Τεχνικές απαιτήσεις και αναφερόμενα πρότυπα για πλάκες από κράμα τιτανίου

Τεχνικές απαιτήσεις και αναφερόμενα πρότυπα για πλάκες από κράμα τιτανίου

1. Ταξινόμηση υλικών και βαθμοί

Οι πλάκες από κράμα τιτανίου ταξινομούνται ευρέως σε τέσσερις κατηγορίες με βάση τη μικροδομή και τη σύνθεση κραμάτων τους. Τα κράματα άλφα, όπως το Ti-5Al-2,5Sn (Βαθμός 6), περιέχουν κυρίως άλφα σταθεροποιητές όπως το αλουμίνιο και ο κασσίτερος. Αυτά τα κράματα προσφέρουν εξαιρετική ικανότητα συγκόλλησης και αντοχή σε ερπυσμό σε υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας τα κατάλληλα για δομές σκελετού αεροσκαφών και κρυογονικές εφαρμογές. Κοντά{17}}τα κράματα άλφα, συμπεριλαμβανομένων των Ti-8Al-1Mo-1V (Βαθμός 9) και Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, ενσωματώνουν μικρές ποσότητες βήτα σταθεροποιητών διατηρώντας παράλληλα μια κυρίαρχη δομή άλφα. Παρέχουν βελτιωμένη σταθερότητα σε υψηλή θερμοκρασία για εξαρτήματα κινητήρα αεριοστροβίλου.

Τα κράματα άλφα-βήτα αντιπροσωπεύουν την πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη κατηγορία, με το Ti-6Al-4V (Βαθμός 5) να είναι το κορυφαίο κράμα σε τομείς της αεροδιαστημικής, της ιατρικής και της βιομηχανίας. Αυτό το κράμα επιτυγχάνει μια βέλτιστη ισορροπία αντοχής, ολκιμότητας και ανθεκτικότητας σε θραύση μέσω της μικροδομής διπλής φάσης του. Η παραλλαγή εξαιρετικά χαμηλής διάμεσης διάμεσης, Ti-6Al-4V ELI (Βαθμός 23), περιορίζει την περιεκτικότητα σε οξυγόνο, σίδηρο και υδρογόνο για να ενισχύσει την ανοχή σε φθορές για κρίσιμες εφαρμογές. Τα κράματα βήτα όπως το Ti-10V-2Fe-3Al και το Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn μπορούν να υποστούν επεξεργασία διαλύματος και να παλαιωθούν για να επιτευχθούν τα υψηλότερα επίπεδα αντοχής μεταξύ των κραμάτων τιτανίου, με ιδιαίτερα πλεονεκτήματα στη δυνατότητα σχηματισμού πριν από τη θερμική επεξεργασία.

2. Απαιτήσεις χημικής σύνθεσης

Η χημική σύνθεση των πλακών από κράμα τιτανίου πρέπει να ελέγχεται αυστηρά για να διασφαλίζονται σταθερές μηχανικές ιδιότητες και αντοχή στη διάβρωση. Για το Ti-6Al-4V (Βαθμός 5), η περιεκτικότητα σε αλουμίνιο κυμαίνεται από 5,50 έως 6,75 τοις εκατό, ενώ το βανάδιο κυμαίνεται από 3,50 έως 4,50 τοις εκατό. Ο σίδηρος περιορίζεται στο 0,30 τοις εκατό το μέγιστο, το οξυγόνο στο 0,20 τοις εκατό, ο άνθρακας στο 0,08 τοις εκατό, το άζωτο στο 0,05 τοις εκατό και το υδρογόνο στο 0,015 τοις εκατό. Το σύνολο όλων των υπολειμματικών στοιχείων δεν πρέπει να υπερβαίνει το 0,40 τοις εκατό.

Για την κατηγορία ELI, το αλουμίνιο περιορίζεται σε 5,50 έως 6,50 τοις εκατό, ο σίδηρος στο 0,25 τοις εκατό το μέγιστο, το οξυγόνο στο 0,13 τοις εκατό και το υδρογόνο στο 0,0125 τοις εκατό. Αυτά τα μειωμένα επίπεδα διάμεσου ιστού βελτιώνουν σημαντικά την αντοχή και την ολκιμότητα σε κατάγματα, γι' αυτό και αυτός ο βαθμός είναι υποχρεωτικός για χειρουργικά εμφυτεύματα και κρίσιμα δομικά στοιχεία της αεροδιαστημικής. Το Ti-5Al-2,5Sn (Βαθμός 6) επιτρέπει το αλουμίνιο μεταξύ 4,00 και 6,00 τοις εκατό, τον κασσίτερο μεταξύ 2,00 και 3,00 τοις εκατό, με σίδηρο έως 0,50 τοις εκατό και το υδρογόνο έως 0,020 τοις εκατό. Το όριο οξυγόνου ταιριάζει με το τυπικό Ti-6Al-4V σε 0,20 τοις εκατό.

