Pagrindiniai titano lydinio apdorojimo aspektai
1. Cheminis reaktyvumas ir temperatūros jautrumas
Titanas pasižymi išskirtinai dideliu cheminiu reaktyvumu aukštesnėje temperatūroje, o tai iš esmės lemia kiekvieną jo apdorojimo aspektą. Virš maždaug 600 laipsnių Celsijaus, titanas agresyviai sugeria deguonį, azotą ir vandenilį iš supančios atmosferos. Deguonis ir azotas intersticiškai ištirpsta į alfa fazę, sudarydami kietą, trapų paviršiaus sluoksnį, žinomą kaip alfa korpusas. Šis sluoksnis labai pablogina atsparumą nuovargiui ir lankstumą, todėl jį reikia visiškai pašalinti apdirbant, šlifuojant arba cheminiu būdu ėsdinant po bet kokios aukštos temperatūros operacijos. Vandenilio absorbcija kelia dar klastingesnę grėsmę, nes sukelia vandenilio trapumą, kuris gali nepasireikšti tol, kol neįvyks eksploatacinės apkrovos. Net esant 300 laipsnių Celsijaus temperatūrai, titanas gali surinkti vandenilį iš drėgmės{8}}turinčios atmosferos arba angliavandenilių tepalų.
Beta transus temperatūra, kuri žymi ribą tarp alfa{0}}beta ir beta fazių laukų, skiriasi priklausomai nuo lydinio sudėties. Ti-6Al-4V tai būna maždaug 995 laipsnių Celsijaus, o Ti-5Al-2,5Sn – beveik 1040 laipsnių Celsijaus. Apdorojant virš beta transuso susidaro šiurkšti, sluoksniuotos transformacijos beta mikrostruktūra su prastesnėmis lankstumo ir nuovargio savybėmis. Todėl termomechaninis apdorojimas turi atidžiai kontroliuoti aukščiausią temperatūrą su siaurais apdorojimo langeliais, kuriems reikalingas tikslus temperatūros stebėjimas ir greitas pralaidumas.
Titano lydinių šilumos laidumas yra labai prastas, maždaug šeštadalis anglinio plieno. Apdirbant arba šlifuojant šiluma susikoncentruoja ties įrankio{2}}ruošinio sąsaja, o ne išsisklaido į masinę medžiagą. Dėl to pakyla pjovimo temperatūra, pagreitėja įrankių susidėvėjimas ir galimas ruošinio paviršiaus pažeidimas, įskaitant alfa korpuso susidarymą dėl trinties įkaitimo.
2. Apdirbimo iššūkiai
Titano lydiniai turi didžiulių apdirbimo sunkumų, dėl kurių jie skiriasi nuo įprastų inžinerinių medžiagų. Medžiaga linkusi pūsti ir privirinti prie pjovimo įrankių dėl didelio cheminio afiniteto, ypač esant aukštai temperatūrai, kuri susidaro pjovimo metu. Dėl tokio-kraštų formavimo prasta paviršiaus apdaila ir nenuspėjamas matmenų tikslumas. Mažas tamprumo modulis, maždaug perpus mažesnis nei plieno, sukelia reikšmingą spyruokliškumą ir deformaciją veikiant pjovimo jėgoms, apsunkindamas siaurų leistinų nuokrypių pasiekimą ant plonų ruošinių.
Pjovimo įrankio pasirinkimas labai įtakoja apdirbimo sėkmę. Cementuoto karbido įrankiai su smulkiagrūde struktūra ir dideliu kobalto kiekiu užtikrina geriausią kietumo ir kietumo balansą. Polikristaliniai deimantiniai įrankiai pasižymi išskirtiniu našumu atliekant didelės spartos{2}}apdailos operacijas, tačiau už žymiai didesnę kainą. Įrankio geometrija reikalauja teigiamų nuolydžio kampų, kad sumažintų pjovimo jėgas, ir didelių reljefo kampų, kad būtų sumažintas trynimas. Aštrios pjovimo briaunos yra būtinos, nes sukietintą{5}}titaną pjauti dar sunkiau nei atkaitintą medžiagą.
