Tehnične zahteve in referenčni standardi za plošče iz titanove zlitine
1. Razvrstitev materialov in stopnje
Plošče iz titanove zlitine so na splošno razvrščene v štiri kategorije glede na njihovo mikrostrukturo in legirno sestavo. Alfa zlitine, kot je Ti-5Al-2,5Sn (razred 6), vsebujejo predvsem alfa stabilizatorje, kot sta aluminij in kositer. Te zlitine ponujajo odlično varljivost in odpornost proti lezenju pri povišanih temperaturah, zaradi česar so primerne za strukture letalskih okvirjev in kriogene aplikacije. Skoraj{17}}alfa zlitine, vključno z Ti-8Al-1Mo-1V (razred 9) in Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, vključujejo majhne količine beta stabilizatorjev, medtem ko ohranjajo alfa prevladujočo strukturo. Zagotavljajo izboljšano visokotemperaturno stabilnost komponent plinskoturbinskih motorjev.
Alfa-beta zlitine predstavljajo najpogosteje uporabljeno kategorijo, pri čemer je Ti-6Al-4V (razred 5) glavna zlitina v vesoljskem, medicinskem in industrijskem sektorju. Ta zlitina dosega optimalno ravnovesje trdnosti, duktilnosti in lomne žilavosti s svojo dvofazno mikrostrukturo. Izjemno nizka intersticijska različica, Ti-6Al-4V ELI (razred 23), omejuje vsebnost kisika, železa in vodika, da poveča odpornost na poškodbe za kritične aplikacije. Beta zlitine, kot sta Ti-10V-2Fe-3Al in Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, se lahko obdelajo v raztopini in starajo, da se dosežejo najvišje ravni trdnosti med titanovimi zlitinami, s posebnimi prednostmi pri oblikovanju pred toplotno obdelavo.
2. Zahteve glede kemične sestave
Kemično sestavo plošč iz titanove zlitine je treba strogo nadzorovati, da zagotovimo dosledne mehanske lastnosti in odpornost proti koroziji. Za Ti-6Al-4V (razred 5) se vsebnost aluminija giblje od 5,50 do 6,75 odstotka, medtem ko se vanadij giblje od 3,50 do 4,50 odstotka. Železo je omejeno na največ 0,30 odstotka, kisik na 0,20 odstotka, ogljik na 0,08 odstotka, dušik na 0,05 odstotka in vodik na 0,015 odstotka. Seštevek vseh preostalih elementov ne sme presegati 0,40 odstotka.
Za razred ELI je aluminij omejen na 5,50 do 6,50 odstotka, železo na največ 0,25 odstotka, kisik na 0,13 odstotka in vodik na 0,0125 odstotka. Te zmanjšane intersticijske ravni znatno izboljšajo lomno žilavost in duktilnost, zato je ta stopnja obvezna za kirurške vsadke in kritične letalske konstrukcijske komponente. Ti-5Al-2,5Sn (razred 6) dopušča aluminij med 4,00 in 6,00 odstotki, kositer med 2,00 in 3,00 odstotki, z železom do 0,50 odstotka in vodikom do 0,020 odstotka. Omejitev kisika se ujema s standardnim Ti-6Al-4V pri 0,20 odstotka.
3. Zahteve glede mehanskih lastnosti
Pri sobni temperaturi v vzdolžni smeri mora plošča Ti-6Al-4V doseči najmanjšo skrajno natezno trdnost 895 MPa, najmanjšo mejo tečenja pri 0,2-odstotnem odmiku 828 MPa, najmanjši raztezek 10 odstotkov in najmanjše zmanjšanje površine 25 odstotkov. Različica ELI ohranja enake zahteve glede raztezka in zmanjšanja, vendar z nekoliko nižjimi stopnjami trdnosti: 860 MPa najmanjša skrajna natezna trdnost in 795 MPa najmanjša meja tečenja. Ti-5Al-2,5Sn zahteva minimalno natezno trdnost 827 MPa, najmanjšo mejo tečenja 759 MPa in ustrezne metrike duktilnosti.
Za delovanje pri povišanih temperaturah mora plošča Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo pokazati najmanjšo natezno trdnost 620 MPa pri 315 stopinjah Celzija, z odpornostjo proti lezenju, preverjeno pri 425 stopinjah Celzija. Zlomna žilavost predstavlja kritični parameter za konstrukcijo, odporno na poškodbe. Ti-6Al-4V ELI plošča mora doseči ravninsko deformacijsko žilavost K_IC najmanj 75 MPa kvadratnega korena iz metra, medtem ko Ti-5Al-2.5Sn zahteva najmanj 55 MPa kvadratnega korena iz metra. Zahtevane energije udarca Charpy V-zareze so 20 džulov oziroma 16 džulov.
4. Dimenzijska toleranca in površinska obdelava
Toleranca debeline se razlikuje glede na debelino plošče. Za plošče do 6,35 milimetrov je standardna toleranca plus ali minus 0,13 milimetrov, pri čemer je toleranca natančnosti poostrena na plus ali minus 0,08 milimetrov. Med 6,35 in 25,4 milimetra postane standardna toleranca plus ali minus 0,25 milimetra, z natančnostjo plus ali minus 0,13 milimetra. Za plošče, ki presegajo 25,4 milimetrov do 50,8 milimetrov, je standardna toleranca plus ali minus 0,38 milimetrov, toleranca natančnosti pa plus ali minus 0,25 milimetrov.
