Titaanisulamist plaatide tehnilised nõuded ja viidatud standardid
1. Materjalide klassifikatsioon ja klassid
Titaanisulamist plaadid jagunevad nende mikrostruktuuri ja legeerkoostise alusel laias laastus nelja kategooriasse. Alfasulamid, nagu Ti-5Al-2,5Sn (6. klass), sisaldavad peamiselt alfastabilisaatoreid, nagu alumiinium ja tina. Need sulamid pakuvad suurepärast keevitatavust ja libisemiskindlust kõrgetel temperatuuridel, muutes need sobivaks lennukiraami konstruktsioonide ja krüogeensete rakenduste jaoks. Peaaegu -alfa-sulamid, sealhulgas Ti-8Al-1Mo-1V (9. klass) ja Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, sisaldavad väikeses koguses beeta-stabilisaatoreid, säilitades samal ajal alfa-domineeriva struktuuri. Need tagavad gaasiturbiinmootori komponentidele parema stabiilsuse kõrgel temperatuuril.
Alfa-beetasulamid esindavad kõige laialdasemalt kasutatavat kategooriat, kusjuures Ti-6Al-4V (5. klass) on kosmose-, meditsiini- ja tööstussektoris tööjõusulam. See sulam saavutab oma kahefaasilise mikrostruktuuri kaudu tugevuse, plastilisuse ja purunemiskindluse optimaalse tasakaalu. Eriti madal interstitsiaalne variant Ti-6Al-4V ELI (klass 23) piirab hapniku-, raua- ja vesinikusisaldust, et parandada kriitiliste rakenduste kahjustuste taluvust. Beetasulameid, nagu Ti-10V-2Fe-3Al ja Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, saab lahusega töödelda ja vanandada, et saavutada titaanisulamite seas kõrgeim tugevustase, millel on erilised eelised vormitavuse osas enne kuumtöötlemist.
2. Keemilise koostise nõuded
Titaanisulamist plaatide keemilist koostist tuleb rangelt kontrollida, et tagada järjepidevad mehaanilised omadused ja korrosioonikindlus. Ti-6Al-4V (klass 5) alumiiniumisisaldus jääb vahemikku 5,50–6,75 protsenti, vanaadiumi sisaldus aga 3,50–4,50 protsenti. Rauasisaldus on maksimaalselt 0,30 protsenti, hapnikku 0,20 protsenti, süsinikku 0,08 protsenti, lämmastikku 0,05 protsenti ja vesinikku 0,015 protsenti. Kõikide jääkelementide summa ei tohi ületada 0,40 protsenti.
ELI klassi puhul on alumiiniumi sisaldus piiratud 5,50–6,50 protsendiga, raua sisaldus maksimaalselt 0,25 protsenti, hapnikku 0,13 protsenti ja vesinikku 0,0125 protsenti. Need vähendatud interstitsiaalsed tasemed parandavad märkimisväärselt murdumiskindlust ja plastilisust, mistõttu on see klass kohustuslik kirurgiliste implantaatide ja kriitiliste kosmosetööstuse konstruktsioonikomponentide puhul. Ti-5Al-2,5Sn (6. klass) lubab alumiiniumi 4,00–6,00 protsenti, tina 2–3,00 protsenti, rauda kuni 0,50 protsenti ja vesinikku 0,020 protsenti. Hapniku piirnorm vastab standardsele Ti-6Al-4V 0,20 protsendile.
3. Nõuded mehaanilistele omadustele
Toatemperatuuril pikisuunas peab Ti-6Al-4V plaadi minimaalne tõmbetugevus 895 MPa, minimaalne voolavuspiir 0,2% nihkega 828 MPa, minimaalne pikenemine 10% ja minimaalne pindala vähenemine 25%. ELI variant säilitab samad pikenemise ja vähendamise nõuded, kuid veidi vähendatud tugevustasemega: 860 MPa minimaalne tõmbetugevus ja 795 MPa minimaalne voolavuspiir. Ti-5Al-2,5Sn nõuab minimaalset tõmbetugevust 827 MPa, minimaalset voolavuspiiri 759 MPa ja vastavaid elastsuse näitajaid.