Pjovimo parametrai turi būti parinkti konservatyviai. Pjovimo gylis turėtų būti pakankamas, kad įrankis liktų žemiau ankstesnio praėjimo sukurto{1}}sukietėjusio sluoksnio. Tiekimo normos turi užtikrinti tinkamą drožlių storį, kad būtų išvengta trynimo, o ne pjovimo. Pjovimo greitis paprastai ribojamas iki 30–60 metrų per minutę grubiai apdirbant, o apdirbant galimas kiek didesnis greitis. Užtvindymo aušinimo skystis yra privalomas, tiekiant aukšto-slėgio, didelio{8}}tūrio aušinimo skystį tiesiai į pjovimo zoną, kad būtų galima kontroliuoti temperatūrą ir nuplauti drožles. Pirmenybė teikiama vandenyje tirpiems aušinimo skysčiams su didelio slėgio priedais, tačiau reikia pasirūpinti, kad aušinimo skystyje nebūtų chloruotų junginių, galinčių sukelti įtempių korozijos įtrūkimus.
Ruošinio tvirtinimas reikalauja ypatingo dėmesio dėl mažo titano modulio ir polinkio į vibraciją. Būtina tvirta sąranka su minimalia iškyša. Slopinančios medžiagos gali būti įtrauktos į armatūros dizainą. Jei įmanoma, reikėtų vengti pertraukiamų pjovimų, nes pakartotinis terminis ciklas pagreitina įrankio gedimą dėl terminio nuovargio.
3. Šlifavimas ir abrazyvinis apdorojimas
Titano lydinių šlifavimas kelia specifinių pavojų ir iššūkių. Dėl prasto medžiagos šilumos laidumo šlifavimo temperatūra pakyla ir, jei yra pakankamai deguonies, gali užsidegti smulkios titano dalelės. Titano gaisrai šlifuojant, nors ir retai, laikantis tinkamų atsargumo priemonių, gali būti itin intensyvūs ir sunkiai užgesinami. Įprasti vandens arba anglies dioksido gesintuvai yra neveiksmingi; Reikalingas sausas smėlis arba specializuoti D klasės gesintuvai.
Abrazyvinis pasirinkimas teikia pirmenybę aliuminio oksido arba silicio karbido ratams su atvira struktūra ir stikline jungtimi. Atvira konstrukcija leidžia pašalinti drožles ir prasiskverbti aušinimo skysčiui. Ratų greitis paprastai yra mažesnis, palyginti su plieno šlifavimu, o darbo greitis ir padavimo greitis padidinamas, kad būtų išvengta užsikimšimo ir perkaitimo. Nuolatinis apdirbimas išlaiko rato aštrumą ir pjovimo efektyvumą. Būtinas gausus aušinimo skysčio srautas, vengiant chloruotų junginių.
Juostinis šlifavimas ir poliravimas taip pat reikalauja kruopštaus parametrų valdymo. Gerai veikia abrazyviniai diržai, padengti cirkonio aliuminio oksido arba keramikos grūdeliais. Kontaktiniai ratai turi būti gana minkšti, kad prisitaikytų prie ruošinio ir sumažintų vietinį įkaitimą. Laipsniškas grūdelių progresavimas nuo stambaus iki smulkaus užtikrina optimalų paviršiaus vientisumą.
4. Formavimo operacijos
Šaltasis titano lydinių formavimas yra įmanomas, tačiau jį riboja didelė medžiagos takumo riba ir ryškus atsparumas. Lenkimo spindulys turi būti didelis, paprastai tris ar penkis kartus didesnis už atkaitinto Ti-6Al-4V medžiagos storį, o aliuminio lydinių atveju – nuo vieno iki dviejų kartų. Spyruokliniam kompensavimui reikia perlenkimo arba dugno metodų, kurių tikslus laipsnis nustatomas empiriškai kiekvienai medžiagos būklei ir geometrijai.
Karštas formavimas išplečia darbo diapazoną, tačiau kelia problemų alfa atveju. Formavimo temperatūra nuo 540 iki 760 laipsnių Celsijaus leidžia didesnę deformaciją ir sumažintą atstūmimą, nors suformuotą komponentą reikia vėliau apdoroti paviršių, kad būtų pašalintas bet koks reakcijos sluoksnis. Superplastinis formavimas 870–925 laipsnių Celsijaus temperatūroje išnaudoja išskirtinai smulkių grūdėtumo struktūrą, pasiekiamą tam tikruose titano lydiniuose, todėl iš atskirų lakštų galima gaminti sudėtingus aviacijos ir kosmoso komponentus. Šiam procesui reikalingas tikslus temperatūros reguliavimas plius arba minus 10 laipsnių Celsijaus ribose ir kontroliuojamas deformacijos greitis nuo 10 iki minus 4 per sekundę.