3. Απαιτήσεις Μηχανικής Ιδιότητας

Σε θερμοκρασία δωματίου κατά τη διαμήκη κατεύθυνση, η πλάκα Ti-6Al-4V πρέπει να επιτυγχάνει ελάχιστη τελική αντοχή εφελκυσμού 895 MPa, ελάχιστη αντοχή διαρροής σε μετατόπιση 0,2 τοις εκατό των 828 MPa, ελάχιστη επιμήκυνση 10 τοις εκατό και ελάχιστη μείωση επιφάνειας 25 τοις εκατό. Η παραλλαγή ELI διατηρεί τις ίδιες απαιτήσεις επιμήκυνσης και μείωσης, αλλά με ελαφρώς μειωμένα επίπεδα αντοχής: 860 MPa ελάχιστη τελική αντοχή σε εφελκυσμό και 795 MPa ελάχιστη αντοχή διαρροής. Το Ti-5Al-2.5Sn απαιτεί ελάχιστη αντοχή εφελκυσμού 827 MPa, ελάχιστη αντοχή διαρροής 759 MPa και αντίστοιχες μετρήσεις πλαστιμότητας.

Για συντήρηση σε υψηλή θερμοκρασία, η πλάκα Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo πρέπει να έχει ελάχιστη αντοχή εφελκυσμού 620 MPa στους 315 βαθμούς Κελσίου, με αντίσταση ερπυσμού επαληθευμένη στους 425 βαθμούς Κελσίου. Η ανθεκτικότητα στη θραύση αντιπροσωπεύει μια κρίσιμη παράμετρο για σχεδιασμό ανθεκτικό σε ζημιές. Η πλάκα Ti-6Al-4V ELI πρέπει να επιτυγχάνει αντοχή σε θραύση επιπέδου παραμόρφωσης K_IC τουλάχιστον 75 MPa τετραγωνική ρίζα του μέτρου, ενώ το Ti-5Al-2.5Sn απαιτεί 55 MPa τετραγωνική ρίζα του μέτρου τουλάχιστον. Οι απαιτήσεις σε ενέργεια κρούσης Charpy V-notch είναι 20 joules και 16 joules αντίστοιχα.

4. Ανοχές διαστάσεων και φινίρισμα επιφάνειας

Η ανοχή πάχους ποικίλλει ανάλογα με το πάχος της πλάκας. Για πλάκες έως 6,35 χιλιοστά, η τυπική ανοχή είναι συν ή πλην 0,13 χιλιοστά, με την ανοχή ακριβείας σφιγμένη στα συν ή πλην 0,08 χιλιοστά. Μεταξύ 6,35 και 25,4 χιλιοστών, η τυπική ανοχή γίνεται συν ή πλην 0,25 χιλιοστά, με ακρίβεια συν ή πλην 0,13 χιλιοστά. Για πλάκες άνω των 25,4 χιλιοστών έως και 50,8 χιλιοστών, η τυπική ανοχή είναι συν ή πλην 0,38 χιλιοστά και η ανοχή ακριβείας είναι συν ή πλην 0,25 χιλιοστά.

Η ανοχή πλάτους είναι συν 6,35 χιλιοστά χωρίς μείον υπό τυπικές συνθήκες, σφιγμένη στα συν 3,18 χιλιοστά για ακρίβεια. Η ανοχή μήκους είναι συν 25 χιλιοστά στάνταρ, συν 13 χιλιοστά ακρίβεια. Η επιπεδότητα δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 3,2 χιλιοστά ανά μέτρο σύμφωνα με τις τυπικές απαιτήσεις ή τα 1,6 χιλιοστά ανά μέτρο για την πλάκα ακριβείας. Η κλίση άκρων περιορίζεται στα 3,2 χιλιοστά ανά 3 μέτρα στάνταρ και 1,6 χιλιοστά ανά 3 μέτρα ακρίβεια.

Οι απαιτήσεις φινιρίσματος επιφάνειας εξαρτώνται από τη μέθοδο επεξεργασίας. Οι πλάκες θερμής-έλασης πρέπει να επιτυγχάνουν τραχύτητα επιφάνειας Ra που δεν υπερβαίνει τα 6,3 μικρόμετρα. Οι πλάκες ψυχρής-έλασης ή χημικής τουρσί απαιτούν Ra που δεν υπερβαίνει τα 3,2 μικρόμετρα. Οι πλάκες γείωσης ακριβείας απαιτούν Ra που δεν υπερβαίνει τα 1,6 μικρόμετρα.

