Gr5 vs Gr23 Titanium: какой сорт выбрать

Gr5 vs Gr23 Titanium: какой сорт выбрать

5 и 23 степени являются Тот же титановый сплав - Ti-6Al-4V-разделенный одним числом: максимальное содержание кислорода. Gr5 допускает 0,20% кислорода; Gr23.(ELI,"Extra Low Interstitial" version) ограничивает его до 0,13%. Эта разница в 0,07% не сильно меняет прочность, Но это повышает прочность на разрыв примерно на 30 - 40% и делает Gr23 единственным сортом, который вы можете законно поместить в человеческое тело. GR5-правильный дефолт; для имплантатов, криогенных сосудов и любой части циклической нагрузки, критической переломом, специфицировать Gr23 (ASTM F136)Это руководство дает вам химию, торговлю прочности против прочности, восемь способов, которыми семейство Ti-6Al-4V фактически терпит неудачу, и правило спецификации, которое вы можете передать мельнице.

Спецификация: титан Gr5 против Gr23

Что такое GR5 и Gr23

Обе марки Ti-6Al-4V, альфа-бета-титановый сплав, содержащий около 6% алюминия (альфа-стабилизатор) и 4% ванадия (бета-стабилизатор), баланс титана. Бета-транс-температура, выше которой сплав становится полностью бета-составляет около 995 °C, а алюминий и ванадий идентичны между двумя спецификациями. Интерстициальная химия: крошечные атомы (кислород, азот, углерод, водород, железо), которые находятся в пространствах между более крупными атомами титана. Gr5 (UNS R56400) - рабочая лошадка общего назначения; Gr23 ELI (UNS R56407) Это усовершенствованная, низкоинтерстициальная версия, написанная для хирургических имплантатов и криогенных аппаратных средств.

Это один сплав на двух уровнях чистоты. Этот единственный факт управляет всем остальным в этой статье: та же плотность, та же коррозионная пленка, почти идентичная прочность-и разрыв прочности, который решает жизнь или смерть приложений.

Почему интерстициальный контроль имеет такое большое значение в атомном масштабе? Кислород и азот находятся в октаэдрических промежутках титановой решетки и перемещения штифта-вот как они укрепляют металл, но то же самое закрепление также делает трещины более легко распространяться после их начала. ELI плавление полос этих атомов обратно вниз, чтобы решетка могла давать локально и тупить наконечник трещины вместо того, чтобы позволить ему работать. Для статической кронштейны, которая никогда не видит выемки, прочность-это то, что вы хотите; Для части, живущей под миллионами циклов рядом с дефектом, прочность-это то, что поддерживает ее жизнь.

Миф о «более стойком к коррозии»

Наиболее распространенная причина, по которой инженеры чрезмерно уточняют Gr23, заключается в том, что он «меньше корродится», чем Gr5. Это не так. Оба сорта образуют одну и ту же самовосстанавливающуюся пассивную пленку TiO2, а в морской воде, рассоле, большинстве кислот и окислительных сред их коррозионное поведение эффективно идентично. Gr23 был создан не для коррозионной стойкости-он был создан для защиты. прочность при переломе, усталостной срок и биосовместимостьЕсли ваш режим отказа является коррозией, выбор класса между Gr5 и Gr23 не спасет вас; добавленный палладий класс, такой как Gr7, будет, и правильный вызов есть. Gr2-vs-Gr5 Просмотров, а не GR23.

Указание Gr23 исключительно для " лучшей коррозии " тратит на 15 - 30% больше на килограмм для собственности у вас уже есть в Gr5. Зарезервируйте Gr23 для работ, где вязкость, усталость или медицинский стандарт действительно требует этого - что является остальной частью этой статьи.

Есть более дешевый способ увидеть миф на практике: спросите поставщика "является ли Gr23 более коррозионно-устойчивым?" Если они говорят "да" без квалификации, они продают чистоту как коррозию. Честный ответ заключается в том, что для крыльчатки насоса морской воды Gr5 и Gr23 будут разъедать с одинаковой скоростью; Причина, по которой вы все еще можете выбрать Gr23 есть усталость от кавитации и вибрации, а не ржавчины. Держите два вопроса отдельно и вы перестанете переплачивать.

