GR5 (Ti-6Al-4V) คือ "เหล็กกล้าไร้สนิม 301" ของโลหะผสมไทเทเนียม ซึ่งมีการใช้อย่างแพร่หลายและมีขอบเขตการใช้งานที่กว้าง ตั้งแต่ตัวจรวดไปจนถึงการปลูกถ่ายกระดูกมนุษย์ GR5 มีอยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่ง อะไรคือความแตกต่างพื้นฐานระหว่างมันกับไทเทเนียมบริสุทธิ์?
การออกแบบองค์ประกอบ GR5
ส่วนประกอบ GR5: อะลูมิเนียมที่ใช้ไทเทเนียม- 5.5-6.5% วานาเดียม 3.5-4.5% อะลูมิเนียมเป็น-องค์ประกอบที่ทำให้เสถียร-ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงและทนต่ออุณหภูมิ วานาเดียมเป็น-องค์ประกอบที่ทำให้คงตัว-ทำให้โลหะผสมสามารถรักษาโครงสร้างเฟส + คู่-ไว้ที่อุณหภูมิห้องได้ เฟสนี้รับประกันความเสถียรของอุณหภูมิสูง-ในขณะที่เฟสจะรับประกันความแรงของอุณหภูมิห้อง โครงสร้างแบบดูอัลเฟสนี้เป็นกุญแจสำคัญต่อความสมดุลของประสิทธิภาพของ GR5
GR1/GR2 เป็นโลหะผสมเฟสเดียว--มีความแข็งแรงต่ำ (ความต้านทานแรงดึง GR2 345MPa) แต่เป็นพลาสติกที่ดี โดยส่วนใหญ่ใช้ในอุปกรณ์เคมีและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น GR5 มีความต้านทานแรงดึง 950MPa มากกว่า GR2 2.7 เท่า แต่การยืดตัวเพียงครึ่งหนึ่งของ GR2
การใช้งานด้านการบินและอวกาศ
ถังเชื้อเพลิงจรวด: ถังเชื้อเพลิง SpaceX Falcon 9 ใช้อลูมิเนียมอัลลอยด์ 2219 แต่เปลือกเครื่องยนต์ขั้นที่สอง-ใช้ GR5 ซึ่งความแข็งแกร่งของอลูมิเนียมอัลลอยด์จะลดลงมากเกินไปที่อุณหภูมิสูง GR5 ให้ผลตอบแทน 500MPa ที่ 400 องศา สองเท่าของ 2219
ส่วนรองรับดาวเทียมและตัวยึด: GR5 มีความหนาแน่น 4.43 g/cm³ ซึ่งคิดเป็น 56% ของความหนาแน่นของเหล็ก การลดน้ำหนักทุกกิโลกรัมในดาวเทียมช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในการเปิดตัวได้ 10,000 ดอลลาร์-การเปลี่ยน GR5 การเปลี่ยนตัวยึดเหล็กเป็นทางเลือกที่ประหยัดสำหรับการลดน้ำหนัก การเปลี่ยนโบลต์ 17-4PH ด้วย GR5 ในส่วนไครโอเจนิกของเครื่องยนต์ส่งผลให้น้ำหนักลดลง 44%
การปลูกถ่ายทางการแพทย์
GR5 เป็นวัสดุมาตรฐานสำหรับการปลูกถ่ายกระดูกและข้อ-ข้อสะโพก ข้อเข่า แผ่นกระดูก และรากฟันเทียม เหตุผลสามประการ: ความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี (ฟิล์ม TiO2 ก่อตัวขึ้นเองบนพื้นผิวไทเทเนียม ไม่-เป็นพิษและไม่-ถูกปฏิเสธ) โมดูลัสยืดหยุ่น 110 GPa, โคบอลต์-โลหะผสมโครเมียม- 55% ใกล้เคียงกับกระดูก 20-30 GPa มากขึ้น ซึ่งช่วยลดผลกระทบจากการป้องกันความเครียด และความแข็งแกร่ง 950 MPa ตอบสนองความต้องการรับน้ำหนัก
อย่างไรก็ตาม โมดูลัสยืดหยุ่นของ GR5 ยังคงสูงกว่าการปลูกถ่ายกระดูก-ในระยะยาว- อาจทำให้กระดูกสลายได้ ในปัจจุบัน GR5 ที่มีรูพรุน (พิมพ์ 3 มิติที่มีความพรุน 50-70%) สามารถลดโมดูลัสยืดหยุ่นลงเหลือ 15-30 GPa ซึ่งใกล้กับกระดูกที่เป็นรูพรุนมากขึ้น
ความท้าทายในการตัดเฉือนของ GR5
อุณหภูมิในการตัดสูงของโลหะผสมไทเทเนียม – ค่าการนำความร้อนของไทเทเนียมมีค่าเพียง 1/4 ของเหล็ก ซึ่งมุ่งไปที่ความร้อนในการตัดที่คมตัด และทำให้เครื่องมือสึกหรออย่างรวดเร็ว การกลึง GR5 ด้วยเครื่องมือคาร์ไบด์ต้องใช้ความเร็วเชิงเส้น 40 ม./นาที ซึ่งเป็น 1/3 ของความเร็วที่จำเป็นสำหรับการตัดเฉือนสเตนเลส 304 ต้องใช้คลอรีน-ที่มีสารหล่อเย็น – อิมัลชันธรรมดาไม่ได้ผล