Wymagania techniczne i normy referencyjne dotyczące płyt ze stopów tytanu
1. Klasyfikacja i gatunki materiałów
Płyty ze stopów tytanu dzieli się ogólnie na cztery kategorie w oparciu o ich mikrostrukturę i skład stopowy. Stopy alfa, takie jak Ti-5Al-2,5Sn (klasa 6), zawierają głównie stabilizatory alfa, takie jak aluminium i cyna. Stopy te zapewniają doskonałą spawalność i odporność na pełzanie w podwyższonych temperaturach, dzięki czemu nadają się do konstrukcji płatowców i zastosowań kriogenicznych. Stopy bliskie{{17}alfa, w tym Ti-8Al-1Mo-1V (klasa 9) i Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, zawierają niewielkie ilości stabilizatorów beta, zachowując jednocześnie strukturę z dominacją alfa. Zapewniają lepszą stabilność wysokotemperaturową elementów silnika turbinowego.
Stopy alfa-beta stanowią najpowszechniej stosowaną kategorię, przy czym Ti-6Al-4V (klasa 5) to najważniejszy stop w sektorach lotniczym, medycznym i przemysłowym. Stop ten osiąga optymalną równowagę wytrzymałości, ciągliwości i odporności na pękanie dzięki swojej dwufazowej mikrostrukturze. Wariant o wyjątkowo niskiej zawartości międzywęzłowej, Ti-6Al-4V ELI (klasa 23), ogranicza zawartość tlenu, żelaza i wodoru, aby zwiększyć tolerancję na uszkodzenia w zastosowaniach krytycznych. Stopy beta, takie jak Ti-10V-2Fe-3Al i Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, można poddawać obróbce rozpuszczającej i starzeniu w celu uzyskania najwyższego poziomu wytrzymałości wśród stopów tytanu, ze szczególnymi korzyściami w zakresie odkształcalności przed obróbką cieplną.
2. Wymagania dotyczące składu chemicznego
Skład chemiczny płyt ze stopu tytanu musi być ściśle kontrolowany, aby zapewnić stałe właściwości mechaniczne i odporność na korozję. W przypadku Ti-6Al-4V (klasa 5) zawartość aluminium waha się od 5,50 do 6,75 procent, a wanadu od 3,50 do 4,50 procent. Żelazo jest ograniczone do maksymalnie 0,30%, tlen do 0,20%, węgiel do 0,08%, azot do 0,05%, a wodór do 0,015%. Suma wszystkich pozostałych pierwiastków nie może przekraczać 0,40 procent.
W przypadku gatunku ELI zawartość aluminium jest ograniczona do 5,50 do 6,50 procent, żelazo do maksymalnie 0,25 procent, tlen do 0,13 procent, a wodór do 0,0125 procent. Te obniżone poziomy międzywęzłowe znacznie poprawiają odporność na pękanie i plastyczność, dlatego ten gatunek jest obowiązkowy w przypadku implantów chirurgicznych i kluczowych elementów konstrukcyjnych przemysłu lotniczego. Ti-5Al-2.5Sn (klasa 6) dopuszcza zawartość aluminium od 4,00 do 6,00 procent, cyny od 2,00 do 3,00 procent, żelaza do 0,50 procent i wodoru do 0,020 procent. Limit tlenu odpowiada standardowemu Ti-6Al-4V i wynosi 0,20 procent.
3. Wymagania dotyczące właściwości mechanicznych
W temperaturze pokojowej w kierunku wzdłużnym płyta Ti-6Al-4V musi osiągnąć minimalną wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą 895 MPa, minimalną granicę plastyczności przy przesunięciu o 0,2% wynoszącą 828 MPa, minimalne wydłużenie wynoszące 10% i minimalne zmniejszenie pola powierzchni wynoszące 25%. Wariant ELI zachowuje te same wymagania dotyczące wydłużenia i redukcji, ale z nieco obniżonymi poziomami wytrzymałości: minimalna wytrzymałość na rozciąganie 860 MPa i minimalna granica plastyczności 795 MPa. Ti-5Al-2.5Sn wymaga minimalnej wytrzymałości na rozciąganie 827 MPa, minimalnej granicy plastyczności 759 MPa i odpowiednich parametrów plastyczności.
