Технически изисквания и референтни стандарти за плочи от титанови сплави
1. Класификация на материалите и степени
Плочите от титанови сплави се класифицират широко в четири категории въз основа на тяхната микроструктура и легиращ състав. Алфа сплави, като Ti-5Al-2.5Sn (клас 6), съдържат предимно алфа стабилизатори като алуминий и калай. Тези сплави предлагат отлична заваряемост и устойчивост на пълзене при повишени температури, което ги прави подходящи за конструкции на самолети и криогенни приложения. Почти{17}}алфа сплавите, включително Ti-8Al-1Mo-1V (клас 9) и Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, включват малки количества бета стабилизатори, като същевременно поддържат алфа-доминираща структура. Те осигуряват подобрена стабилност при висока температура за компонентите на газовите турбини.
Алфа-бета сплавите представляват най-широко използваната категория, като Ti-6Al-4V (клас 5) е най-добрата сплав в космическия, медицинския и промишления сектор. Тази сплав постига оптимален баланс на здравина, пластичност и устойчивост на счупване чрез своята двуфазна микроструктура. Изключително ниският интерстициален вариант, Ti-6Al-4V ELI (клас 23), ограничава съдържанието на кислород, желязо и водород, за да подобри толерантността към повреди за критични приложения. Бета сплави като Ti-10V-2Fe-3Al и Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn могат да бъдат третирани в разтвор и състарени, за да се постигнат най-високите нива на якост сред титаниевите сплави, с особени предимства при формоване преди термична обработка.
2. Изисквания за химичен състав
Химическият състав на плочите от титанови сплави трябва да бъде строго контролиран, за да се осигурят постоянни механични свойства и устойчивост на корозия. За Ti-6Al-4V (клас 5) съдържанието на алуминий варира от 5,50 до 6,75 процента, докато ванадий варира от 3,50 до 4,50 процента. Желязото е ограничено до 0,30 процента максимум, кислородът до 0,20 процента, въглеродът до 0,08 процента, азотът до 0,05 процента и водородът до 0,015 процента. Сумата на всички остатъчни елементи не трябва да надвишава 0,40 процента.
За класа ELI алуминият е ограничен до 5,50 до 6,50 процента, желязото до 0,25 процента максимум, кислородът до 0,13 процента и водородът до 0,0125 процента. Тези намалени интерстициални нива значително подобряват якостта на счупване и пластичността, поради което този клас е задължителен за хирургически импланти и критични конструктивни компоненти на аерокосмическата промишленост. Ti-5Al-2.5Sn (клас 6) позволява алуминий между 4,00 и 6,00 процента, калай между 2,00 и 3,00 процента, с желязо до 0,50 процента и водород до 0,020 процента. Лимитът на кислород съответства на стандартния Ti-6Al-4V при 0,20 процента.
3. Изисквания за механични свойства
При стайна температура в надлъжна посока плочата Ti-6Al-4V трябва да постигне минимална крайна якост на опън от 895 MPa, минимална граница на провлачване при 0,2 процента отместване от 828 MPa, минимално удължение от 10 процента и минимално намаление на площта от 25 процента. Вариантът ELI поддържа същите изисквания за удължение и намаляване, но с леко намалени нива на якост: 860 MPa минимална крайна якост на опън и 795 MPa минимална граница на провлачване. Ti-5Al-2.5Sn изисква 827 MPa минимална якост на опън, 759 MPa минимална граница на провлачване и съответстващи показатели за пластичност.
За обслужване при повишена температура, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo пластина трябва да демонстрира минимална якост на опън от 620 MPa при 315 градуса по Целзий, с устойчивост на пълзене, проверена при 425 градуса по Целзий. Издръжливостта на счупване представлява критичен параметър за дизайн, устойчив на повреди. Ti-6Al-4V ELI плочата трябва да постигне равнинна якост на счупване K_IC от поне 75 MPa квадратен корен от метър, докато Ti-5Al-2.5Sn изисква минимум 55 MPa квадратен корен от метър. Изискванията за енергия на удара на V-прорез на Шарпи са съответно 20 джаула и 16 джаула.
4. Допустими отклонения на размерите и повърхностно покритие
Толерансът на дебелината варира в зависимост от дебелината на плочата. За плочи до 6,35 милиметра стандартният толеранс е плюс или минус 0,13 милиметра, с прецизен толеранс, затегнат до плюс или минус 0,08 милиметра. Между 6,35 и 25,4 милиметра стандартният толеранс става плюс или минус 0,25 милиметра, с точност плюс или минус 0,13 милиметра. За плочи, надвишаващи 25,4 милиметра до 50,8 милиметра, стандартният толеранс е плюс или минус 0,38 милиметра, а толерансът за точност е плюс или минус 0,25 милиметра.