Toleranca širine je plus 6,35 milimetrov brez minusa pri standardnih pogojih, zaostrena na plus 3,18 milimetrov za natančnost. Toleranca dolžine je plus 25 milimetrov standarda, plus 13 milimetrov natančnosti. Ploskost ne sme presegati 3,2 milimetra na meter v skladu s standardnimi zahtevami ali 1,6 milimetra na meter za natančno ploščo. Pregib robov je standardno omejen na 3,2 milimetra na 3 metre in natančno na 1,6 milimetra na 3 metre.
Zahteve glede površinske obdelave so odvisne od metode obdelave. Vroče{1}}valjane plošče morajo doseči površinsko hrapavost Ra, ki ne presega 6,3 mikrometra. Hladno{4}}valjane ali kemično dekapirane plošče zahtevajo Ra, ki ne presega 3,2 mikrometra. Natančne-ozemljene plošče zahtevajo Ra, ki ne presega 1,6 mikrometra.
5. Metalurške zahteve
Mikrostruktura plošče iz alfa-beta titanove zlitine v mlin-žarjenem stanju mora biti sestavljena iz enakoosne primarne alfa faze, porazdeljene znotraj transformirane beta matrike. Neprekinjena alfa faza meje zrn ni dovoljena, ker poslabša duktilnost in odpornost proti utrujenosti. Velikost zrn mora biti ASTM 5 ali večja, pri čemer tipična proizvodnja doseže ASTM 6 do 8. Alfa ohišje, tisto trdo s kisikom-obogateno površinsko plast, ki nastane med visoko-temperaturno obdelavo, je treba popolnoma odstraniti. Preverjanje zahteva mikro{10}}profiliranje trdote, ki ne kaže skokov trdote na površini, ali metalografsko preiskavo, ki potrjuje, da ni alfa{11}}stabiliziranega sloja.
Beta madeži, ki so lokalizirana območja beta{0}}obogatitve stabilizatorja, so prepovedani v kritičnih aplikacijah v vesolju. Zaznamo jih s pregledom makro{2}}jedkanja z ustreznimi reagenti. Vsebnost vključkov je ocenjena po metodi A ASTM E45 z najvišjimi dovoljenimi vrednostmi A2, B2, C2 in D2 za tanke, težke, silikatne in kroglaste oksidne vključke.
6. Zahteve za ne-destruktivno testiranje
Ultrazvočno testiranje je obvezno za vse plošče debeline 6,35 milimetrov in debelejše, izvaja se po merilih AMS-STD-2154 razreda A. Nobena indikacija, ki presega ekvivalent 3,2-milimetrske luknje z ravnim dnom, ni sprejemljiva. Test penetracije barvila velja za vse končne površine po ASTM E1417, pri čemer nobena linearna indikacija ne presega 3,2 milimetra dolžine. Radiografsko testiranje je rezervirano za varjena ali popravila po ASTM E1742. Testiranje z vrtinčnimi tokovi lahko nadomesti ultrazvočno testiranje na tankih ploščah pod 6,35 milimetrov, po postopkih ASTM E426 z občutljivostjo, določeno v dogovoru med kupcem in dobaviteljem.
7. Pogoji toplotne obdelave
V-žarjena plošča se obdeluje pri 704 do 760 stopinjah Celzija, čemur sledi zračno hlajenje. Ta pogoj zagotavlja uravnotežene lastnosti za splošno uporabo. Dvostransko žarjenje vključuje obdelavo v raztopini pri 954 stopinjah Celzija s kaljenjem v vodi, čemur sledi zračno hlajenje pri 538 stopinjah Celzija, kar izboljša lomno žilavost za -odporne oblike. Plošča, obdelana z raztopino in starana, doseže največjo trdnost z obdelavo pri 927 stopinjah Celzija s kaljenjem v vodi, nato staranjem pri 538 stopinjah Celzija od 4 do 8 ur. Beta žarjenje pri 1010 stopinjah Celzija z zračnim hlajenjem, ki mu sledi stabilizacija pri 760 stopinjah Celzija, proizvede transformirano beta mikrostrukturo, optimizirano za odpornost proti lezenju v aplikacijah letalskih motorjev. Razbremenitev pri 538 do 649 stopinjah Celzija sledi strojni obdelavi ali preoblikovanju.
Vsa toplotna obdelava mora potekati v vakuumu pri 10 do minus 3 milibarih ali bolje ali v atmosferi argona visoke-čistosti. Vsak alfa ohišje, ki nastane med toplotno obdelavo, je treba pred končnim pregledom popolnoma odstraniti.
8. Referenčni standardi
Primarna specifikacija za ploščo iz titanove zlitine je ASTM B265, ki zajema trak, pločevino in ploščo iz titana in titanove zlitine. Ta standard določa omejitve kemične sestave, zahteve glede mehanskih lastnosti, tolerance dimenzij in splošne določbe o kakovosti. ASTM B348 za palice in gredice zagotavlja dodatne reference mehanskega preskušanja.