5. Μεταλλουργικές Απαιτήσεις

Η μικροδομή της πλάκας άλφα-βήτα κράματος τιτανίου στην κατάσταση ανόπτησης του μύλου-πρέπει να αποτελείται από ισοαξονική πρωτογενή άλφα φάση που κατανέμεται μέσα σε μια μετασχηματισμένη βήτα μήτρα. Η συνεχής οριακή άλφα φάση κόκκων δεν επιτρέπεται καθώς υποβαθμίζει την ολκιμότητα και την αντοχή στην κόπωση. Το μέγεθος κόκκου πρέπει να είναι ASTM 5 ή λεπτότερο, με την τυπική παραγωγή να επιτυγχάνει ASTM 6 έως 8. Η θήκη άλφα, αυτό το σκληρό επιφανειακό στρώμα-εμπλουτισμένο με οξυγόνο που σχηματίστηκε κατά την επεξεργασία σε υψηλές{{8} θερμοκρασίες, πρέπει να αφαιρεθεί πλήρως. Η επαλήθευση απαιτεί μικρο{10}}προφίλ σκληρότητας που δεν δείχνει ακίδα σκληρότητας στην επιφάνεια ή μεταλλογραφική εξέταση που επιβεβαιώνει ότι δεν παραμένει σταθεροποιημένο στρώμα άλφα.

Οι κηλίδες beta, οι οποίες είναι τοπικές περιοχές εμπλουτισμού σταθεροποιητή βήτα-, απαγορεύονται σε κρίσιμες εφαρμογές αεροδιαστημικής. Ανιχνεύονται μέσω μακρο-επιθεώρησης χάραξης χρησιμοποιώντας κατάλληλα αντιδραστήρια. Το περιεχόμενο συμπερίληψης βαθμολογείται σύμφωνα με τη Μέθοδο Α ASTM E45, με μέγιστα επιτρεπόμενα επίπεδα A2, B2, C2 και D2 για λεπτά, βαριά, πυριτικά και σφαιρικά οξείδια, αντίστοιχα.

6. Μη-Απαιτήσεις δοκιμών για καταστροφικούς σκοπούς

Η δοκιμή υπερήχων είναι υποχρεωτική για όλες τις πλάκες πάχους 6,35 χιλιοστών και άνω, που διεξάγεται με κριτήρια AMS-STD-2154 Κατηγορίας Α. Δεν είναι αποδεκτή καμία ένδειξη που να υπερβαίνει το ισοδύναμο μιας οπής με επίπεδο πυθμένα 3,2 χιλιοστών. Η δοκιμή διείσδυσης βαφής εφαρμόζεται σε όλες τις έτοιμες επιφάνειες σύμφωνα με το ASTM E1417, χωρίς γραμμικές ενδείξεις που υπερβαίνουν τα 3,2 χιλιοστά σε μήκος. Ο ακτινογραφικός έλεγχος προορίζεται για συγκολλημένες ή επισκευαστικές περιοχές σύμφωνα με το ASTM E1742. Η δοκιμή δινορευμάτων μπορεί να υποκαταστήσει τη δοκιμή υπερήχων σε λεπτές πλάκες κάτω των 6,35 χιλιοστών, ακολουθώντας τις διαδικασίες ASTM E426 με ευαισθησία που καθορίζεται κατόπιν συμφωνίας μεταξύ αγοραστή και προμηθευτή.

7. Συνθήκες θερμικής επεξεργασίας

Η ανόπτηση πλάκας σε μύλο{0}}επεξεργάζεται στους 704 έως 760 βαθμούς Κελσίου ακολουθούμενη από ψύξη με αέρα. Αυτή η συνθήκη παρέχει ισορροπημένες ιδιότητες για γενικές εφαρμογές. Η ανόπτηση διπλής όψης περιλαμβάνει επεξεργασία διαλύματος στους 954 βαθμούς Κελσίου με σβέση νερού, ακολουθούμενη από ψύξη αέρα στους 538 βαθμούς Κελσίου, βελτιώνοντας την ανθεκτικότητα σε θραύση για σχέδια που αντέχουν σε ζημιές-. Το επεξεργασμένο διάλυμα και η παλαιωμένη πλάκα επιτυγχάνει τη μέγιστη αντοχή μέσω επεξεργασίας στους 927 βαθμούς Κελσίου με σβέση νερού και στη συνέχεια ωρίμανση στους 538 βαθμούς Κελσίου για 4 έως 8 ώρες. Η ανόπτηση βήτα στους 1010 βαθμούς Κελσίου με ψύξη αέρα, που ακολουθείται από σταθεροποίηση στους 760 βαθμούς Κελσίου, παράγει μια μετασχηματισμένη βήτα μικροδομή βελτιστοποιημένη για αντοχή σε ερπυσμό σε εφαρμογές αεροδιαστημικών κινητήρων. Η ανακούφιση από το στρες στους 538 έως 649 βαθμούς Κελσίου ακολουθεί τις εργασίες κατεργασίας ή διαμόρφωσης.