0,07%, которые меняют всё: интерстициальная химия

Кислород является мощным усилителем твердого раствора в титане: каждый 0,01% кислорода добавляет примерно 8 - 10 МПа прочности на растяжение, но стоит около половины точки удлинения и, что гораздо более важно, снижает прочность на разрыв. Gr23 дает около 35 МПа статической прочности и получает 30 - 40% прочности при переломе и более высокий порог роста утомляемости и трещины. Вибрирующий аэрокронштейн - эта торговля решительно в пользу Gr23.

* Обратите внимание, что только измененные элементы - это интерстициальные вставки - сам сплав не изменился.

Одно практическое замечание для покупателей: промежуточные пределы проверяются на сертификате расплава, а не на глаз. AMS 4928 Gr5 бар or F136 Gr23 барСертификат, показывающий 0,18% кислорода на материале " ELI ", не соответствует спецификациям и должен быть отклонен до того, как он попадет в цепочку поставок имплантата.

Механические свойства: прочность против вязкости

В отожженном состоянии Gr5 имеет небольшой запас статической прочности из-за более высокого содержания кислорода; Gr23 отвечает вязкостью и пластичностью. Оба термообрабатываются до гораздо более высокой прочности (обработка раствором и возраст), но относительный рейтинг держится: Gr5 немного сильнее, Gr23 заметно жестче.

Количество, которое имеет значение для критически важных для безопасности деталей, является K_IC. Материал с более низкой вязкостью с острой выемкой или небольшим дефектом может выйти из строя хрупким, катастрофическим образом, даже когда его прочность на растяжение выглядит нормально. Gr23 более высокий K_IC и лучший порог роста утомляемости-трещины-причина, почему он указан, где отказ не может быть допущен. Gr1-Gr2-Gr5-Gr7-Gr12.

Термическая обработка меняет абсолютные цифры, но не рейтинг.(отожженный, STA) явно: отожженный брусок и стержень STA одного и того же сорта представляют собой различные продукты с различными допустимыми напряжениями.

Коррозионная стойкость: где два класса идентичны

Поскольку обе марки имеют одинаковую поверхность титана, их коррозионная стойкость одинакова по всем направлениям: превосходно в морской воде и рассоле, устойчив к большинству окисляющих и многих восстановительных кислот, и невосприимчивы к хлоридной точечной и расщелине в нормальном обслуживании. Ни класс не является ответом, если ваша реальная проблема заключается в снижении кислоты или горячего хлорида щели-для этого вы к палладию или молибдена легированный класс, Не в Gr23. Практический вывод: выберите Gr5 или Gr23 на Механические и регуляторные основания (прочность, вязкость, стандарт имплантата, низкая температура), никогда не на почве коррозии, потому что на коррозии они завязываются.

Чтобы поставить «идентичную коррозию» претензию покоиться с конкретным футляром: В испытаниях на погружение ASTM G31 и за десятилетия морской эксплуатации пластины Gr5 и Gr23 демонстрируют ту же тенденцию потери веса в нейтральной морской воде, ту же свободу от точечных точечных ударов и ту же устойчивость к расщелинам при умеренной температуре. Единственный край коррозии имеет общий. Оба нуждаются в помощи из разных сплавов-см. наш Направляющая Gr2 против Gr5 Для чистой логики.

Ограничения и способы отказа

Семейство Ti-6Al-4V не терпит поражения однородной коррозией-оно выходит из строя под воздействием экологических и механических механизмов.

Водородная хрупкость

Водород, собранный во время травления, покрытия или катодной чрезмерной защиты, диффундирует в титан и образует хрупкие гидриды. Держите водород в пределах спецификации (и будьте осторожны чрезмерно агрессивной катодной защиты); сварки и очистки под надлежащим аргоновым экранированием, чтобы водород не поглощается. Классический предупреждающий знак-обесцвеченный, загрязненный сварной шов.