W przypadku pracy w podwyższonej temperaturze płyta Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo musi wykazywać minimalną wytrzymałość na rozciąganie 620 MPa w temperaturze 315 stopni Celsjusza, a odporność na pełzanie weryfikowana jest w temperaturze 425 stopni Celsjusza. Odporność na pękanie stanowi krytyczny parametr dla konstrukcji odpornej na uszkodzenia. Płyta Ti-6Al-4V ELI musi osiągnąć odporność na pękanie w płaszczyźnie K_IC wynoszącą co najmniej 75 MPa pierwiastka kwadratowego z metra, natomiast Ti-5Al-2.5Sn wymaga minimum 55 MPa pierwiastka kwadratowego z metra. Wymagania dotyczące energii uderzenia Charpy'ego w kształcie litery V wynoszą odpowiednio 20 dżuli i 16 dżuli.
4. Tolerancje wymiarowe i wykończenie powierzchni
Tolerancja grubości różni się w zależności od grubości płyty. W przypadku płyt o grubości do 6,35 milimetra standardowa tolerancja wynosi plus minus 0,13 milimetra, a tolerancja dokładności zaostrzona do plus minus 0,08 milimetra. W zakresie od 6,35 do 25,4 milimetra standardowa tolerancja wynosi plus minus 0,25 milimetra, a dokładność wynosi plus minus 0,13 milimetra. W przypadku płyt o średnicy przekraczającej 25,4 milimetra do 50,8 milimetra standardowa tolerancja wynosi plus minus 0,38 milimetra, a tolerancja dokładności wynosi plus minus 0,25 milimetra.
Tolerancja szerokości wynosi plus 6,35 milimetra, bez minusów w standardowych warunkach, a dla precyzji dokręcono ją do plus 3,18 milimetra. Tolerancja długości wynosi plus 25 milimetrów w standardzie plus 13 milimetrów precyzji. Płaskość nie może przekraczać 3,2 milimetra na metr zgodnie z wymaganiami standardowymi lub 1,6 milimetra na metr w przypadku blachy precyzyjnej. Pochylenie krawędzi jest ograniczone do 3,2 milimetra na 3 metry w standardzie i 1,6 milimetra na 3 metry dokładności.
Wymagania dotyczące wykończenia powierzchni zależą od metody obróbki. Płyty-walcowane na gorąco muszą osiągać chropowatość powierzchni Ra nieprzekraczającą 6,3 mikrometra. Płyty-walcowane na zimno lub trawione chemicznie wymagają Ra nieprzekraczającego 3,2 mikrometra. Precyzyjne-płyty uziemiające wymagają Ra nieprzekraczającego 1,6 mikrometra.
5. Wymagania metalurgiczne
Mikrostruktura płyty ze stopu tytanu alfa{0}}beta w stanie wyżarzonym-w walcowaniu musi składać się z równoosiowej pierwotnej fazy alfa rozmieszczonej w przekształconej matrycy beta. Faza alfa na ciągłej granicy ziaren jest niedozwolona, ponieważ pogarsza ciągliwość i odporność zmęczeniową. Wielkość ziarna musi odpowiadać normie ASTM 5 lub drobniejszej, a typowa produkcja osiąga normę ASTM 6–8. Obudowa alfa, czyli twarda warstwa powierzchniowa-wzbogacona w tlen, utworzona podczas-obróbki w wysokiej temperaturze, musi zostać całkowicie usunięta. Weryfikacja wymaga profilowania mikro-twardości wykazującego brak skoków twardości na powierzchni lub badania metalograficznego potwierdzającego brak pozostałości warstwy alfa{11}}stabilizowanej.
Plamki beta, które są zlokalizowanymi obszarami wzbogacenia beta-stabilizatora, są zabronione w krytycznych zastosowaniach lotniczych. Wykrywa się je poprzez inspekcję makro-trawienia przy użyciu odpowiednich odczynników. Zawartość wtrąceń jest oceniana zgodnie z metodą A ASTM E45, z maksymalnymi dopuszczalnymi poziomami A2, B2, C2 i D2 odpowiednio dla wtrąceń cienkich, ciężkich, krzemianowych i kulistych tlenków.
6. Wymagania dotyczące badań nieniszczących-
Badania ultradźwiękowe są obowiązkowe dla wszystkich płyt o grubości 6,35 milimetra i grubsze, przeprowadzane zgodnie z kryteriami AMS-STD-2154 klasy A. Niedopuszczalne jest żadne oznaczenie przekraczające wartość otworu o płaskim dnie o średnicy 3,2 milimetra. Badanie penetracyjne barwnika dotyczy wszystkich wykończonych powierzchni zgodnie z normą ASTM E1417, bez oznak liniowych o długości przekraczającej 3,2 milimetra. Badania radiograficzne są zarezerwowane dla obszarów spawanych lub naprawianych zgodnie z normą ASTM E1742. Badanie prądami wirowymi może zastąpić badanie ultradźwiękowe na cienkich płytkach o grubości poniżej 6,35 milimetra, zgodnie z procedurami ASTM E426 z czułością ustaloną w drodze porozumienia między nabywcą a dostawcą.