Όλη η θερμική επεξεργασία πρέπει να γίνεται σε κενό στα 10 έως μείον 3 millibar ή καλύτερα, ή σε ατμόσφαιρα αργού υψηλής-καθαρότητας. Κάθε θήκη άλφα που σχηματίζεται κατά τη θερμική επεξεργασία πρέπει να αφαιρεθεί πλήρως πριν από την τελική επιθεώρηση.

8. Αναφερόμενα Πρότυπα

Η κύρια προδιαγραφή για την πλάκα από κράμα τιτανίου είναι το ASTM B265, που καλύπτει λωρίδες, φύλλο και πλάκα τιτανίου και κράματος τιτανίου. Αυτό το πρότυπο ορίζει όρια χημικής σύνθεσης, απαιτήσεις μηχανικών ιδιοτήτων, ανοχές διαστάσεων και γενικές διατάξεις ποιότητας. Το ASTM B348 για ράβδους και μπιγιέτες παρέχει συμπληρωματικές αναφορές μηχανικών δοκιμών.

Για τη μεθοδολογία μηχανικών δοκιμών, τα ASTM E8 και E8M διέπουν τη δοκιμή τάσης μεταλλικών υλικών. Η επαλήθευση σκληρότητας ακολουθεί το ASTM E18 για τη σκληρότητα Rockwell ή το ASTM E10 για τη σκληρότητα Brinell. Η αξιολόγηση περιεχομένου συμπερίληψης χρησιμοποιεί ASTM E45, προσαρμοσμένο για κράματα τιτανίου. Η μέτρηση μεγέθους κόκκου ακολουθεί το ASTM E112. Το προφίλ μικρο-σκληρότητας ανά ASTM E384 ανιχνεύει υπολειπόμενα άλφα πεζά. Η προετοιμασία του μεταλλογραφικού δείγματος και η χάραξη ακολουθούν τα ASTM E3 και ASTM E407 αντίστοιχα.

Στα μη καταστρεπτικά πρότυπα δοκιμών περιλαμβάνονται το ASTM E1417 για τη δοκιμή διεισδυτικού υγρού, το ASTM E1742 για την ακτινολογική εξέταση και το ASTM E426 για τη δοκιμή ηλεκτρομαγνητικού δινορευμάτων λεπτών προϊόντων. Οδηγίες προετοιμασίας επιφάνειας και αφαλάτωσης βρίσκονται στο ASTM B600.

Οι προδιαγραφές αεροδιαστημικού υλικού παρέχουν πιο αυστηρές απαιτήσεις για κρίσιμες εφαρμογές πτήσης-. Το AMS 4907 καλύπτει την πλάκα Ti{-6Al-4V σε κατάσταση ανόπτησης. Το AMS 4911 απευθύνεται σε πλάκα Ti-6Al-4V που έχει υποστεί επεξεργασία με διάλυμα και παλαίωσε. Το AMS 4930 καθορίζει εξαιρετικά χαμηλή ενδιάμεση πλάκα Ti-6Al-4V. Το AMS 4940 ισχύει για την πλάκα Ti-5Al-2.5Sn. Το AMS 4943 καλύπτει την πλάκα βήτα κράματος Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. Το AMS 4945 απευθύνεται στην πλάκα Ti-8Al-1Mo-1V σχεδόν από κράμα άλφα. Τα κριτήρια αποδοχής της επιθεώρησης με υπερήχους ορίζονται στο AMS-STD-2154.

Οι στρατιωτικές προδιαγραφές παλαιού τύπου περιλαμβάνουν το MIL-T-9046 για φύλλα, ταινίες και πλάκες τιτανίου και το MIL-T-9047 για ράβδους και σφυρηλάτηση. Οι περιβαλλοντικές δοκιμές ακολουθούν το MIL-STD-810.

