Technické požiadavky a referenčné normy pre platne z titánovej zliatiny
1. Klasifikácia a stupne materiálu
Dosky z titánovej zliatiny sú vo všeobecnosti rozdelené do štyroch kategórií na základe ich mikroštruktúry a legovacieho zloženia. Alfa zliatiny, ako napríklad Ti-5Al-2,5Sn (stupeň 6), obsahujú primárne alfa stabilizátory ako hliník a cín. Tieto zliatiny ponúkajú vynikajúcu zvárateľnosť a odolnosť proti tečeniu pri zvýšených teplotách, vďaka čomu sú vhodné pre konštrukcie drakov lietadiel a kryogénne aplikácie. Takmer{17}}alfa zliatiny vrátane Ti-8Al-1Mo-1V (9. stupeň) a Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo obsahujú malé množstvo beta stabilizátorov, pričom si zachovávajú štruktúru s dominanciou alfa. Poskytujú zlepšenú stabilitu pri vysokých teplotách pre komponenty motora s plynovou turbínou.
Alfa-beta zliatiny predstavujú najpoužívanejšiu kategóriu, pričom Ti-6Al-4V (trieda 5) je ťažná zliatina v leteckom, medicínskom a priemyselnom sektore. Táto zliatina dosahuje optimálnu rovnováhu pevnosti, ťažnosti a lomovej húževnatosti vďaka svojej dvojfázovej mikroštruktúre. Extra nízky intersticiálny variant, Ti-6Al-4V ELI (stupeň 23), obmedzuje obsah kyslíka, železa a vodíka, aby sa zvýšila odolnosť voči poškodeniu pri kritických aplikáciách. Beta zliatiny, ako je Ti-10V-2Fe-3Al a Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, možno spracovať v roztoku a nechať starnúť, aby sa dosiahli najvyššie úrovne pevnosti medzi zliatinami titánu, s osobitnými výhodami v tvárnosti pred tepelným spracovaním.
2. Požiadavky na chemické zloženie
Chemické zloženie dosiek z titánovej zliatiny musí byť prísne kontrolované, aby sa zabezpečili konzistentné mechanické vlastnosti a odolnosť proti korózii. Pre Ti-6Al-4V (stupeň 5) sa obsah hliníka pohybuje od 5,50 do 6,75 percenta, zatiaľ čo vanádium sa pohybuje od 3,50 do 4,50 percenta. Železo je obmedzené na 0,30 percenta, kyslík na 0,20 percenta, uhlík na 0,08 percenta, dusík na 0,05 percenta a vodík na 0,015 percenta. Súčet všetkých zvyškových prvkov nesmie presiahnuť 0,40 percenta.
V prípade triedy ELI je obsah hliníka obmedzený na 5,50 až 6,50 percent, železo na maximálne 0,25 percenta, kyslík na 0,13 percenta a vodík na 0,0125 percenta. Tieto znížené intersticiálne úrovne výrazne zlepšujú lomovú húževnatosť a ťažnosť, a preto je táto trieda povinná pre chirurgické implantáty a kritické konštrukčné komponenty letectva. Ti-5Al-2,5Sn (stupeň 6) umožňuje obsah hliníka medzi 4,00 a 6,00 percent, cínu medzi 2,00 a 3,00 percent, so železom do 0,50 percent a vodíka do 0,020 percent. Limit kyslíka zodpovedá štandardnému Ti-6Al-4V na 0,20 percenta.
3. Požiadavky na mechanické vlastnosti
Pri izbovej teplote v pozdĺžnom smere musí doska Ti-6Al-4V dosiahnuť minimálnu medzu pevnosti v ťahu 895 MPa, minimálnu medzu klzu pri 0,2 percentnom posune 828 MPa, minimálne predĺženie 10 percent a minimálnu redukciu plochy 25 percent. Variant ELI si zachováva rovnaké požiadavky na predĺženie a zníženie, ale s mierne zníženými úrovňami pevnosti: 860 MPa minimálna medza pevnosti v ťahu a minimálna medza klzu 795 MPa. Ti-5Al-2,5Sn vyžaduje minimálnu pevnosť v ťahu 827 MPa, minimálnu medzu klzu 759 MPa a zodpovedajúce metriky ťažnosti.
