GR5 (Ti-6Al-4V) er "301 rustfrit stål" af titanlegeringer - det er meget udbredt og har et bredt anvendelsesområde. Fra raketkroppe til menneskelige knogleimplantater er GR5 allestedsnærværende. Hvad er de grundlæggende forskelle mellem det og rent titanium?
GR5 Composition Design
GR5 Sammensætning: Titanium-baseret aluminium 5,5-6,5 %, vanadium 3,5-4,5 %. Aluminium er et -stabiliserende element-, der forbedrer styrke og temperaturbestandighed. Vanadium er et -stabiliserende element-der gør det muligt for legeringen at opretholde en + dobbeltfasestruktur ved stuetemperatur. Fasen sikrer høj-temperaturstabilitet, mens fasen sikrer stuetemperaturstyrke. Denne tofasede struktur er nøglen til præstationsbalancen for GR5.
GR1/GR2 er enfasede legeringer-lav styrke (GR2 trækstyrke 345MPa), men god plasticitet, hovedsagelig brugt i kemisk udstyr og pladevarmevekslere. GR5 har en trækstyrke på 950 MPa, 2,7 gange den for GR2, men dens forlængelse er kun halvdelen af GR2.
Luftfartsapplikationer
Raketbrændstoftanke: SpaceX Falcon 9-brændstoftanke bruger 2219 aluminiumslegering, men motorkappen på andet-trin bruger GR5 - styrken af aluminiumslegeringer falder for meget ved høje temperaturer. GR5 giver efter til 500 MPa ved 400 grader, det dobbelte af 2219.
Satellitstøtte og fastgørelseselementer: GR5 har en densitet på 4,43 g/cm³, hvilket er 56 % af stål. Hvert kilo vægtreduktion i en satellit sparer 10.000 USD i opsendelsesomkostninger-GR5-udskiftning af stålbefæstelser er et økonomisk valg til vægtreduktion. Udskiftning af 17-4PH bolte med GR5 i den kryogene del af motoren resulterer i en vægtreduktion på 44%.
Medicinske implantater
GR5 er et standardmateriale til ortopædiske implantater-hofteled, knæled, knogleplader og tandimplantater. Tre grunde: god biokompatibilitet (TiO2-film dannes spontant på titaniumoverfladen, ikke-toksisk og ikke-afvisende); et elasticitetsmodul på 110 GPa, 55 % af kobolt-chromlegeringer-tættere på knoglernes 20-30 GPa, hvilket reducerer stressafskærmningseffekter; og en styrke på 950 MPa, der opfylder kravene til belastning.
GR5's elasticitetsmodul er dog stadig højere end knogle-lang-implantation kan forårsage knogleresorption. I øjeblikket kan porøs GR5 (3D-printet med 50-70 % porøsitet) reducere elasticitetsmodulet til 15-30 GPa, tættere på spongiös knogle.
Bearbejdningsudfordringer ved GR5
Høj skæretemperatur af titaniumlegering – Titaniums termiske ledningsevne er kun 1/4 af stål, hvilket koncentrerer skærevarmen ved skærkanten og forårsager hurtigt slid på værktøjet. Drejning af GR5 med hårdmetalværktøj kræver en lineær hastighed på 40 m/min, hvilket er 1/3 af den hastighed, der kræves til bearbejdning af 304 rustfrit stål. Klorholdigt-kølemiddel er påkrævet – almindelige emulsioner er ineffektive.