Ištempimas, gilus tempimas ir hidroformavimas kelia specifinių iššūkių. Tepimas yra labai svarbus visame pasaulyje, naudojant molibdeno disulfidą, grafitą arba specialius titaną formuojančius junginius, kurie naudojami tiek ant matricos, tiek ant tuščių paviršių. štampavimo medžiagoms reikalingi kieti,{2}}dėvėjimuisi atsparūs paviršiai; dažniausiai naudojamas nitrintas įrankių plienas arba nikelio{3}}baziniai superlydiniai.
5. Suvirinimo svarstymai
Lydomasis titano lydinių suvirinimas reikalauja griežtos atmosferos apsaugos, nes išlydytas titanas smarkiai reaguoja su deguonimi, azotu ir vandeniliu. Dėl netinkamo ekranavimo susidaro porėtos, trapios suvirinimo siūlės, kurių mechaninės savybės smarkiai sumažėja. Suvirinimas volframo inertinėmis dujomis su didelio -grynumo argono ekranavimu yra labiausiai paplitęs rankinis procesas, nors automatizuotai gamybai plačiai naudojamas plazminis lankinis suvirinimas, elektronų pluošto suvirinimas ir suvirinimas lazeriu.
Ekranavimo sistema turi apsaugoti ne tik išlydytą baseiną, bet ir visą karščio{0}}veikiamą zoną, kol temperatūra nukris žemiau maždaug 400 laipsnių Celsijaus. Galiniai skydai, besitęsiantys už degiklio, ir šaknų pralaidų nuvalymas yra įprasta praktika. Argono grynumas turi viršyti 99,995 proc., o rasos taškas žemesnis nei minus 50 laipsnių Celsijaus. Dėl bet kokio oro, drėgmės ar angliavandenilių užteršimo suvirinimo siūlės spalva keičiasi nuo šiaudų geltonos iki mėlynos iki pilkos arba baltos, su laipsniškai stipriu trapumu.
Užpildo metalo pasirinkimas paprastai atitinka pagrindinio lydinio sudėtį, nors nedideli pakeitimai gali pagerinti suvirinamumą. Ti-6Al-4V, atitinkančios kompozicijos užpildas yra standartinis. Išankstinis pašildymas paprastai yra nereikalingas ir gali būti žalingas dėl ilgesnio laiko reaktyviosios temperatūros diapazone. Terminis apdorojimas po suvirinimo paprastai apima įtempių sumažinimą 540–650 laipsnių Celsijaus temperatūroje, nors gali prireikti apdorojimo tirpalu ir sendinimo, kad būtų atkurtos visos termiškai apdorojamų lydinių savybės.
Beta versijos suvirinimas ir po{0}}suvirinimo terminis apdorojimas suteikia pranašumų storoms sekcijoms, nes sumažina suvaržymo įtrūkimų jautrumą. Tačiau šiurkščiavilnių beta grūdelių struktūra reikalauja atidžiai kontroliuoti tolesnį aušinimą, kad būtų išvengta nepriimtinų savybių.
6. Terminio apdorojimo protokolai
Norint išvengti alfa korpuso susidarymo, norint termiškai apdoroti titano lydinius, reikia vakuuminių arba inertinės atmosferos krosnių. Vakuumo lygis yra nuo 10 iki minus 3 milibarų arba didesnis, o nuotėkio lygis patikrinamas prieš kiekvieną ciklą. Argono užpildas gali būti naudojamas gesinimo operacijoms, tačiau dujų grynumas turi atitikti tuos pačius griežtus standartus, kaip ir suvirinimo apsauginės dujos.
Malūninis atkaitinimas 700–760 laipsnių Celsijaus temperatūroje su oro aušinimu sumažina įtampą ir šiek tiek optimizuoja savybes. Dvipusis atkaitinimas, apimantis apdorojimą beta tirpalu, po kurio seka alfa-beta atkaitinimas, pagerina atsparumą šliaužimui ir terminį stabilumą. Apdorojimas tirpalu ir sendinimas padidina stiprumą kontroliuojant alfa fazės nusodinimą metastabilioje beta matricoje. Tirpalo apdorojimo temperatūra, paprastai 925–955 laipsniai Celsijaus, naudojant Ti-6Al-4V, turi būti kontroliuojama siauromis ribomis, kad būtų pasiektas norimas pirminės alfa ir transformuotos beta balansas. Gesinimo terpės pasirinkimas subalansuoja aušinimo greitį ir iškraipymus, nes vanduo, polimerinės gesinimo priemonės arba priverstinės dujos siūlo skirtingus kompromisus.
