fazowych i segregacji zanieczyszczeń)
Odporność na utlenianie (zminimalizowane tworzenie się kruchych osadów TiO₂)
1.1 Optymalny wybór klasy: klasa 2 i klasa 4
1.1.1 Podstawowe zalety klasy 2 i klasy 4
Utrzymanie wytrzymałości w podwyższonych temperaturach: Zanieczyszczenia śródmiąższowe (tlen i azot) stopnia 2 i stopnia 4 tworzą stabilny stały roztwór w sieci -tytanowej, który jest odporny na mięknięcie sieci w temperaturze 200–300 stopni. Przy 300 stopniach klasa 4 zachowuje ~70% swojej wytrzymałości na rozciąganie-w temperaturze pokojowej (UTS, ~485 MPa w temperaturze pokojowej w porównaniu z ~340 MPa w temperaturze 300 stopni), podczas gdy klasa 1 (niska zawartość tlenu, 0,18% wag. O) zachowuje tylko ~55% swojej-temperatury pokojowej UTS (~345 MPa w temperaturze pokojowej w porównaniu do 345 MPa w temperaturze pokojowej). ~190 MPa przy 300 stopniach).
Odporność na pełzanie: Pełzanie to krytyczny tryb uszkodzenia materiałów pod ciągłym obciążeniem w podwyższonych temperaturach. Wyższa zawartość tlenu w klasie 4 zwiększa tarcie sieci, spowalniając ruch dyslokacyjny i zmniejszając naprężenie pełzania. Przy temperaturze 350 stopni i naprężeniu 150 MPa, odkształcenie pełzania klasy 4 po 1000 godzinach wynosi ~0,2% w porównaniu do ~0,8% dla klasy 1 w tych samych warunkach.
Odporność na utlenianie: Zarówno klasa 2, jak i klasa 4 tworzą gęstą, przylegającą warstwę tlenku TiO₂ w temperaturze 200–400 stopni, która działa jako bariera dla dalszego wnikania tlenu. Nieco wyższa zawartość zanieczyszczeń w klasie 4 nie narusza integralności warstwy tlenku, podczas gdy klasy-o bardzo niskim zanieczyszczeniu (np. klasa 1) mogą tworzyć porowate tlenki ze względu na niższą stabilność sieci.
1.1.2 Gatunek specjalistyczny do środowisk korozyjnych-o wysokiej temperaturze: klasa 7 (Ti-0,12Pd)
Zwiększa odporność na korozję w kwasach redukujących (np. HCl) w podwyższonych temperaturach
Zapobiega miejscowej korozji (wżerowej i szczelinowej), która może zostać przyspieszona przez wysokie temperatury
Utrzymuje stabilność mikrostrukturalną do 350 stopni bez tworzenia kruchych faz międzymetalicznych
1.1.3 Przypadki zastosowania
Obróbka chemiczna: Stopień 2 stosuje się do rur wymienników ciepła pracujących w temperaturze 200–250 stopni, natomiast stopień 4 stosuje się do elementów zbiorników reaktora w temperaturze 300–400 stopni.
Lotnicze systemy pomocnicze: Klasa 4 jest stosowana do przewodów hydraulicznych w gondolach silników lotniczych (pracujących w temperaturze 250–300 stopni) ze względu na odporność na pełzanie i utrzymanie wytrzymałości.
Instalacje odsalania: Klasa 7 jest stosowana w-wysokotemperaturowych podgrzewaczach solanki (250–300 stopni), aby zapewnić odporność na korozję chlorkową i zmęczenie cieplne.
1.2 Stopnie, których należy unikać w średnich-do-wysokich temperaturach
Klasa 1: Jego wyjątkowo-zawartość tlenu powoduje słabą retencję wytrzymałości i odporność na pełzanie w temperaturze powyżej 250 stopni, co sprawia, że nie nadaje się do elementów nośnych-w podwyższonych temperaturach.
klasa 3: Chociaż jego wydajność jest pośrednia między klasą 2 a klasą 4, nie zapewnia znaczącej przewagi nad klasą 2 (niższy koszt) lub klasą 4 (wyższa wytrzymałość), co prowadzi do ograniczonego zastosowania w zastosowaniach od średnio-do-wysokotemperaturowych.