Kõrgendatud temperatuuriga töötamiseks peab plaadi Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo minimaalne tõmbetugevus 315 kraadi Celsiuse järgi olema 620 MPa ja libisemiskindlus 425 kraadi Celsiuse järgi. Murdekindlus on kriitiline parameeter kahjustuste suhtes vastupidava disaini jaoks. Ti-6Al-4V ELI plaat peab saavutama tasapinnalise deformatsioonimurdetugevuse K_IC vähemalt 75 MPa ruutjuure meetrit, samas kui Ti-5Al-2,5Sn vajab minimaalselt 55 MPa ruutjuurt meetrit. Charpy V-kujulise sälgu löögienergia nõuded on vastavalt 20 džauli ja 16 džauli.
4. Mõõtmete tolerantsid ja pinnaviimistlus
Paksuse tolerants sõltub plaadi paksusest. Kuni 6,35 millimeetri suuruste plaatide puhul on standardtolerants pluss-miinus 0,13 millimeetrit, kusjuures täpsustolerants on pingutatud pluss-miinus 0,08 millimeetrini. 6,35 ja 25,4 millimeetri vahel muutub standardtolerants pluss-miinus 0,25 millimeetriks, täpsusega pluss-miinus 0,13 millimeetrit. Plaatide puhul, mille pikkus on üle 25,4 kuni 50,8 millimeetrit, on standardtolerants pluss-miinus 0,38 millimeetrit ja täpsustolerants on pluss-miinus 0,25 millimeetrit.
Laiuse tolerants on standardtingimustes pluss 6,35 millimeetrit ilma miinuseta, täpsuse huvides pingutatud pluss 3,18 millimeetrini. Pikkuse tolerants on standardne pluss 25 millimeetrit ja täpsus 13 millimeetrit. Tasasus ei tohi standardnõuete kohaselt ületada 3,2 millimeetrit meetri kohta või täppisplaadi puhul 1,6 millimeetrit meetri kohta. Servakamber on standardselt piiratud 3,2 millimeetriga 3 meetri kohta ja 1,6 millimeetriga 3 meetri täpsusega.
Pinnaviimistluse nõuded sõltuvad töötlemismeetodist. Kuumvaltsitud plaadid peavad saavutama pinnakareduse Ra, mis ei ületa 6,3 mikromeetrit. Külmvaltsitud-või keemiliselt marineeritud plaadid ei nõua Ra väärtust üle 3,2 mikromeetri. Täppis{7}}lihvimisplaadid vajavad Ra-d, mis ei ületa 1,6 mikromeetrit.
5. Metallurgianõuded
Alfa{0}}beeta-titaanisulamist plaadi mikrostruktuur lõõmutatud olekus-peab koosnema võrdse teljega primaarsest alfafaasist, mis on jaotatud muundatud beetamaatriksis. Pidev terapiiri alfafaas ei ole lubatud, kuna see halvendab plastilisust ja väsimuskindlust. Tera suurus peab olema ASTM 5 või peenem, tüüpiline tootmine saavutab ASTM 6 kuni 8. Alfa juhtum, see kõva hapnikuga rikastatud pinnakiht, mis moodustub kõrgel temperatuuril{8}}töötlemisel, tuleb täielikult eemaldada. Kontrollimiseks on vaja mikro{10}}kõvadusprofiili, mis ei näita pinnal kõvaduse hüppeid, või metallograafilist uuringut, mis kinnitab, et alfa{11}}stabiliseeritud kihti pole alles.
Beetaplekid, mis on beeta{0}}stabilisaatori rikastamise lokaalsed piirkonnad, on kriitilistes kosmoserakendustes keelatud. Need tuvastatakse makro-söövituse kontrollimise teel, kasutades sobivaid reaktiive. Sisalduse sisaldus on hinnatud ASTM E45 meetodi A järgi, mille maksimaalne lubatud tase on A2, B2, C2 ja D2 vastavalt õhukeste, raskete, silikaat- ja kerakujuliste oksiidsulgurite puhul.