Стрессовая коррозия трещин в специфических средах

Ti-6Al-4V неуязвим к SCC в морской воде и большинстве хлоридов, но он может трескаться в коротком списке конкретных сред: отложения горячей хлоридной соли выше примерно 290 °C (горячие секции двигателя), метанол (особенно с галогенидным загрязнением), дымящая азотная кислота и тетраоксид азота (N₂). Избегайте этих сред или применяйте проверенные квалифицированные процедуры; не предполагайте «титан = коррозионный» в каждой химии.

Ловушка схватывания и фреттинга

Титан сжимается и сжимается о себе и о сталь при скольжении под нагрузкой без смазки. Gr5 крепежные элементы Используйте противозагольные покрытия, соответствующие смазочные материалы, контролируемый крутящий момент, и избегайте скольжения титана на титане, где это возможно.

Высокотемпературная стена

При температуре около 400 - 450 °C титан образует обогащенный кислородом хрупкий поверхностный слой альфа-корпуса и теряет прочность; выше бета-транса ~ 995 °C грубость микроструктуры и пластичность падает. Продолжайте работу ниже этих пределов, и если деталь подвергается термической обработке, никогда не превышайте допустимый температурный диапазон. Марка (Gr5 против Gr23) не изменяет эту стену-обе разделяют ее.

Титановый пожар/риск сгорания

В чистом кислороде или под высоким давлением, или при резком фрикционном нагревании с зажиганием титан может эффектно гореть. Это опасность для проектирования системы, а не разница в классе, но это имеет значение для аэрокосмического двигателя и оборудования для обслуживания кислорода: контролировать концентрацию кислорода, избегать контакта трения, следовать процедурам очистки кислорода и смягчения воспламенения.

Ловушка чувствительности к надрезу (почему Gr5 может выйти из строя там, где Gr23 не будет)

Это основная причина существования Gr23. При циклической нагрузке с острой выемкой, филе или небольшим дефектом литья/ковки нижняя вязкость стандарта Gr5 позволяет микроскопической трещине распространяться до внезапного разрушения. Gr23, с 30 - 40% выше K_IC и лучшим порогом усталости, деформирует и задерживает трещину вместо этого. Это то, что требует стандарт-указать Gr23, а не Gr5.

Ответственность за замену

Рисунок, вызывающий ASTM F136 (или ISO 5832 - 3) для имплантата не может быть удовлетворен Gr5, и аэрокосмический чертеж AMS 4911 не может быть тихо заменен на Gr23 без квалифицированного отклонения. Замена изменяет допустимое напряжение, минимальную температуру металла конструкции и квалификацию процедуры сварки. Всегда согласовывайте заказ на покупку с заявленной спецификацией, пересмотр и условие - не позволяйте списку акций выбирать класс.

Где коррозия не является проблемой

Если коррозия действительно ваш предел, шаг к другой системе сплавов полностью, а не Gr23.

Медицинские, аэрокосмические и криогенные применения

Медицинский-Gr23 владеет полкой имплантата. Хирургические имплантаты (стебли бедра, компоненты колена и позвоночника, костные пластины, винты, зубные части) указаны для ASTM F136 (or ISO 5832 - 3), который является спецификацией ELI. Более низкое железо уменьшает долгосрочное высвобождение металл-ионов и тканевую реакцию; более высокая вязкость сопротивляется росту трещин при 1 - 3 миллионах циклов нагрузки, которые тазобедренный слой видит в год в течение 15 - 20 лет службы. medical-implant-grade-23 bar Gr5 (ASTM F1472) приемлем только для менее критически нагруженных имплантатов, таких как некоторые стоматологические и внешние компоненты фиксации.