Τα διεθνή πρότυπα περιλαμβάνουν το ISO 5832-3 για χειρουργικά εμφυτεύματα από σφυρήλατο κράμα Ti-6Al-4V και το ISO 5832-10 για εμφυτεύματα από κράμα Ti-5Al-2.5Fe. Τα βρετανικά πρότυπα BS 2TA 2 και BS 2TA 11 καλύπτουν το φύλλο και την πλάκα Ti-6Al-4V. Το γερμανικό DIN 17850 παρέχει τεχνικές προδιαγραφές για σφυρήλατα κράματα τιτανίου. Το ιαπωνικό JIS H4600 απευθύνεται σε φύλλα, πλάκες και ταινίες. Το κινεζικό εθνικό πρότυπο GB/T 3621 και το στρατιωτικό πρότυπο GJB 2505A ισχύουν για την πλάκα από κράμα τιτανίου αεροπορίας.

9. Εφαρμογή-Ειδικές Απαιτήσεις

Οι δομικές εφαρμογές της αεροδιαστημικής απαιτούν υψηλά-δεδομένα κόπωσης κύκλου, ανάλυση ανοχής ζημιών και συμμόρφωση επιπέδου Α NDT ανά AMS 4907, AMS 4911 και AMS-STD-2154. Τα εξαρτήματα του αεροδιαστημικού κινητήρα απαιτούν ιδιότητες εφελκυσμού σε υψηλή θερμοκρασία, επαλήθευση αντίστασης ερπυσμού και δοκιμή θερμικής σταθερότητας σύμφωνα με το AMS 4945 και το ASTM E139.

Οι εφαρμογές ιατρικών εμφυτευμάτων απαιτούν δοκιμές βιοσυμβατότητας, συμπεριλαμβανομένων δοκιμών κυτταροτοξικότητας και ευαισθητοποίησης, με υλικό ποιότητας ELI υποχρεωτικό σύμφωνα με τα ISO 5832-3, ASTM F136 και ASTM F1472. Ο εξοπλισμός χημικής επεξεργασίας απαιτεί επικύρωση αντοχής στη διάβρωση σε συγκεκριμένα μέσα διεργασίας και αποδεδειγμένη συγκολλησιμότητα σύμφωνα με ASTM B265, ASTM G28 και NACE MR0175 ή ISO 15156. Οι θαλάσσιες και υπεράκτιες κατασκευές πρέπει να ανθίστανται στη διάβρωση του θαλασσινού νερού και να αποδεικνύουν συμβατότητα με συστήματα καθοδικής προστασίας ανά ASTM B265 και DNV-OS-B401. Οι πυρηνικές εφαρμογές ελέγχουν τη διατομή απορρόφησης νετρονίων, τη σταθερότητα της ακτινοβολίας και την περιεκτικότητα σε ιχνοστοιχεία ανά Κωδικός λέβητα ASME και δοχείου πίεσης Ενότητα II Μέρος Δ.

10. Πιστοποίηση και Τεκμηρίωση

Κάθε παρτίδα παραγωγής πρέπει να συνοδεύεται από πιστοποιητικό δοκιμής μύλου που τεκμηριώνει τα αποτελέσματα χημικής ανάλυσης, τα αποτελέσματα των δοκιμών μηχανικών ιδιοτήτων, την ιχνηλασιμότητα του αριθμού θερμότητας και τις πραγματικές μετρούμενες διαστάσεις. Αυτό το πιστοποιητικό είναι υποχρεωτικό σύμφωνα με το ASTM B265. Τα πιστοποιητικά μη καταστροφικών δοκιμών αναφέρουν αποτελέσματα υπερήχων, διεισδυτικών ή ακτινογραφιών με αρχεία προσόντων χειριστή. Οι μεταλλουργικές αναφορές περιλαμβάνουν μικροφωτογραφίες μικροδομής, μετρημένο μέγεθος κόκκου και αξιολογήσεις συμπερίληψης για κρίσιμες εφαρμογές. Τα πιστοποιητικά θερμικής επεξεργασίας τεκμηριώνουν τις παραμέτρους του κύκλου, τον τύπο ατμόσφαιρας και τα αρχεία βαθμονόμησης θερμοστοιχείου. Οι πλήρεις αναφορές ιχνηλασιμότητας καθορίζουν την προέλευση υλικού, την πρακτική τήξης και το πλήρες ιστορικό επεξεργασίας, κάτι που είναι απαραίτητο για τη συμμόρφωση με τους κανονισμούς για την αεροδιαστημική και τις ιατροτεχνολογικές συσκευές.