6. Mittepurustava testimise nõuded{1}
Ultraheli testimine on kohustuslik kõikide 6,35-millimeetriste ja paksemate plaatide puhul, mis viiakse läbi vastavalt AMS-STD-2154 klassi A kriteeriumidele. Ükski märge, mis ületab 3,2-millimeetrise lamedapõhjalise augu ekvivalenti, ei ole vastuvõetav. Värvaine läbitungimise testimine kehtib kõikide viimistletud pindade kohta vastavalt ASTM E1417 nõuetele, kusjuures lineaarsed märgid ei ületa 3,2 millimeetrit. Radiograafiline testimine on ASTM E1742 kohaselt ette nähtud keevitatud või remonditavatele aladele. Pöörisvoolu testimine võib asendada ultraheliuuringuga õhukestel alla 6,35 millimeetristel plaatidel, järgides ASTM E426 protseduure, mille tundlikkus on kindlaks määratud ostja ja tarnija vahelise kokkuleppega.
7. Kuumtöötlemise tingimused
Veski{0}}lõõmutatud plaati töödeldakse temperatuuril 704–760 kraadi Celsiuse järgi, millele järgneb õhkjahutus. See tingimus tagab üldiste rakenduste jaoks tasakaalustatud omadused. Duplekslõõmutamine hõlmab lahuse töötlemist temperatuuril 954 kraadi Celsiuse järgi koos vesijahutusega, millele järgneb õhujahutus 538 kraadi Celsiuse järgi, mis parandab purunemiskindlust, et vältida kahjustusi{7}}. Lahusega töödeldud ja vanandatud plaat saavutab maksimaalse tugevuse töötlemisel 927 kraadi Celsiuse järgi vesijahutusega, seejärel vanandades temperatuuril 538 kraadi Celsiuse järgi 4–8 tundi. Beetalõõmutamine temperatuuril 1010 kraadi Celsiuse järgi koos õhkjahutusega, millele järgneb stabiliseerimine temperatuuril 760 kraadi Celsiuse järgi, tekitab muudetud beeta-mikrostruktuuri, mis on optimeeritud kosmosemootorites roomamiskindluse jaoks. Pinge leevendamine temperatuuril 538–649 kraadi Celsiuse järgi järgneb töötlemis- või vormimisoperatsioonidele.
Kogu kuumtöötlus peab toimuma vaakumis temperatuuril 10 kuni miinus 3 millibaari või kõrgemal või kõrge -puhtusastmega argooni atmosfääris. Kuumtöötlemise käigus tekkinud alfakast tuleb enne lõplikku kontrolli täielikult eemaldada.
8. Viidatud standardid
Titaanisulamist plaadi esmane spetsifikatsioon on ASTM B265, mis hõlmab titaanist ja titaanisulamist riba, lehte ja plaati. See standard määratleb keemilise koostise piirid, mehaaniliste omaduste nõuded, mõõtmete tolerantsid ja üldised kvaliteedisätted. ASTM B348 vardade ja toorikute jaoks pakub täiendavaid mehaaniliste katsete viiteid.
Mehaanilise testimise metoodika puhul reguleerivad ASTM E8 ja E8M metallmaterjalide pingetesti. Kõvaduse kontrollimisel järgitakse ASTM E18 Rockwelli kõvaduse või ASTM E10 Brinelli kõvaduse puhul. Kaasamise sisu hindamisel kasutatakse ASTM E45, mis on kohandatud titaanisulamitele. Tera suuruse mõõtmine järgib ASTM E112. Mikro-kõvadusprofiil ASTM E384 järgi tuvastab jääk-alfa-juhtumi. Metallograafilise proovi ettevalmistamine ja söövitamine järgivad vastavalt ASTM E3 ja ASTM E407.
Mittepurustavate testide standardite hulka kuuluvad ASTM E1417 vedeliku läbitungimise testimiseks, ASTM E1742 radiograafiliseks uuringuks ja ASTM E426 õhukeste toodete elektromagnetilise pöörisvoolu testimiseks. Pinna ettevalmistamise ja katlakivi eemaldamise juhised leiate ASTM B600-st.