Pre použitie pri zvýšených teplotách musí doska Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo vykazovať minimálnu pevnosť v ťahu 620 MPa pri 315 stupňoch Celzia, s odolnosťou proti tečeniu overenou pri 425 stupňoch Celzia. Lomová húževnatosť predstavuje kritický parameter pre konštrukciu odolnú voči poškodeniu. Ti-6Al-4V ELI doska musí dosahovať rovinnú deformačnú lomovú húževnatosť K_IC aspoň 75 MPa odmocnina z metra, kým Ti-5Al-2,5Sn vyžaduje minimálne 55 MPa odmocnina z metra. Nárazová energia Charpyho V-zárezu je 20 joulov a 16 joulov.
4. Rozmerové tolerancie a povrchová úprava
Tolerancia hrúbky sa mení podľa hrúbky plechu. Pre dosky do 6,35 milimetra je štandardná tolerancia plus alebo mínus 0,13 milimetra, s presnosťou tolerancie dotiahnutou na plus alebo mínus 0,08 milimetra. Medzi 6,35 a 25,4 milimetra sa štandardná tolerancia stáva plus alebo mínus 0,25 milimetra, s presnosťou plus alebo mínus 0,13 milimetra. Pre dosky s rozmermi presahujúcimi 25,4 milimetra až 50,8 milimetra je štandardná tolerancia plus alebo mínus 0,38 milimetra a tolerancia presnosti je plus alebo mínus 0,25 milimetra.
Tolerancia šírky je plus 6,35 milimetra bez mínus za štandardných podmienok, pre presnosť je utiahnutá na plus 3,18 milimetra. Tolerancia dĺžky je plus štandardných 25 milimetrov plus presnosť 13 milimetrov. Rovinnosť nesmie presiahnuť 3,2 milimetra na meter podľa štandardných požiadaviek alebo 1,6 milimetra na meter pre presné dosky. Odklon hrany je štandardne obmedzený na 3,2 milimetra na 3 metre a presnosť na 1,6 milimetra na 3 metre.
Požiadavky na povrchovú úpravu závisia od spôsobu spracovania. Dosky valcované za tepla- musia dosahovať drsnosť povrchu Ra nepresahujúcu 6,3 mikrometra. Za studena-valcované alebo chemicky morené platne vyžadujú Ra nepresahujúce 3,2 mikrometra. Presné-brúsené platne vyžadujú Ra nepresahujúce 1,6 mikrometra.
5. Metalurgické požiadavky
Mikroštruktúra dosky z alfa-beta titánovej zliatiny v mlyne-žíhanom stave musí pozostávať z rovnoosovej primárnej alfa fázy distribuovanej v transformovanej beta matrici. Nepretržitá alfa fáza na hranici zŕn nie je povolená, pretože zhoršuje ťažnosť a odolnosť proti únave. Veľkosť zŕn musí byť ASTM 5 alebo jemnejšia, pričom typická výroba dosahuje ASTM 6 až 8. Alfa prípad, teda povrchová vrstva obohatená tvrdým kyslíkom, -vytvorená pri vysokoteplotnom spracovaní, sa musí úplne odstrániť. Overenie vyžaduje mikro{10}}profilovanie tvrdosti, ktoré nepreukazuje žiadne výkyvy tvrdosti na povrchu, alebo metalografické vyšetrenie potvrdzujúce, že nezostala žiadna alfa{11}}stabilizovaná vrstva.
Beta škvrny, ktoré sú lokalizovanými oblasťami obohatenia beta-stabilizátormi, sú v kritických aplikáciách v letectve zakázané. Zisťujú sa pomocou makro-leptania pomocou vhodných činidiel. Obsah inklúzií je hodnotený podľa ASTM E45 Metóda A s maximálnymi prípustnými úrovňami A2, B2, C2 a D2 pre tenké, ťažké, silikátové a globulárne oxidové inklúzie.