Za metodologijo mehanskega preskušanja ASTM E8 in E8M urejata preskušanje napetosti kovinskih materialov. Preverjanje trdote sledi ASTM E18 za trdoto po Rockwellu ali ASTM E10 za trdoto po Brinellu. Ocena vsebnosti vključkov uporablja standard ASTM E45, prilagojen za titanove zlitine. Merjenje velikosti zrn sledi ASTM E112. Profiliranje mikro-trdote po ASTM E384 zazna preostanek primera alfa. Metalografska priprava vzorcev in jedkanje sledita ASTM E3 oziroma ASTM E407.
Standardi ne{0}}neporušnega testiranja vključujejo ASTM E1417 za tekoče penetrantsko testiranje, ASTM E1742 za radiografsko preiskavo in ASTM E426 za elektromagnetno preskušanje tankih izdelkov z vrtinčnimi tokovi. Navodila za pripravo površine in odstranjevanje vodnega kamna najdete v ASTM B600.
Specifikacije materialov za vesoljsko letalstvo zagotavljajo strožje zahteve za-kritične aplikacije. AMS 4907 pokriva ploščo Ti-6Al-4V v žarjenem stanju. AMS 4911 obravnava raztopino obdelano in postarano ploščo Ti-6Al-4V. AMS 4930 določa zelo nizko intersticijsko ploščo Ti-6Al-4V. AMS 4940 velja za ploščo Ti-5Al-2,5Sn. AMS 4943 pokriva ploščo iz beta zlitine Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 obravnava ploščo iz skoraj alfa zlitine Ti-8Al-1Mo-1V. Merila sprejemljivosti ultrazvočnega pregleda so opredeljena v AMS-STD-2154.
Podedovane vojaške specifikacije vključujejo MIL-T-9046 za pločevino, trakove in plošče iz titana ter MIL-T-9047 za palice in odkovke. Okoljsko testiranje sledi MIL-STD-810.
Mednarodni standardi vključujejo ISO 5832-3 za kovane kirurške vsadke iz zlitine Ti-6Al-4V in ISO 5832-10 za vsadke iz zlitine Ti-5Al-2,5Fe. Britanski standardi BS 2TA 2 in BS 2TA 11 pokrivajo list in ploščo Ti-6Al-4V. Nemški DIN 17850 podaja tehnične specifikacije za kovane titanove zlitine. Japonski JIS H4600 obravnava liste, plošče in trakove. Kitajski nacionalni standard GB/T 3621 in vojaški standard GJB 2505A veljata za ploščo iz titanove zlitine za letalstvo.
9. Posebne-zahteve za aplikacijo
Konstrukcijske aplikacije v vesolju zahtevajo podatke o dolgo-ciklični utrujenosti, analizo tolerance poškodb in skladnost ravni A NDT po AMS 4907, AMS 4911 in AMS-STD-2154. Komponente letalskih motorjev zahtevajo natezne lastnosti pri povišani temperaturi, preverjanje odpornosti proti lezenju in testiranje toplotne stabilnosti po AMS 4945 in ASTM E139.
Aplikacije medicinskih vsadkov zahtevajo testiranje biokompatibilnosti, vključno s testi citotoksičnosti in preobčutljivosti, pri čemer je material stopnje ELI obvezen po ISO 5832-3, ASTM F136 in ASTM F1472. Oprema za kemično obdelavo zahteva validacijo odpornosti proti koroziji v posebnih procesnih medijih in dokazano varivost po ASTM B265, ASTM G28 in NACE MR0175 ali ISO 15156. Morske in priobalne strukture morajo biti odporne proti koroziji z morsko vodo in dokazati združljivost s sistemi katodne zaščite po ASTM B265 in DNV-OS-B401. Jedrske aplikacije nadzorujejo presek absorpcije nevtronov, stabilnost sevanja in vsebnost elementov v sledovih po ASME Kodeksu za kotle in tlačne posode, oddelek II, del D.
10. Certificiranje in dokumentacija
Vsako proizvodno serijo mora spremljati potrdilo o preskusu mlina, ki dokumentira rezultate kemijske analize, rezultate preskusa mehanskih lastnosti, sledljivost toplotnega števila in dejanske izmerjene mere. Ta certifikat je obvezen glede na ASTM B265. Certifikati o ne-neporušnem testiranju poročajo o ultrazvočnih, penetrantnih ali radiografskih rezultatih z zapisi o usposobljenosti operaterja. Metalurška poročila vključujejo fotomikrografije mikrostrukture, izmerjeno velikost zrn in ocene vključitve za kritične aplikacije. Certifikati o toplotni obdelavi dokumentirajo parametre cikla, vrsto atmosfere in zapise o kalibraciji termoelementa. Popolna poročila o sledljivosti določajo izvor materiala, prakso taljenja in celotno zgodovino predelave, kar je bistvenega pomena za skladnost s predpisi za vesoljsko in medicinsko opremo.
