GR5 (Ti-6Al-4V) är "301 rostfritt stål" av titanlegeringar - det används flitigt och har ett brett användningsområde. Från raketkroppar till mänskliga benimplantat, GR5 är allestädes närvarande. Vilka är de grundläggande skillnaderna mellan det och rent titan?
GR5 Kompositionsdesign
GR5 Sammansättning: Titan-baserad aluminium 5,5-6,5 %, vanadin 3,5-4,5 %. Aluminium är ett -stabiliserande element-som förbättrar styrka och temperaturbeständighet. Vanadin är ett -stabiliserande element-som tillåter legeringen att bibehålla en + tvåfas-struktur vid rumstemperatur. Fasen säkerställer hög-temperaturstabilitet, medan fasen säkerställer rumstemperaturstyrka. Denna tvåfasstruktur är nyckeln till prestandabalansen hos GR5.
GR1/GR2 är enfaslegeringar-låg hållfasthet (GR2 draghållfasthet 345MPa) men god plasticitet, främst används i kemisk utrustning och plattvärmeväxlare. GR5 har en draghållfasthet på 950 MPa, 2,7 gånger den för GR2, men dess töjning är bara hälften av GR2.
Flyg- och rymdtillämpningar
Raketbränsletankar: SpaceX Falcon 9 bränsletankar använder 2219 aluminiumlegering, men motorskalet i andra-steget använder GR5-styrkan hos aluminiumlegeringar sjunker för mycket vid höga temperaturer. GR5 ger efter till 500 MPa vid 400 grader, dubbelt så mycket som 2219.
Satellitstöd och fästelement: GR5 har en densitet på 4,43 g/cm³, vilket är 56 % av stål. Varje kilo viktminskning i en satellit sparar 10 000 USD i uppskjutningskostnader-GR5 ersätter stålfästen är ett ekonomiskt val för viktminskning. Att ersätta 17-4PH bultar med GR5 i den kryogena delen av motorn resulterar i en viktminskning på 44 %.
Medicinska implantat
GR5 är ett standardmaterial för ortopediska implantat-höftleder, knäleder, benplattor och tandimplantat. Tre skäl: god biokompatibilitet (TiO2-film bildas spontant på titanytan, icke-toxisk och icke-avvisande); en elasticitetsmodul på 110 GPa, 55 % av kobolt-kromlegeringar-närmare benets 20-30 GPa, vilket minskar spänningsavskärmande effekter; och en styrka på 950 MPa, vilket uppfyller kraven på bärighet.
Men GR5:s elasticitetsmodul är fortfarande högre än ben-lång-implantation kan orsaka benresorption. För närvarande kan porös GR5 (3D-utskriven med 50-70 % porositet) minska elasticitetsmodulen till 15-30 GPa, närmare spongiöst ben.
Bearbetningsutmaningar för GR5
Hög skärtemperatur för titanlegering – Titans värmeledningsförmåga är bara 1/4 av stålets, vilket koncentrerar skärvärmen vid skäreggen och orsakar snabbt verktygsslitage. Svarvning av GR5 med hårdmetallverktyg kräver en linjär hastighet på 40 m/min, vilket är 1/3 av hastigheten som krävs för bearbetning av 304 rostfritt stål. Klor-innehållande kylvätska krävs – vanliga emulsioner är ineffektiva.