6. Požiadavky na ne-deštruktívne testovanie
Ultrazvukové testovanie je povinné pre všetky platne s hrúbkou 6,35 milimetra a hrubšie, vykonávané podľa kritérií AMS-STD-2154 triedy A. Žiadna indikácia presahujúca ekvivalent 3,2-milimetrového otvoru s plochým dnom nie je prijateľná. Testovanie prieniku farbiva sa vzťahuje na všetky hotové povrchy podľa ASTM E1417, pričom žiadne lineárne indikácie nepresahujú dĺžku 3,2 milimetra. Rádiografické testovanie je vyhradené pre zvárané alebo opravované oblasti podľa ASTM E1742. Testovanie vírivými prúdmi môže nahradiť testovanie ultrazvukom na tenkých platniach pod 6,35 milimetra podľa postupov ASTM E426 s citlivosťou stanovenou dohodou medzi kupujúcim a dodávateľom.
7. Podmienky tepelného spracovania
Mlyn-žíhaná doska sa spracováva pri teplote 704 až 760 stupňov Celzia, po ktorej nasleduje chladenie vzduchom. Táto podmienka poskytuje vyvážené vlastnosti pre všeobecné aplikácie. Duplexné žíhanie zahŕňa roztokové ošetrenie pri 954 stupňoch Celzia s ochladením vodou, po ktorom nasleduje ochladzovanie vzduchom na 538 stupňov Celzia, čím sa zlepšuje lomová húževnatosť pri dizajnoch odolných proti poškodeniu-. Doska ošetrená roztokom a zostarnutá doska dosahuje maximálnu pevnosť úpravou pri 927 stupňoch Celzia s ochladením vodou, potom starnutím pri 538 stupňoch Celzia počas 4 až 8 hodín. Beta žíhanie pri 1010 stupňoch Celzia s chladením vzduchom, po ktorom nasleduje stabilizácia na 760 stupňoch Celzia, vytvára transformovanú beta mikroštruktúru optimalizovanú pre odolnosť proti tečeniu v aplikáciách leteckých motorov. Uvoľnenie napätia pri 538 až 649 stupňoch Celzia nasleduje po obrábaní alebo tvárnení.
Všetky tepelné úpravy musia prebiehať vo vákuu pri 10 až mínus 3 milibaroch alebo lepšom, alebo v atmosfére argónu vysokej -čistoty. Akékoľvek puzdro alfa vytvorené počas tepelného spracovania sa musí pred konečnou kontrolou úplne odstrániť.
8. Referenčné normy
Primárna špecifikácia dosky z titánovej zliatiny je ASTM B265, pokrývajúca pás, plech a platňu z titánu a zliatiny titánu. Táto norma definuje limity chemického zloženia, požiadavky na mechanické vlastnosti, rozmerové tolerancie a všeobecné ustanovenia o kvalite. ASTM B348 pre tyče a predvalky poskytuje doplnkové mechanické testovacie referencie.
Pre metodológiu mechanického testovania ASTM E8 a E8M riadia testovanie ťahom kovových materiálov. Overenie tvrdosti sa riadi ASTM E18 pre tvrdosť podľa Rockwella alebo ASTM E10 pre tvrdosť podľa Brinella. Hodnotenie obsahu inklúzií používa ASTM E45, prispôsobené pre zliatiny titánu. Meranie veľkosti zrna sa riadi ASTM E112. Mikro-profilovanie tvrdosti podľa ASTM E384 deteguje zvyškový prípad alfa. Metalografická príprava vzorky a leptanie sa riadi ASTM E3 a ASTM E407.
Nedeštruktívne testovacie štandardy zahŕňajú ASTM E1417 na testovanie tekutých penetrantov, ASTM E1742 na rádiografické vyšetrenie a ASTM E426 na testovanie tenkých produktov elektromagnetickými vírivými prúdmi. Pokyny na prípravu povrchu a odstraňovanie okovín nájdete v ASTM B600.
