GR5 (Ti-6Al-4V) — это «нержавеющая сталь 301» из титановых сплавов, она широко используется и имеет широкий диапазон применения. От корпусов ракет до человеческих костных имплантатов — GR5 встречается повсеместно. В чем принципиальные различия между ним и чистым титаном?
GR5 Композиционный дизайн
GR5 Состав: алюминий на основе титана-5,5-6,5%, ванадий 3,5-4,5%. Алюминий – -стабилизирующий элемент-, повышающий прочность и термостойкость. Ванадий — это -стабилизирующий элемент-, позволяющий сплаву сохранять +двухфазную-структуру при комнатной температуре. Фаза обеспечивает высокую-температурную стабильность, а фаза обеспечивает прочность при комнатной температуре. Эта двухфазная структура является ключом к балансу производительности GR5.
ГР1/ГР2 — однофазные-сплавы-малой прочности (предел прочности ГР2 345 МПа), но хорошей пластичности, в основном используемые в химическом оборудовании и пластинчатых теплообменниках. GR5 имеет предел прочности на разрыв 950 МПа, что в 2,7 раза больше, чем у GR2, но его удлинение составляет лишь половину от GR2.
Аэрокосмические приложения
Ракетные топливные баки: В топливных баках SpaceX Falcon 9 используется алюминиевый сплав 2219, но в корпусе двигателя второй- ступени используется GR5 — прочность алюминиевых сплавов слишком сильно падает при высоких температурах. GR5 выдерживает давление до 500 МПа при 400 градусах, что вдвое больше, чем у 2219.
Сателлитная опора и крепеж: GR5 имеет плотность 4,43 г/см³, что составляет 56% от плотности стали. Снижение веса каждого килограмма спутника экономит 10 000 долларов США на затратах на запуск.-Замена стальных крепежных элементов GR5 — экономичный выбор для снижения веса. Замена болтов 17-4РН на GR5 в криогенной части двигателя приводит к снижению массы на 44%.
Медицинские имплантаты
GR5 — стандартный материал для ортопедических имплантатов-тазобедренных суставов, коленных суставов, костных пластин и зубных имплантатов. Три причины: хорошая биосовместимость (на поверхности титана самопроизвольно образуется пленка TiO2, не-токсичная и не-отбраковывающая); модуль упругости 110 ГПа, 55 % сплавов кобальта-хрома-ближе к 20-30 ГПа кости, что снижает эффект защиты от напряжений; и прочностью 950 МПа, отвечающей требованиям по несущей способности.
Однако модуль упругости GR5 по-прежнему выше, чем у кости.-Длительная-имплантация может вызвать резорбцию кости. В настоящее время пористая GR5 (3D-печать с пористостью 50-70%) может снизить модуль упругости до 15-30 ГПа, что ближе к губчатой кости.
Проблемы обработки GR5
Высокая температура резания титанового сплава. Теплопроводность титана составляет всего 1/4 от теплопроводности стали, что концентрирует тепло резания на режущей кромке и вызывает быстрый износ инструмента. Для точения GR5 твердосплавными инструментами требуется линейная скорость 40 м/мин, что составляет 1/3 скорости, необходимой для обработки нержавеющей стали 304. Требуется хлорсодержащая-хладагент – обычные эмульсии неэффективны.