2. Gatunki tytanu CP o doskonałej wytrzymałości w środowiskach o niskiej-temperaturze
2.1 Optymalny wybór klasy: klasa 1 i klasa 2 (klasa 1 jest preferowana w przypadku bardzo-niskich temperatur)
2.1.1 Podstawowe zalety klasy 1 dla warunków kriogenicznych
Wyjątkowa plastyczność w niskich-temperaturach: Przy -196 stopniach (temperatura ciekłego azotu) klasa 1 zachowuje ~80% swojego wydłużenia w temperaturze pokojowej (24–28% w temperaturze pokojowej vs. 20–22% przy -196 stopniach) i ~75% zmniejszenia powierzchni (30–35% w temperaturze pokojowej vs. 25–28% przy -196 stopniach). Natomiast klasa 4 (wysoka zawartość tlenu) wykazuje 40% spadek wydłużenia w temperaturze -196 stopni (z 15% w temperaturze pokojowej do 9% w temperaturze -196 stopni).
Wysoka odporność na pękanie: Odporność na pękanie (KIC) to kluczowy wskaźnik w przypadku materiałów kriogenicznych. Klasa 1 ma KIC ~60 MPa·m¹/² w temperaturze -196 stopni, podczas gdy KIC klasy 4 spada do ~35 MPa·m¹/² w tej samej temperaturze. Niska zawartość zanieczyszczeń śródmiąższowych w klasie 1 zmniejsza odkształcenie sieci i eliminuje tworzenie się kruchego osadu, umożliwiając odkształcenie plastyczne przed pęknięciem.
Odporność na zmęczenie-w niskiej temperaturze: Przy -100 stopniach granica zmęczenia stopnia 1 (10⁷ cykli) wynosi ~170 MPa, tylko 5% mniej niż granica zmęczenia w temperaturze pokojowej (~180 MPa). Dla porównania, klasa 4 charakteryzuje się 15% spadkiem granicy zmęczenia w temperaturze -100 stopni (ze 150 MPa w temperaturze pokojowej do 127 MPa w temperaturze -100 stopni) z powodu zwiększonej kruchości.
2.1.2 Uzasadnienie unikania-wysokiego stopnia zanieczyszczenia (stopień 3 i stopień 4)
Wysoka zawartość tlenu/azotu w klasie 3 i 4 zwiększa twardość sieci i zmniejsza ruchliwość dyslokacji w niskich temperaturach, prowadząc do przejścia od pękania plastycznego do kruchego.
W temperaturach poniżej -100 stopni gatunki te mogą tworzyć zlokalizowane strefy kruchości na granicach ziaren, w których segregują się zanieczyszczenia śródmiąższowe, powodując nagłe pękanie pod wpływem uderzenia lub cyklicznego obciążenia.
2.1.3 Przypadki zastosowania
Instalacje skroplonego gazu ziemnego (LNG).: Stopień 1 jest stosowany do wykładzin zbiorników magazynujących LNG i rurociągów przesyłowych (pracujących w temperaturze -162 stopni) ze względu na jego wysoką wytrzymałość i odporność na zmęczenie kriogeniczne.
Kriogeniczny sprzęt medyczny: Klasa 2 stosowana jest w przypadku elementów ciekłego azotu/zamrażarek w urządzeniach do obrazowania medycznego (działających w temperaturach od -80 do -196 stopni) w celu zrównoważenia wytrzymałości i umiarkowanej wytrzymałości.
Lotnicze kriogeniczne układy paliwowe: Klasa 1 jest stosowana w przewodach paliwowych z ciekłym wodorem (pracujących w temperaturze -253 stopni), aby zapobiec kruchym uszkodzeniom pod ekstremalnymi obciążeniami zimnymi i wibracyjnymi.