Špecifikácie leteckého a kozmického materiálu poskytujú prísnejšie požiadavky pre -kritické letové aplikácie. AMS 4907 pokrýva Ti-6Al-4V dosku v žíhanom stave. AMS 4911 sa zameriava na dosku Ti-6Al-4V ošetrenú roztokom a starnúcu. AMS 4930 špecifikuje extra nízku intersticiálnu doštičku Ti-6Al-4V. AMS 4940 sa vzťahuje na platňu Ti-5Al-2,5Sn. AMS 4943 pokrýva dosku z beta zliatiny Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 adresuje dosku zo zliatiny blízkej alfa Ti-8Al-1Mo-1V. Kritériá prijatia ultrazvukovej kontroly sú definované v AMS-STD-2154.
Staré vojenské špecifikácie zahŕňajú MIL-T-9046 pre titánové plechy, pásy a plechy a MIL{5}}T-9047 pre tyče a výkovky. Environmentálne testovanie sa riadi MIL-STD-810.
Medzi medzinárodné normy patrí ISO 5832-3 pre spracované chirurgické implantáty zo zliatiny Ti-6Al-4V a ISO 5832-10 pre implantáty zo zliatiny Ti-5Al-2,5Fe. Britské normy BS 2TA 2 a BS 2TA 11 pokrývajú plech a plech Ti-6Al-4V. Nemecká norma DIN 17850 poskytuje technické špecifikácie pre tvárnené titánové zliatiny. Japonský JIS H4600 rieši listy, platne a pásy. Čínska národná norma GB/T 3621 a vojenská norma GJB 2505A sa vzťahujú na platňu z titánovej zliatiny leteckej kvality.
9. Špecifické požiadavky-aplikácie
Konštrukčné aplikácie v letectve a kozmickom priestore vyžadujú údaje o únave pri vysokých{0}}cykloch, analýzu tolerancie poškodenia a zhodu s úrovňou A NDT podľa AMS 4907, AMS 4911 a AMS-STD-2154. Komponenty leteckých motorov vyžadujú vlastnosti v ťahu pri zvýšenej teplote, overenie odolnosti proti tečeniu a testovanie tepelnej stability podľa AMS 4945 a ASTM E139.
Aplikácie lekárskych implantátov vyžadujú testovanie biokompatibility vrátane testov cytotoxicity a senzibilizácie, pričom materiál triedy ELI je povinný podľa ISO 5832-3, ASTM F136 a ASTM F1472. Zariadenia na chemické spracovanie vyžadujú overenie odolnosti proti korózii v špecifických procesných médiách a preukázanú zvárateľnosť podľa ASTM B265, ASTM G28 a NACE MR0175 alebo ISO 15156. Námorné a pobrežné konštrukcie musia odolávať korózii morskou vodou a musia preukázať kompatibilitu so systémami katódovej ochrany podľa ASTM B265 a DNV-OS-B40. Jadrové aplikácie riadia prierez absorpcie neutrónov, radiačnú stabilitu a obsah stopových prvkov podľa ASME kódexu kotla a tlakovej nádoby, časť II, časť D.
10. Certifikácia a dokumentácia
Ku každej výrobnej sérií musí byť priložený certifikát o skúške mlyna, ktorý dokumentuje výsledky chemickej analýzy, výsledky skúšok mechanických vlastností, sledovateľnosť tepelných čísel a aktuálne namerané rozmery. Tento certifikát je povinný podľa ASTM B265. Certifikáty nedeštruktívneho testovania uvádzajú ultrazvukové, penetračné alebo rádiografické výsledky so záznamami o kvalifikácii operátora. Metalurgické správy zahŕňajú mikrosnímky mikroštruktúry, nameranú veľkosť zŕn a hodnotenie inklúzií pre kritické aplikácie. Certifikáty tepelného spracovania dokumentujú parametre cyklu, typ atmosféry a záznamy o kalibrácii termočlánkov. Úplné správy o sledovateľnosti stanovujú pôvod materiálu, prax taveniny a kompletnú históriu spracovania, čo je nevyhnutné pre súlad s predpismi pre letectvo a zdravotnícke zariadenia.
