Technické požadavky a referenční normy pro desky z titanové slitiny
1. Klasifikace a třídy materiálů
Titanové slitinové desky jsou široce klasifikovány do čtyř kategorií na základě jejich mikrostruktury a legovacího složení. Alfa slitiny, jako je Ti-5Al-2,5Sn (stupeň 6), obsahují primárně alfa stabilizátory, jako je hliník a cín. Tyto slitiny nabízejí vynikající svařitelnost a odolnost proti tečení při zvýšených teplotách, díky čemuž jsou vhodné pro konstrukce draků letadel a kryogenní aplikace. Téměř-alfa slitiny, včetně Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 9) a Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, obsahují malé množství beta stabilizátorů, přičemž si zachovávají alfa-dominantní strukturu. Poskytují zlepšenou stabilitu při vysokých teplotách pro součásti motoru s plynovou turbínou.
Slitiny alfa-beta představují nejpoužívanější kategorii, přičemž slitina Ti-6Al-4V (třída 5) je tažnou slitinou v leteckém, lékařském a průmyslovém odvětví. Tato slitina dosahuje optimální rovnováhy mezi pevností, tažností a lomovou houževnatostí díky své dvoufázové mikrostruktuře. Extra nízká intersticiální varianta, Ti-6Al-4V ELI (stupeň 23), omezuje obsah kyslíku, železa a vodíku a zvyšuje odolnost proti poškození u kritických aplikací. Beta slitiny, jako je Ti-10V-2Fe-3Al a Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, lze zpracovávat roztokem a stárnout, aby se dosáhlo nejvyšších úrovní pevnosti mezi slitinami titanu, se zvláštními výhodami v tvárnosti před tepelným zpracováním.
2. Požadavky na chemické složení
Chemické složení desek z titanové slitiny musí být přísně kontrolováno, aby byly zajištěny konzistentní mechanické vlastnosti a odolnost proti korozi. Pro Ti-6Al-4V (stupeň 5) se obsah hliníku pohybuje od 5,50 do 6,75 procent, zatímco vanadium se pohybuje od 3,50 do 4,50 procent. Železo je omezeno na maximálně 0,30 procenta, kyslík na 0,20 procenta, uhlík na 0,08 procenta, dusík na 0,05 procenta a vodík na 0,015 procenta. Součet všech zbytkových prvků nesmí překročit 0,40 procenta.
U třídy ELI je hliník omezen na 5,50 až 6,50 procenta, železo na maximum 0,25 procenta, kyslík na 0,13 procenta a vodík na 0,0125 procenta. Tyto snížené úrovně intersticiálních otvorů výrazně zlepšují lomovou houževnatost a tažnost, a proto je tato třída povinná pro chirurgické implantáty a kritické konstrukční součásti leteckého průmyslu. Ti-5Al-2,5Sn (stupeň 6) umožňuje hliník mezi 4,00 a 6,00 procenty, cín mezi 2,00 a 3,00 procenty, se železem do 0,50 procent a vodíkem do 0,020 procent. Limit kyslíku odpovídá standardnímu Ti-6Al-4V na 0,20 procenta.
3. Požadavky na mechanické vlastnosti
Při pokojové teplotě v podélném směru musí deska Ti-6Al-4V dosáhnout minimální meze pevnosti v tahu 895 MPa, minimální meze kluzu při 0,2 procentním posunu 828 MPa, minimální tažnost 10 procent a minimální zmenšení plochy 25 procent. Varianta ELI zachovává stejné požadavky na prodloužení a redukci, ale s mírně sníženými úrovněmi pevnosti: 860 MPa minimální mez pevnosti v tahu a minimální mez kluzu 795 MPa. Ti-5Al-2,5Sn vyžaduje minimální pevnost v tahu 827 MPa, minimální mez kluzu 759 MPa a odpovídající metriky tažnosti.
Pro provoz za zvýšených teplot musí deska Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo vykazovat minimální pevnost v tahu 620 MPa při 315 stupních Celsia, s odolností proti tečení ověřenou při 425 stupních Celsia. Lomová houževnatost představuje kritický parametr pro návrh odolný proti poškození. Deska Ti-6Al-4V ELI musí dosahovat rovinné deformační lomové houževnatosti K_IC minimálně 75 MPa odmocnina z metru, zatímco Ti-5Al-2,5Sn vyžaduje minimálně 55 MPa odmocnina z metru. Požadavky na energii nárazu Charpyho V-zářezu jsou 20 joulů a 16 joulů.
4. Rozměrové tolerance a povrchová úprava
Tolerance tloušťky se liší podle tloušťky desky. Pro desky do 6,35 milimetrů je standardní tolerance plus minus 0,13 milimetru, s přesností tolerance dotažena na plus nebo minus 0,08 milimetru. Mezi 6,35 a 25,4 milimetry se standardní tolerance stává plus minus 0,25 milimetru, s přesností plus nebo minus 0,13 milimetru. Pro desky přesahující 25,4 milimetrů až 50,8 milimetrů je standardní tolerance plus nebo mínus 0,38 milimetrů a tolerance přesnosti plus nebo mínus 0,25 milimetrů.