Aerospace-классы, разделенные по долгу. Gr5 доминирует в общей структуре планера, аппаратном обеспечении двигателя и крепежные элементы где побеждает максимальная прочность к весу. Gr23 используется для критических для перелома соединений, боковых частей двигателя при вибрации высокого цикла, криогенных резервуаров и трубопроводов, где его вязкость и низкотемпературная пластичность предотвращают ломкость. аэрокосмические применения Страница; The Медицинское применение Страница охватывает сторону имплантата.

Модуль титана ближе к кости, чем кобальт-хром или нержавеющая сталь, что уменьшает "защиту от стресса"-ослабление кости, которое происходит, когда жесткий имплантат несет слишком большую нагрузку. Медицинская тарелка И слитки почти всегда являются химией ELI, и почему нормативные документы называют F136 по номеру, а не по «титановому сплаву».

Нормы и правила замещения

Определите класс по стандарту, который признает ваша отрасль. GR5 ASTM B265 (пластина/лист/полоска), B348 (бар/заготовка), B338 (трубка), B381 (поковки) и аэрокосмическая AMS 4911/AMS 4928. Gr23 ELI: ASTM F136 (имплантат), F1472 (имплантат кованый), ISO 5832 - 3, с B348/B265 также используется для штампа и пластин. Вверх в роли Gr5 (она соответствует или превышает механические минимумы при добавлении вязкости), но вы не можете заменить Gr5 Вниз В заказе на покупку всегда указывается форма, состояние, механические требования и приемочные испытания.

Поскольку Gr23 отвечает механическим минимумам Gr5, Дизайнеры иногда указывают Gr23 по всем направлениям «чтобы быть безопасным», но это увеличивает стоимость каждой некритической части. Дисциплинированный подход заключается в том, чтобы указать Gr5 в качестве основы и вызвать Gr23 только на чертежах, где критичность перелома или имплантат/Криогенный стандарт требует этого. Это сохраняет счет материалов честным и след аудита чистым.

Обработка, сварка и стоимость

Обе марки машины одинаково-титан не рассеивает тепло, поэтому используйте жесткие установки, острые твердокарбидные инструменты, умеренную скорость поверхности и высокую подачу, с сквозным охлаждающим средством. Gr23's немного более низкие интерстициальные вставки дают немного более тонкий отклик, но практика цеха та же. Сварка производится GTAW/PAW со строгим аргоновым экранированием; нижние интерстициальные части Gr23 снижают риск охрупчивания сварочной зоны, поэтому это более безопасный выбор для сварных имплантатов или криогенных узлов. Стоимость: Gr23 имеет премию на 15 - 30% по сравнению с Gr5 из-за более жесткого контроля расплава (часто двойного/тройного вакуумной дуги переплавки) и более низких урожаев. Тратьте его только там, где этого требует прочность, усталость или стандарт имплантата; для простой структурной кронштейны Gr5 является экономичным вызовом.

На время выполнения: продукция Gr5 мельницы широко запасается в тарелка, бар и трубка Формируется и быстро поворачивается; Gr23, особенно F136 бар и медицинская пластина, является более плотной, требовательной к качеству линией поставок, поэтому планируйте время выполнения соответствующих программ имплантации. Для прототипов покупка сертифицированных запасов Gr23 и их обработка обычно быстрее, чем ожидание индивидуального расплава.

Присоединившись к двум классам: Ti-6Al-4V сварен с помощью соответствия или ER Ti-6Al-4V наполнителем под полным инертным одеялом, а Gr23 может быть сварен в Gr5, потому что химический перекрытие большой-соединение будет сидеть между двумя по вязкости, поэтому держите сварной сварной сварной сварке в области с низким напряжением. Укажите наполнитель Gr23 и квалифицируйте процедуру таким образом, чтобы зона сварки сохраняла свой низкоинтерстициальный характер.

Как определить Gr5 или Gr23

Если деталь несет высокую статическую нагрузку и вес имеет решающее значение-кронштейн планера, часть двигателя, судовая фитинга- GR5-это дефолтЕсли деталь подвергается циклической нагрузке, низкой температуре, ткани человека или любой работе, когда внезапная трещина недопустима, Gr23 в ASTM F136. Они один и тот же сплав; разница кислорода 0,07% - это все решение, и это решение вязкости, а не коррозионное.

