GR5 (Ti-6Al-4V) is het "301 roestvrij staal" van titaniumlegeringen. Het wordt veel gebruikt en heeft een breed toepassingsbereik. Van raketlichamen tot menselijke botimplantaten, GR5 is alomtegenwoordig. Wat zijn de fundamentele verschillen tussen het en puur titanium?
GR5 Compositieontwerp
GR5 Samenstelling: aluminium op titanium-basis 5,5-6,5%, vanadium 3,5-4,5%. Aluminium is een -stabiliserend element-dat de sterkte en temperatuurbestendigheid verbetert. Vanadium is een -stabiliserend element-waardoor de legering een dubbele-fasestructuur kan behouden bij kamertemperatuur. De fase zorgt voor stabiliteit bij hoge-temperaturen, terwijl de fase zorgt voor sterkte bij kamertemperatuur. Deze tweefasige structuur is de sleutel tot de prestatiebalans van GR5.
GR1/GR2 zijn een-faselegeringen-lage sterkte (GR2 treksterkte 345 MPa) maar goede plasticiteit, voornamelijk gebruikt in chemische apparatuur en platenwarmtewisselaars. GR5 heeft een treksterkte van 950 MPa, 2,7 keer die van GR2, maar de rek is slechts de helft van die van GR2.
Lucht- en ruimtevaarttoepassingen
Raketbrandstoftanks: SpaceX Falcon 9-brandstoftanks gebruiken een aluminiumlegering van 2219, maar de motorbehuizing in de tweede- fase gebruikt GR5: de sterkte van aluminiumlegeringen neemt te veel af bij hoge temperaturen. GR5 levert een opbrengst op van 500 MPa bij 400 graden, tweemaal zoveel als bij 2219.
Satellietondersteuning en bevestigingsmiddelen: GR5 heeft een dichtheid van 4,43 g/cm³, wat 56% is van die van staal. Elke kilogram gewichtsvermindering in een satelliet bespaart $10.000 aan lanceringskosten-GR5 ter vervanging van stalen bevestigingsmiddelen is een economische keuze voor gewichtsvermindering. Het vervangen van 17-4PH-bouten door GR5 in het cryogene gedeelte van de motor resulteert in een gewichtsvermindering van 44%.
Medische implantaten
GR5 is een standaardmateriaal voor orthopedische implantaten-heupgewrichten, kniegewrichten, botplaten en tandheelkundige implantaten. Drie redenen: goede biocompatibiliteit (TiO2-film vormt zich spontaan op het titaniumoppervlak, is niet-giftig en-afstotend); een elasticiteitsmodulus van 110 GPa, 55% kobalt-chroomlegeringen-dichter bij de 20-30 GPa van het bot, waardoor de effecten op het afschermen van spanningen worden verminderd; en een sterkte van 950 MPa, wat voldoet aan de belastingseisen.
De elasticiteitsmodulus van GR5 is echter nog steeds hoger dan botimplantatie.-Lange- termijnimplantatie kan botresorptie veroorzaken. Momenteel kan poreus GR5 (3D-geprint met 50-70% porositeit) de elasticiteitsmodulus verlagen tot 15-30 GPa, dichter bij spongieus bot.
Bewerkingsuitdagingen van GR5
Hoge snijtemperatuur van titaniumlegering – De thermische geleidbaarheid van titanium is slechts 1/4 van die van staal, waardoor de snijwarmte zich concentreert op de snijkant en snelle slijtage van het gereedschap veroorzaakt. Het draaien van GR5 met hardmetalen gereedschappen vereist een lineaire snelheid van 40 m/min, wat 1/3 is van de snelheid die nodig is voor het bewerken van 304 roestvrij staal. Er is chloor-bevattend koelmiddel vereist; gewone emulsies zijn niet effectief.