GR5 (Ti-6Al-4V) to „stal nierdzewna 301” stopów tytanu – jest szeroko stosowana i ma szeroki zakres zastosowań. Od rakiet po implanty ludzkich kości, GR5 jest wszechobecny. Jakie są zasadnicze różnice pomiędzy nim a czystym tytanem?
Projekt kompozycji GR5
Skład GR5: aluminium na bazie tytanu-5,5-6,5%, wanad 3,5-4,5%. Aluminium jest -elementem stabilizującym-poprawiającym wytrzymałość i odporność na temperaturę. Wanad jest -pierwiastkiem stabilizującym-pozwalającym stopowi zachować + dwufazową strukturę-w temperaturze pokojowej. Faza zapewnia stabilność-w wysokiej temperaturze, faza zapewnia wytrzymałość w temperaturze pokojowej. Ta dwufazowa struktura jest kluczem do równowagi wydajności GR5.
GR1/GR2 to stopy jedno-fazowe-o niskiej wytrzymałości (wytrzymałość na rozciąganie GR2 345 MPa), ale o dobrej plastyczności, stosowane głównie w sprzęcie chemicznym i płytowych wymiennikach ciepła. GR5 ma wytrzymałość na rozciąganie 950 MPa, 2,7 razy większą niż GR2, ale jego wydłużenie jest tylko o połowę mniejsze niż GR2.
Zastosowania lotnicze
Zbiorniki paliwa rakietowego: Zbiorniki paliwa SpaceX Falcon 9 są wykonane ze stopu aluminium 2219, ale w kadłubie silnika-drugiego stopnia zastosowano GR5 — wytrzymałość stopów aluminium zbytnio spada w wysokich temperaturach. GR5 daje 500 MPa w temperaturze 400 stopni, czyli dwa razy więcej niż 2219.
Wsporniki satelitarne i elementy złączne: GR5 ma gęstość 4,43 g/cm3, co stanowi 56% gęstości stali. Każdy kilogram zmniejszenia masy satelity pozwala zaoszczędzić 10 000 dolarów na kosztach wyniesienia na orbitę-GR5 zastępująca stalowe elementy złączne to ekonomiczny wybór w zakresie redukcji masy. Wymiana śrub 17-4PH na GR5 w części kriogenicznej silnika skutkuje zmniejszeniem masy o 44%.
Implanty medyczne
GR5 to standardowy materiał na implanty ortopedyczne-stawów biodrowych, kolanowych, płytek kostnych i implantów dentystycznych. Trzy powody: dobra biokompatybilność (powłoka TiO2 tworzy się samoistnie na powierzchni tytanu, jest nie-toksyczna i nie-odrzucająca); moduł sprężystości 110 GPa, 55% stopów kobaltu-chromu-bliższy kości 20-30 GPa, co zmniejsza efekt ekranowania naprężeń; i wytrzymałości 950 MPa, spełniając wymagania nośne.
Jednakże moduł sprężystości GR5 jest nadal wyższy niż-długoterminowa-implantacja kości, która może powodować resorpcję kości. Obecnie porowaty GR5 (wydrukowany w 3D z porowatością 50-70%) może zmniejszyć moduł sprężystości do 15-30 GPa, bliżej kości gąbczastej.
Wyzwania obróbcze GR5
Wysoka temperatura skrawania stopu tytanu – przewodność cieplna tytanu wynosi tylko 1/4 przewodności cieplnej stali, co powoduje koncentrację ciepła skrawania na krawędzi skrawającej i powoduje szybkie zużycie narzędzia. Toczenie GR5 za pomocą narzędzi węglikowych wymaga prędkości liniowej 40 m/min, co stanowi 1/3 prędkości wymaganej do obróbki stali nierdzewnej 304. Wymagany jest płyn chłodzący zawierający chlor- – zwykłe emulsje są nieskuteczne.