1. Khả năng chống rão của hợp kim titan dưới nhiệt độ cao và áp suất cao
1.1 Cơ chế kháng leo
Tạo thành dung dịch rắn ổn định để tăng độ biến dạng mạng của ma trận titan, cản trở chuyển động trật khớp.
Kết tủa các hợp chất liên kim loại mịn và phân tán (ví dụ Ti3Al, TiAl) hoặc các hợp chất kim loại, đóng vai trò là vật cản cho sự trật khớp trượt và leo lên.
Tinh chỉnh kích thước hạt của hợp kim, giảm nguy cơ trượt ranh giới hạt và cải thiện độ bền của dây leo.
1.2 Hiệu suất rão của hợp kim Titan điển hình theo HTHP
Titan nguyên chất thương mại (Cấp 1–4)
CP-Ti có khả năng chống rão tương đối thấp, chỉ thích hợp cho các ứng dụng-nhiệt độ thấp và ứng suất-thấp (thường dưới 300 độ ). Khi nhiệt độ vượt quá 300 độ và áp suất tăng, tốc độ rão của nó tăng mạnh và biến dạng dẻo rõ ràng sẽ xảy ra dưới ứng suất dài hạn-, khiến nó không thể áp dụng cho các bộ phận kết cấu HTHP.
-loại Hợp kim Titan (ví dụ: Ti-5Al-2.5Sn)
Loại hợp kim này có độ ổn định-nhiệt độ cao và khả năng chống rão tốt, đồng thời có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ lên tới 450–500 độ dưới áp suất cao. Ví dụ, Ti{6}}5Al-2.5Sn được sử dụng rộng rãi trong các đĩa và cánh máy nén của động cơ máy bay. Dưới tác động kết hợp của nhiệt độ cao (450 độ) và áp suất cao (10–20 MPa), độ giãn dài rão của nó dưới 1% sau 1000 giờ sử dụng, cho thấy độ ổn định kích thước tuyệt vời.
+ -loại Hợp kim Titan (ví dụ: Ti-6Al-4V)
Là hợp kim titan được sử dụng rộng rãi nhất, Ti{11}}6Al-4V có sự kết hợp cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống rão. Nó có thể duy trì hiệu suất leo tốt ở nhiệt độ lên tới 400 độ và áp suất cao. Trong thiết bị khoan giếng dầu khí (điều kiện giếng HTHP: nhiệt độ 350 độ, áp suất 150 MPa), các thành phần Ti-6Al-4V có tốc độ rão dưới 1×10⁻⁸ s⁻¹, đáp ứng yêu cầu sử dụng lâu dài.
-loại Hợp kim Titan (ví dụ: Ti-10V-2Fe-3Al)
Loại hợp kim này có khả năng chống rão cao ở nhiệt độ trung bình (300–400 độ) và phù hợp với các bộ phận HTHP yêu cầu độ bền cao và khả năng chống mỏi, chẳng hạn như bộ phận hạ cánh máy bay và các bộ phận-bình áp suất cao. Độ bền rão của nó cao hơn đáng kể so với CP-Ti và nó có thể chống biến dạng dưới tác động kết hợp của áp suất cao và ứng suất theo chu kỳ.
1.3 Hạn chế của khả năng chống leo
2. Hiệu suất bịt kín của hợp kim titan dưới nhiệt độ cao và áp suất cao
2.1 Cơ chế bịt kín của hợp kim Titan
Niêm phong biến dạng
Hợp kim titan có độ dẻo và độ dẻo tốt. Dưới ứng suất-siết trước, bề mặt bịt kín của thành phần titan sẽ tạo ra biến dạng dẻo-đàn hồi, lấp đầy các khoảng trống vi mô-trên bề mặt tiếp xúc và chặn kênh rò rỉ của chất lỏng. Biến dạng này ổn định và không dễ bật lại trong điều kiện HTHP, đảm bảo khả năng bịt kín lâu dài.
Niêm phong giao diện
Khi kết hợp với các vật liệu bịt kín (ví dụ than chì, PTFE), hợp kim titan có thể tạo thành một bề mặt tiếp xúc chặt chẽ. Hợp kim titan có độ bền cao có thể chịu được lực -siết trước cần thiết để bịt kín mà không bị biến dạng, trong khi khả năng chống ăn mòn của titan có thể ngăn giao diện bị ăn mòn và hư hỏng, duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc bịt kín.
2.2 Hiệu suất bịt kín của hợp kim Titan trong kịch bản HTHP
Bình và van áp suất cao-
Các bộ phận bịt kín bằng hợp kim titan (ví dụ: đế van, miếng đệm) có thể duy trì hiệu suất bịt kín đáng tin cậy dưới áp suất cực cao (lên đến 200 MPa) và nhiệt độ trung bình ( Nhỏ hơn hoặc bằng 400 độ). Ví dụ, trong ngành hóa dầu, van hợp kim titan dùng để vận chuyển môi trường ăn mòn (ví dụ: axit sulfuric đậm đặc, nước biển) có thể đạt được độ rò rỉ bằng 0 trong điều kiện 350 độ và 150 MPa, tốt hơn nhiều so với thép carbon và thép không gỉ.
Hệ thống đẩy hàng không vũ trụ
Trong đường ống nhiên liệu lỏng của động cơ tên lửa và vòng đệm buồng đốt, vòng đệm bằng hợp kim titan có thể chống lại môi trường HTHP (nhiệt độ 400–500 độ, áp suất 30–50 MPa) do quá trình đốt cháy nhiên liệu tạo ra. Hệ số giãn nở nhiệt thấp của chúng đảm bảo khe hở bịt kín không thay đổi đáng kể khi có sự dao động nhiệt độ, tránh rò rỉ do biến dạng nhiệt.
Hạn chế của hiệu suất niêm phong
Ở nhiệt độ trên 450 độ , độ dẻo của hợp kim titan giảm và khả năng biến dạng dẻo-đàn hồi cần thiết để bịt kín giảm đi, điều này có thể dẫn đến hỏng phốt. Ngoài ra, nếu độ hoàn thiện bề mặt của thành phần bịt kín bằng titan không đủ thì các khe hở vi-sẽ hình thành và hiệu suất bịt kín sẽ bị ảnh hưởng dưới áp suất cao. Do đó, bề mặt bịt kín của các bộ phận titan thường cần gia công chính xác (ví dụ như mài, đánh bóng) để giảm độ nhám bề mặt xuống Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,8 μm.
3. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng chống rão và hiệu suất bịt kín
Lớp hợp kim: Hợp kim titan hợp kim có hiệu suất rão và bịt kín tốt hơn so với titan nguyên chất thương mại trong môi trường HTHP.
Quá trình xử lý nhiệt: Xử lý dung dịch và xử lý lão hóa có thể tối ưu hóa cấu trúc vi mô của hợp kim titan, cải thiện độ bền rão và tăng cường độ ổn định của biến dạng bịt kín.
Môi trường dịch vụ: Môi trường ăn mòn, chu kỳ nhiệt độ và ứng suất theo chu kỳ sẽ làm giảm khả năng chống rão và tuổi thọ bịt kín của hợp kim titan.
Chất lượng xử lý thành phần: Gia công chính xác và xử lý bề mặt có thể cải thiện độ hoàn thiện bề mặt của các bộ phận titan, điều này rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất bịt kín.