Готовы к цитированию ? Сообщите нам стандарт (B265/B348/B338 или F136), форму продукта, состояние, размеры и количество.У нас есть запас Gr5 бар. и Gr5 Ti-6Al-4V stock, и поставка Gr23 ELI медицинский бар с MTC. Запрос цитаты

В качестве конкретной спецификации:"Материал: Ti-6Al-4V ELI, ASTM F136, UNS R56407, отожженный, с MTR показывает O ≤ 0,13%, Fe ≤ 0,25%; планка формы продукта 25 мм диа×300 мм;"Эта единственная линия устраняет двусмысленность, заставляет мельницу сертифицировать интерстициальные устройства, Для немедицинского кронштейна замените F136 на AMS 4928 и класс на R56400-и посмотрите падение стоимости.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между титаном 5-го и 23-го класса?

Это тот же сплав Ti-6Al-4V. Марка 5 (UNS R56400) позволяет содержать до 0,20% кислорода и 0,30% железа; 23 класс ELI (UNS R56407) ограничивает кислород до 0,13%, железо до 0,25%, с более плотными углеродом и азотом. Нижние интерстициальные соединения дают 23-й класс примерно на 30 - 40% более высокую прочность при переломе и лучший срок усталостной жизни, При небольшой потере статической силы.

Является ли 23-й класс более стойким к коррозии, чем 5-й класс?

Нет. Обе марки образуют одну и ту же самовосстанавливающуюся пленку оксида титана, поэтому их коррозионная стойкость в морской воде, рассоле и большинстве кислот по существу идентична. 23 класс был разработан для прочности на разрыв, усталостной срок и биосовместимость, а не для лучшей коррозии. Если коррозия является вашим реальным пределом, вам нужен другой сплав, такой как палладий или молибден, а не класс 23.

Какой класс я должен использовать для хирургического импланта?

Используйте класс 23 (Ti-6Al-4V ELI), сертифицированный по ASTM F136 или ISO 5832 - 3. Стандарты имплантатов требуют сверхнизкой интерстициальной химии для вязкости и долгосрочной биосовместимости. 5 класс не соответствует спецификации имплантата; класс 23 является единственным из двух, которые вы можете законно поместить в тело.

Можно ли заменить 5-й класс на 23-й?

Обычно вы можете заменить класс 23 вверх на роль класса 5, потому что он соответствует или превышает механические минимумы при добавлении вязкости. Вы не можете заменить класс 5 вниз на роль имплантата класса 23/ASTM F136-стандарт не разрешает это. Любая замена, которая изменяет допустимое напряжение, минимальную расчетную температуру или процедуру сварки, должна пройти квалифицированное отклонение.

Почему 23-й класс предпочтительнее для криогенной службы?

Для криогенных резервуаров, трубопроводов и фитингов, более высокая вязкость класса 23 предотвращает внезапный рост трещин, поэтому он предназначен для этой обязанности.

Какие стандарты относятся к классу 5 и 23?

Класс 5 покрывается ASTM B265, B348, B338 и B381 для мельничных изделий и AMS 4911/AMS 4928 для аэрокосмической промышленности. Класс 23 ELI покрывается ASTM F136 и F1472 для имплантатов, ISO 5832 - 3, а также поставляется как B265/B348 бар и пластина. Всегда указывайте форму продукта, состояние и приемные испытания в заказе.

Сколько стоит 23-й класс, чем 5-й?

Класс 23, как правило, имеет 15 - 30% премию по сравнению с классом 5 из-за более жесткого контроля расплава, часто двойного или тройного переплавления вакуумной дуги и более низкой производительности. Проведите его только там, где этого требует прочность, усталость или стандарт имплантата; для обычных структурных деталей класса 5 является экономичным выбором.