Senstant nuo 480 iki 600 laipsnių Celsijaus, susidaro įvairaus stiprumo -plastiškumo deriniai, kai žemesnė temperatūra skatina stiprumą, o aukštesnė temperatūra pagerina kietumą. Brandinimo trukmė turi būti pakankama visiškam transformavimui, paprastai 4–16 valandų, priklausomai nuo temperatūros ir sekcijos dydžio.
Patikrinimas po-terminio apdorojimo apima mikro-kietumo profiliavimą, kad būtų patikrintas visiškas alfa korpuso pašalinimas, metalografinis tyrimas siekiant patvirtinti tikslinę mikrostruktūrą ir mechaninis bandymas, siekiant patvirtinti savybes.
7. Cheminis apdorojimas ir paviršiaus apdorojimas
Cheminis malimas ir ėsdinimas pašalina alfa korpusą ir apnašas iš termiškai apdoroto titano. Standartiniame marinavimo tirpale yra vandenilio fluorido ir azoto rūgšties vandenyje, kurių tipinis santykis yra 1 dalis HF ir 4–6 tūrio dalys HNO3. Azoto rūgštis oksiduoja ir pasyvina paviršių, o HF tirpdo titano oksidą. HF ir HNO3 santykis turi viršyti 4:1, kad būtų išvengta per didelės vandenilio absorbcijos marinavimo metu. Tirpalo temperatūra nuo 20 iki 60 laipsnių Celsijaus kontroliuoja ėsdinimo greitį, o aukštesnėje temperatūroje medžiaga pašalinama greičiau, tačiau padidėja vandenilio paėmimo rizika.
Cheminis frezavimas svoriui mažinti arba kontūrų formavimui naudoja panašią chemiją aukštesnėje temperatūroje. Maskuojant rūgštims{1}}atspariomis dangomis, nustatomos pašalintinos vietos. Kuriant kaukę reikia atsižvelgti į ėsdinimo koeficientą, šoninio ir vertikalaus ėsdinimo santykį.
Anoduojant ant titano susidaro apsauginės ir dekoratyvinės oksido plėvelės. 2 tipo anodavimas chromo arba sieros rūgšties tirpaluose sukuria nusidėvėjimui atsparius paviršius. 3 tipo spalvotas anodavimas išnaudoja optinius trikdžius plonose oksido plėvelėse, kad būtų galima gauti įvairių spalvų be dažiklių, naudingų dalių identifikavimui ir medicinos prietaisų žymėjimui. Anoduotas sluoksnis yra biologiškai suderinamas ir pagerina ortopedinių implantų osseointegraciją.
Pasyvavimas azoto rūgštimi pašalina paviršiaus geležies užterštumą ir padidina atsparumą korozijai. Tai ypač svarbu medicininiam titanui, kuris turi atitikti griežtus biologinio suderinamumo reikalavimus.
8. Kalimas ir termomechaninis apdirbimas
Titano lydinio kalimui reikalingos izoterminės arba beveik{0}}izoterminės sąlygos, kad būtų galima valdyti siaurą apdorojimo langą ir didelius srauto įtempius. Įprastas kalimas virš beta transuso sukuria grubias transformuotas mikrostruktūras, kurių lankstumas yra ribotas. Alfa-beta kalimas, atliekamas 15–50 laipsnių Celsijaus žemiau beta transuso, patobulina mikrostruktūrą per dinaminę alfa fazės perkristalizaciją, todėl gaunamos puikios mechaninės savybės.
Izoterminiam kalimui naudojami superlydiniai štampai, palaikomi esant kalimo temperatūrai, todėl sumažėja šilumos nuostoliai ir pasiekiamos mažesnės presavimo jėgos. Tai įgalina beveik-neto{2}}formos formavimą su minimaliu tolesniu apdirbimu. Tačiau štampavimo išlaidos yra didelės, o ciklo trukmė yra ilga.