Lennundusmaterjalide spetsifikatsioonid pakuvad lennu{0}}kriitiliste rakenduste jaoks rangemaid nõudeid. AMS 4907 katab lõõmutatud Ti-6Al-4 V plaadi. AMS 4911 käsitleb lahusega töödeldud ja vanandatud Ti-6Al-4V plaati. AMS 4930 määrab eriti madala interstitsiaalse Ti-6Al-4V plaadi. AMS 4940 kehtib Ti-5Al-2,5Sn plaadi kohta. AMS 4943 katab Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn beetasulamist plaati. AMS 4945 on suunatud Ti-8Al-1Mo-1V peaaegu alfa sulamist plaadile. Ultraheli kontrolli aktsepteerimise kriteeriumid on määratletud dokumendis AMS-STD-2154.
Pärandsõjaliste spetsifikatsioonide hulka kuuluvad MIL{0}}T-9046 titaanlehe, -riba ja -plaadi jaoks ning MIL-T-9047 vardade ja sepiste jaoks. Keskkonnatestid järgivad MIL-STD-810.
Rahvusvahelised standardid hõlmavad ISO 5832-3 sepistatud Ti-6Al-4V sulamist kirurgilistele implantaatidele ja ISO 5832-10 Ti-5Al-2,5Fe sulamist implantaatidele. Briti standardid BS 2TA 2 ja BS 2TA 11 katavad Ti-6Al-4V lehte ja plaati. Saksa DIN 17850 sisaldab sepistatud titaanisulamite tehnilisi kirjeldusi. Jaapani JIS H4600 adresseerib lehti, plaate ja ribasid. Hiina riiklik standard GB/T 3621 ja sõjaväestandard GJB 2505A kehtivad lennundusklassi titaanisulamist plaadile.
9. Rakenduse-erinõuded
Lennunduse struktuurirakendused nõuavad kõrgeid-tsükliväsimuse andmeid, kahjustuste taluvuse analüüsi ja NDT-taseme A vastavust AMS 4907, AMS 4911 ja AMS-STD-2154 järgi. Lennundusmootori osad nõuavad kõrgendatud temperatuuri tõmbeomadusi, roomamiskindluse kontrollimist ja termilise stabiilsuse testimist vastavalt AMS 4945 ja ASTM E139 nõuetele.
Meditsiiniliste implantaatide rakendused nõuavad biosobivuse testimist, sealhulgas tsütotoksilisuse ja sensibiliseerimise teste, kusjuures ELI klassi materjal on kohustuslik ISO 5832-3, ASTM F136 ja ASTM F1472 järgi. Keemilise töötlemise seadmed nõuavad korrosioonikindluse valideerimist spetsiifilistes protsessikeskkondades ja tõendatud keevitatavust vastavalt standarditele ASTM B265, ASTM G28 ja NACE MR0175 või ISO 15156. Mere- ja avamerekonstruktsioonid peavad vastu pidama merevee korrosioonile ning tõendama ühilduvust katoodkaitsesüsteemidega vastavalt ASTM B265 ja DNV{01}}}DNV{{01}}}}}DNV{015. Tuumarakendused kontrollivad neutronite neeldumise ristlõiget, kiirguse stabiilsust ja mikroelementide sisaldust ASME katla ja surveanuma koodi II jaotise D osa järgi.
10. Sertifitseerimine ja dokumentatsioon
Iga tootmispartiiga peab olema kaasas veski testimise sertifikaat, mis dokumenteerib keemilise analüüsi tulemused, mehaaniliste omaduste testimise tulemused, soojusarvu jälgitavuse ja tegelikud mõõdetud mõõtmed. See sertifikaat on ASTM B265 järgi kohustuslik. Mittepurustavate testide sertifikaadid esitavad ultraheli-, läbitungimis- või radiograafilised tulemused koos operaatori kvalifikatsiooni kirjetega. Metallurgilised aruanded sisaldavad mikrostruktuuri mikrofotosid, mõõdetud tera suurust ja kriitiliste rakenduste kaasamise hinnanguid. Kuumtöötlemise sertifikaadid dokumenteerivad tsükli parameetrid, atmosfääri tüübi ja termopaari kalibreerimise kirjed. Täielikud jälgitavuse aruanded määravad kindlaks materjali päritolu, sulamispraktika ja täieliku töötlemisajaloo, mis on kosmose- ja meditsiiniseadmete eeskirjade täitmiseks hädavajalik.