Tolerance šířky je plus 6,35 milimetrů bez mínus za standardních podmínek, utažena na plus 3,18 milimetrů pro přesnost. Tolerance délky je standardně plus 25 milimetrů plus přesnost 13 milimetrů. Rovinnost nesmí překročit 3,2 milimetru na metr podle standardních požadavků nebo 1,6 milimetru na metr u přesné desky. Prohnutí hrany je standardně omezeno na 3,2 mm na 3 metry a přesnost 1,6 mm na 3 metry.
Požadavky na povrchovou úpravu závisí na metodě zpracování. Desky válcované za tepla- musí dosahovat drsnosti povrchu Ra nepřesahující 6,3 mikrometru. Plechy válcované za studena- nebo chemicky mořené plechy vyžadují Ra nepřesahující 3,2 mikrometru. Přesné-broušené desky vyžadují Ra nepřesahující 1,6 mikrometru.
5. Metalurgické požadavky
Mikrostruktura desky z alfa-beta titanové slitiny v mlýně-žíhaném stavu se musí skládat z rovnoosé primární fáze alfa distribuované v transformované beta matrici. Spojitá fáze alfa na hranici zrn není povolena, protože zhoršuje tažnost a odolnost proti únavě. Velikost zrna musí být ASTM 5 nebo jemnější, přičemž typická výroba dosahuje ASTM 6 až 8. Pouzdro alfa, ta tvrdá kyslíkem -obohacená povrchová vrstva vytvořená během vysoko-teplotního zpracování, musí být zcela odstraněna. Ověření vyžaduje mikro{10}}profilování tvrdosti, které neukáže na povrchu žádné špičky tvrdosti, nebo metalografické vyšetření potvrzující, že nezůstala žádná alfa{11}}stabilizovaná vrstva.
Beta skvrny, což jsou lokalizované oblasti obohacení beta-stabilizátory, jsou v kritických leteckých aplikacích zakázány. Jsou detekovány makro-kontrolou leptání pomocí vhodných činidel. Obsah vměstků je hodnocen podle metody A ASTM E45 s maximálními přípustnými úrovněmi A2, B2, C2 a D2 pro tenké, těžké, silikátové a globulární oxidové vměstky.
6. Požadavky na ne-destruktivní testování
Ultrazvukové testování je povinné pro všechny desky o tloušťce 6,35 milimetrů a více, prováděné podle kritérií AMS-STD-2154 třídy A. Není přijatelná žádná indikace přesahující ekvivalent 3,2 milimetrového otvoru s plochým dnem. Testování penetrantu barviva se vztahuje na všechny hotové povrchy podle ASTM E1417, bez lineárních indikací přesahujících délku 3,2 milimetrů. Radiografické testování je vyhrazeno pro svařované nebo opravované oblasti podle ASTM E1742. Testování vířivými proudy může nahradit testování ultrazvukem na tenkých deskách pod 6,35 milimetrů podle postupů ASTM E426 s citlivostí stanovenou dohodou mezi kupujícím a dodavatelem.
7. Podmínky tepelného zpracování
Mlýn-žíhaný plech se zpracovává při 704 až 760 stupních Celsia a následuje chlazení vzduchem. Tato podmínka poskytuje vyvážené vlastnosti pro obecné aplikace. Duplexní žíhání zahrnuje ošetření roztokem při 954 stupních Celsia s ochlazením vodou a následným ochlazením vzduchem na 538 stupňů Celsia, čímž se zlepšuje lomová houževnatost u konstrukcí odolných proti poškození-. Roztokem ošetřená a stárnutá deska dosahuje maximální pevnosti ošetřením při 927 stupních Celsia s ochlazením vodou, poté zráním při 538 stupních Celsia po dobu 4 až 8 hodin. Beta žíhání při 1010 stupních Celsia s chlazením vzduchem, následované stabilizací na 760 stupních Celsia, vytváří transformovanou beta mikrostrukturu optimalizovanou pro odolnost proti tečení v aplikacích leteckých motorů. Odlehčení pnutí při 538 až 649 stupních Celsia následuje po obrábění nebo tváření.
Veškeré tepelné zpracování musí probíhat ve vakuu při 10 až mínus 3 milibarech nebo lepších, nebo v atmosféře argonu vysoké-čistoty. Jakékoli pouzdro alfa vytvořené během tepelného zpracování musí být před konečnou kontrolou zcela odstraněno.
8. Referenční standardy
Primární specifikace pro desky z titanové slitiny je ASTM B265, pokrývající pásy, plechy a desky z titanu a slitiny titanu. Tato norma definuje limity chemického složení, požadavky na mechanické vlastnosti, rozměrové tolerance a obecná ustanovení o kvalitě. ASTM B348 pro tyče a sochory poskytuje doplňkové mechanické zkušební odkazy.