Žiedinis valcavimas, ekstruzija ir rotacinis kalimas pritaiko įprastinius metalo apdirbimo principus prie specifinių titano savybių. Štampos medžiagos turi būti atsparios titano cheminiam giminingumui aukštesnėje temperatūroje, o nikelio -baziniai lydiniai ir keramika turi būti naudojami ten, kur įrankių plieno nepakanka.
Termomechaninės apdorojimo sekos sujungia kontroliuojamą deformaciją su terminiu apdorojimu, kad būtų sukurtos pritaikytos mikrostruktūros. Alfa-beta lydiniams paprastai reikia dirbti aukštoje-temperatūroje, kad būtų suardoma liejinio struktūra, po to žemesnėje -temperatūroje, siekiant patobulinti alfa morfologiją, baigiant atkaitinimu arba apdorojimu tirpalu ir sendinimu.
9. Kokybės kontrolė ir patikra
Atliekant-titano lydinio komponentų patikrą, pabrėžiamas paviršiaus vientisumo patikrinimas. Vizuali apžiūra nustato spalvos pakitimus, rodančius atmosferos užterštumą terminio apdorojimo metu. Dažų įsiskverbimo tikrinimas aptinka paviršiaus lūžimo defektus, atsiradusius dėl apdirbimo, šlifavimo ar terminio apdorojimo. Ultragarsinis patikrinimas patvirtina vidinį patikimumą, o priėmimo kriterijai remiasi plokščių{5}autinių skylių standartais.
Mikro-kietumo bandymas patvirtina, kad visiškai pašalintas alfa korpusas, o paviršiaus kietumas neviršija 110 procentų šerdies kietumo pagal daugumą specifikacijų. Metalografinis tyrimas patvirtina mikrostruktūros tipą, grūdelių dydį ir defektų, pvz., beta dėmių ar ištisinės grūdų ribos alfa, nebuvimą.
Mechaninis bandymas apima tempimo bandymą kambario ir aukštesnėje temperatūroje, atsparumo lūžiams bandymą kritinėms reikmėms ir nuovargio bandymus, kai to reikalauja konstrukcijos reikalavimai. Visuose bandymuose turi būti naudojami bandiniai, apdirbti iš reprezentatyvių vietų, tinkamai paruošus paviršių, kad būtų išvengta įbrėžimų.
Cheminė analizė patvirtina, kad intersticiniai elementai neviršija specifikacijų, ypač ELI klasėse, kur deguonies, azoto ir vandenilio ribos yra griežtos. Vandenilio analizė yra ypač svarbi, nes šio elemento gali padidėti apdorojimo metu dėl atmosferos arba aušinimo skysčio užteršimo.
10. Saugos ir aplinkosaugos aspektai
Titano apdorojimas sukelia keletą saugos pavojų, kuriems reikia specialios kontrolės. Smulkios titano dalelės, ypač mažesnės nei 500 mikrometrų, yra piroforinės ir gali užsidegti nuo kibirkščių, statinės elektros arba mechaninio poveikio. Šlifavimo dulkes, apdirbimo drožles ir miltelius, atsiradusius naudojant priedų gamybos operacijas, reikia surinkti į inertinės atmosferos sistemas arba naudojant specialią vakuuminę įrangą, naudojant laidžias žarnas, kad nesusidarytų statinis krūvis. Gaisro gesinimas reikalauja D klasės sausų miltelių, sauso smėlio arba argono užtvindymo; vanduo, anglies dioksidas arba haloniniai gesintuvai gali sustiprinti titano gaisrus.
Titano tetrachloridas ir kiti chlorido junginiai, naudojami kempinių gamyboje, kelia pavojų kvėpavimo takams, nors tai pirmiausia rūpi pirminiams gamintojams, o ne komponentų gamintojams. Apdorojant aušinimo skysčius reikia stebėti, ar bakterijos nedegraduoja, nes gali susidaryti vandenilio sulfidas ar kiti toksiški junginiai.
Aplinkosaugos taisyklės reglamentuoja panaudotų ėsdinimo tirpalų, kurių sudėtyje yra vandenilio fluorido rūgšties, šalinimą, kurį prieš išleidžiant reikia neutralizuoti ir nusodinti fluoru. Atliekant drožlių perdirbimą vakuuminio lankinio perlydymo proceso metu atgaunamas vertingas titanas, kartu sumažinamas poveikis aplinkai, nors lustai turi būti atskirti pagal lydinio rūšį ir išvalyti nuo pjovimo skysčių.