Толерансът на ширината е плюс 6,35 милиметра без минус при стандартни условия, затегнат до плюс 3,18 милиметра за прецизност. Толерансът на дължина е плюс 25 милиметра стандарт, плюс 13 милиметра точност. Плоскостта не трябва да надвишава 3,2 милиметра на метър според стандартните изисквания или 1,6 милиметра на метър за прецизна плоча. Наклонът на ръба е ограничен до 3,2 милиметра на 3 метра стандартно и 1,6 милиметра на 3 метра прецизно.
Изискванията за покритие на повърхността зависят от метода на обработка. Горещовалцуваните плочи трябва да постигат повърхностна грапавост Ra, която не надвишава 6,3 микрометра. Студеновалцуваните или химически байцвани плочи изискват Ra не повече от 3,2 микрометра. Прецизните-плочи за заземяване изискват Ra не повече от 1,6 микрометра.
5. Металургични изисквания
Микроструктурата на плочата от алфа-бета титаниева сплав в мелнично-закалено състояние трябва да се състои от равноосна първична алфа фаза, разпределена в трансформирана бета матрица. Непрекъснатата алфа фаза на границата на зърното не е разрешена, тъй като влошава пластичността и устойчивостта на умора. Размерът на зърното трябва да бъде ASTM 5 или по-фин, като типичното производство достига ASTM 6 до 8. Алфа корпусът, този обогатен с-кислород повърхностен слой, образуван по време на високо-температурна обработка, трябва да бъде напълно отстранен. Проверката изисква микро{10}}профилиране на твърдостта, показващо липса на скок на твърдостта на повърхността, или металографско изследване, потвърждаващо липсата на алфа{11}}стабилизиран слой.
Бета петната, които са локализирани региони на обогатяване на бета-стабилизатор, са забранени в критични аерокосмически приложения. Те се откриват чрез инспекция с макро-ецване с помощта на подходящи реагенти. Съдържанието на включения се оценява според ASTM E45 Метод A, с максимално допустими нива от A2, B2, C2 и D2 съответно за тънки, тежки, силикатни и глобуларни оксидни включвания.
6. Изисквания за не-разрушителен тест
Ултразвуковото изпитване е задължително за всички плочи с дебелина 6,35 милиметра и по-дебели, проведено съгласно AMS-STD-2154 критерии за клас A. Никаква индикация, надвишаваща еквивалента на 3,2-милиметров отвор с плоско дъно, не е приемлива. Тестът за проникване на багрила се прилага за всички завършени повърхности съгласно ASTM E1417, като нито една линейна индикация не надвишава 3,2 милиметра дължина. Радиографското изпитване е запазено за заварени или ремонтирани зони съгласно ASTM E1742. Изпитването с вихрови токове може да замени ултразвуковото изпитване на тънки пластини под 6,35 милиметра, следвайки процедурите ASTM E426 с чувствителност, установена по споразумение между купувача и доставчика.
7. Условия на термична обработка
Мел{0}}загрята плоча се обработва при 704 до 760 градуса по Целзий, последвано от въздушно охлаждане. Това условие осигурява балансирани свойства за общи приложения. Двустранното отгряване включва третиране с разтвор при 954 градуса по Целзий с охлаждане с вода, последвано от 538 градуса по Целзий въздушно охлаждане, подобряващо устойчивостта на счупване за -устойчиви на повреди дизайни. Обработената с разтвор и остаряла плоча постига максимална якост чрез обработка при 927 градуса по Целзий с охлаждане с вода, след което отлежава при 538 градуса по Целзий за 4 до 8 часа. Бета отгряването при 1010 градуса по Целзий с въздушно охлаждане, последвано от стабилизиране при 760 градуса по Целзий, произвежда трансформирана бета микроструктура, оптимизирана за устойчивост на пълзене в приложения на аерокосмически двигатели. Освобождаването на напрежението при 538 до 649 градуса по Целзий следва операции по машинна обработка или формоване.
Всички топлинни обработки трябва да се извършват във вакуум при 10 до минус 3 милибара или по-добре, или в атмосфера на аргон с висока-чистота. Всеки алфа корпус, образуван по време на топлинна обработка, трябва да бъде напълно отстранен преди окончателната проверка.
8. Референтни стандарти
Основната спецификация за плоча от титанова сплав е ASTM B265, обхващаща ленти, листове и плочи от титан и титаниева сплав. Този стандарт определя границите на химическия състав, изискванията за механични свойства, допустимите отклонения на размерите и общите разпоредби за качество. ASTM B348 за пръти и заготовки предоставя допълнителни справки за механично изпитване.