Pro metodologii mechanického testování ASTM E8 a E8M řídí testování tahem kovových materiálů. Ověření tvrdosti se řídí ASTM E18 pro tvrdost podle Rockwella nebo ASTM E10 pro tvrdost podle Brinella. Hodnocení obsahu inkluzí využívá ASTM E45, přizpůsobený pro slitiny titanu. Měření velikosti zrn se řídí ASTM E112. Mikro-profilování tvrdosti podle ASTM E384 detekuje zbytkový případ alfa. Metalografická příprava vzorku a leptání se řídí ASTM E3 a ASTM E407.
Mezi nedestruktivní testovací standardy patří ASTM E1417 pro testování kapalinové penetrace, ASTM E1742 pro radiografické vyšetření a ASTM E426 pro testování tenkých produktů elektromagnetickými vířivými proudy. Pokyny pro přípravu povrchu a odstraňování vodního kamene naleznete v ASTM B600.
Specifikace leteckého materiálu poskytují přísnější požadavky pro -kritické letové aplikace. AMS 4907 pokrývá Ti-6Al-4V desku v žíhaném stavu. AMS 4911 řeší roztokem ošetřenou a stárnoucí desku Ti-6Al-4V. AMS 4930 specifikuje extra nízkou intersticiální Ti-6Al-4V destičku. AMS 4940 platí pro desky Ti-5Al-2,5Sn. AMS 4943 pokrývá desku z beta slitiny Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 se zaměřuje na desku z téměř alfa slitiny Ti-8Al-1Mo-1V. Kritéria přijatelnosti ultrazvukové kontroly jsou definována v AMS-STD-2154.
Starší vojenské specifikace zahrnují MIL-T-9046 pro titanové plechy, pásy a plechy a MIL-T-9047 pro tyče a výkovky. Environmentální testování se řídí MIL-STD-810.
Mezi mezinárodní normy patří ISO 5832-3 pro tvářené chirurgické implantáty ze slitiny Ti-6Al-4V a ISO 5832-10 pro implantáty ze slitiny Ti-5Al-2,5Fe. Britské normy BS 2TA 2 a BS 2TA 11 pokrývají plech a plech Ti-6Al-4V. Německá norma DIN 17850 poskytuje technické specifikace pro tvářené slitiny titanu. Japonský JIS H4600 řeší archy, desky a pásy. Čínská národní norma GB/T 3621 a vojenská norma GJB 2505A platí pro desky z titanové slitiny letecké třídy.
9. Požadavky-Specifické pro aplikaci
Letecké konstrukční aplikace vyžadují údaje o vysoko{0}}cyklové únavě, analýzu tolerance poškození a shodu s úrovní A NDT podle AMS 4907, AMS 4911 a AMS-STD-2154. Součásti leteckých motorů vyžadují vlastnosti v tahu za zvýšené teploty, ověření odolnosti proti tečení a testování tepelné stability podle AMS 4945 a ASTM E139.
Aplikace lékařských implantátů vyžadují testování biokompatibility včetně testů cytotoxicity a senzibilizace, přičemž materiál třídy ELI je povinný podle ISO 5832-3, ASTM F136 a ASTM F1472. Zařízení pro chemické zpracování vyžaduje ověření odolnosti proti korozi ve specifických procesních médiích a prokázanou svařitelnost podle ASTM B265, ASTM G28 a NACE MR0175 nebo ISO 15156. Námořní a pobřežní konstrukce musí odolávat korozi v mořské vodě a prokázat kompatibilitu se systémy katodové ochrany podle ASTM B265 a DNV-OS-B40. Jaderné aplikace řídí průřez absorpce neutronů, radiační stabilitu a obsah stopových prvků podle předpisu ASME pro kotel a tlakovou nádobu, část II část D.
10. Certifikace a dokumentace
Každá výrobní šarže musí být doprovázena certifikátem Mill Test Certificate dokumentující výsledky chemické analýzy, výsledky zkoušek mechanických vlastností, sledovatelnost tepelného čísla a skutečné naměřené rozměry. Tento certifikát je povinný podle ASTM B265. Certifikáty nedestruktivního testování uvádějí ultrazvukové, penetrační nebo radiografické výsledky se záznamy o kvalifikaci operátora. Metalurgické zprávy zahrnují mikrofotografie mikrostruktury, naměřenou velikost zrna a hodnocení inkluzí pro kritické aplikace. Certifikáty tepelného zpracování dokumentují parametry cyklu, typ atmosféry a záznamy o kalibraci termočlánku. Úplné zprávy o sledovatelnosti stanovují původ materiálu, praxi taveniny a kompletní historii zpracování, což je nezbytné pro dodržování předpisů v letectví a zdravotnických zařízeních.