За методологията на механично изпитване ASTM E8 и E8M управляват изпитването на опън на метални материали. Проверката на твърдостта следва ASTM E18 за твърдост по Рокуел или ASTM E10 за твърдост по Бринел. Оценката на съдържанието на включване използва ASTM E45, адаптиран за титанови сплави. Измерването на размера на зърното следва ASTM E112. Микро{9}}профилирането на твърдост по ASTM E384 открива остатъчен алфа случай. Подготовката на металографската проба и ецването следват съответно ASTM E3 и ASTM E407.
Стандартите за безразрушителен тест включват ASTM E1417 за течен проникващ тест, ASTM E1742 за радиографско изследване и ASTM E426 за електромагнитен вихров ток на тънки продукти. Насоките за подготовка на повърхността и премахване на котления камък се намират в ASTM B600.
Спецификациите на аерокосмическите материали осигуряват по-строги изисквания за-критично важни приложения. AMS 4907 покрива Ti-6Al-4V плоча в закалено състояние. AMS 4911 се отнася за обработени с разтвор и състарени Ti-6Al-4V плочи. AMS 4930 определя изключително ниско интерстициална плоча Ti-6Al-4V. AMS 4940 се прилага за плоча Ti-5Al-2.5Sn. AMS 4943 покрива пластина от бета сплав Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 адресира плоча от почти алфа сплав Ti-8Al-1Mo-1V. Критериите за приемане на ултразвукова проверка са определени в AMS-STD-2154.
Наследените военни спецификации включват MIL-T-9046 за титаниеви листове, ленти и плочи и MIL-T-9047 за пръти и изковки. Тестовете за околната среда следват MIL-STD-810.
Международните стандарти включват ISO 5832-3 за ковани хирургически импланти от сплав Ti-6Al-4V и ISO 5832-10 за импланти от сплав Ti-5Al-2.5Fe. Британските стандарти BS 2TA 2 и BS 2TA 11 обхващат Ti-6Al-4V лист и плоча. Германският DIN 17850 предоставя технически спецификации за ковани титанови сплави. Японският JIS H4600 се отнася за листове, плочи и ленти. Китайският национален стандарт GB/T 3621 и военният стандарт GJB 2505A се прилагат за плочи от титаниева сплав от авиационен клас.
9. Специфични-изисквания за приложението
Аерокосмическите структурни приложения изискват данни за умора при дълъг-цикл, анализ на толерантност към повреда и съответствие с ниво A NDT съгласно AMS 4907, AMS 4911 и AMS-STD-2154. Компонентите на аерокосмическия двигател изискват свойства на опън при повишена температура, проверка на устойчивост на пълзене и тестване за термична стабилност съгласно AMS 4945 и ASTM E139.
Приложенията за медицински импланти налагат тестове за биосъвместимост, включително анализи за цитотоксичност и сенсибилизация, като материалът с клас ELI е задължителен съгласно ISO 5832-3, ASTM F136 и ASTM F1472. Оборудването за химическа обработка изисква валидиране на устойчивост на корозия в специфични технологични среди и демонстрирана заваряемост съгласно ASTM B265, ASTM G28 и NACE MR0175 или ISO 15156. Морските и офшорните конструкции трябва да са устойчиви на корозия от морска вода и да демонстрират съвместимост със системи за катодна защита съгласно ASTM B265 и DNV-OS-B401. Ядрените приложения контролират напречното сечение на поглъщане на неутрони, радиационната стабилност и съдържанието на следи от елементи съгласно Кодекса на ASME за котли и съдове под налягане, раздел II, част D.
10. Сертификация и документация
Всяка производствена партида трябва да бъде придружена от Сертификат за изпитване на мелницата, документиращ резултатите от химическия анализ, резултатите от изпитването на механичните свойства, възможността за проследяване на топлинното число и действително измерените размери. Този сертификат е задължителен съгласно ASTM B265. Сертификатите за безразрушителен тест отчитат ултразвукови, проникващи или радиографски резултати със записи за квалификация на оператора. Металургичните доклади включват фотомикрографии на микроструктура, измерен размер на зърното и оценки за включване за критични приложения. Сертификатите за термична обработка документират параметрите на цикъла, вида на атмосферата и записите за калибриране на термодвойки. Пълните отчети за проследимост установяват произхода на материала, практиката на топене и пълната история на обработката, което е от съществено значение за спазването на регулаторните изисквания за аерокосмически и медицински устройства.