7. Warunki obróbki cieplnej
Płyta wyżarzana-walcowo jest poddawana obróbce w temperaturze od 704 do 760 stopni Celsjusza, a następnie chłodzona powietrzem. Warunek ten zapewnia zrównoważone właściwości do zastosowań ogólnych. Wyżarzanie dupleksowe obejmuje obróbkę przesycającą w temperaturze 954 stopni Celsjusza z hartowaniem w wodzie, a następnie chłodzenie powietrzem w temperaturze 538 stopni Celsjusza, co poprawia odporność na pękanie w przypadku konstrukcji-odpornych na uszkodzenia. Płyta poddana obróbce roztworem i starzeniu osiąga maksymalną wytrzymałość poprzez obróbkę w temperaturze 927 stopni Celsjusza z hartowaniem w wodzie, a następnie starzenie w temperaturze 538 stopni Celsjusza przez 4 do 8 godzin. Wyżarzanie beta w temperaturze 1010 stopni Celsjusza z chłodzeniem powietrzem, a następnie stabilizacja w temperaturze 760 stopni Celsjusza, pozwala uzyskać przekształconą mikrostrukturę beta zoptymalizowaną pod kątem odporności na pełzanie w silnikach lotniczych. Odprężanie w temperaturze od 538 do 649 stopni Celsjusza następuje po operacjach obróbki skrawaniem lub formowaniu.
Cała obróbka cieplna musi odbywać się w próżni o temperaturze od 10 do minus 3 milibarów lub wyższej, lub w atmosferze argonu-o wysokiej czystości. Wszelkie obudowy alfa powstałe podczas obróbki cieplnej należy całkowicie usunąć przed końcową kontrolą.
8. Standardy przywołane
Podstawową specyfikacją płyty ze stopu tytanu jest ASTM B265, obejmująca taśmy, arkusze i płyty z tytanu i stopów tytanu. Norma ta określa granice składu chemicznego, wymagania dotyczące właściwości mechanicznych, tolerancje wymiarowe i ogólne przepisy dotyczące jakości. ASTM B348 dla prętów i kęsów zawiera dodatkowe odniesienia do badań mechanicznych.
W przypadku metodologii badań mechanicznych normy ASTM E8 i E8M regulują badania rozciągania materiałów metalowych. Weryfikacja twardości odbywa się zgodnie z normą ASTM E18 dla twardości Rockwella lub ASTM E10 dla twardości Brinella. Ocena zawartości wtrąceń wykorzystuje ASTM E45, dostosowaną do stopów tytanu. Pomiar wielkości ziarna jest zgodny z normą ASTM E112. Profilowanie-mikrotwardości zgodnie z normą ASTM E384 umożliwia wykrycie pozostałości alfa. Przygotowanie próbek metalograficznych i trawienie są zgodne odpowiednio z normami ASTM E3 i ASTM E407.
Normy-badań nieniszczących obejmują ASTM E1417 do badań penetracyjnych cieczy, ASTM E1742 do badań radiograficznych i ASTM E426 do badań cienkich produktów za pomocą prądów wirowych elektromagnetycznych. Wskazówki dotyczące przygotowania powierzchni i usuwania kamienia można znaleźć w normie ASTM B600.
Specyfikacje materiałów lotniczych zapewniają bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące zastosowań krytycznych dla lotu. AMS 4907 pokrywa płytkę Ti-6Al-4V w stanie wyżarzonym. Norma AMS 4911 dotyczy płyt Ti-6Al-4V poddanych obróbce roztworem i starzonych. AMS 4930 określa bardzo niską płytę międzywęzłową Ti-6Al-4V. AMS 4940 dotyczy blachy Ti-5Al-2.5Sn. AMS 4943 obejmuje płytę ze stopu beta Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 dotyczy płyty ze stopu bliskiego alfa Ti-8Al-1Mo-1V. Kryteria akceptacji kontroli ultradźwiękowej są określone w AMS-STD-2154.
Starsze specyfikacje wojskowe obejmują MIL-T-9046 dla arkuszy, taśm i płyt tytanowych oraz MIL-T-9047 dla prętów i odkuwek. Testy środowiskowe są zgodne z normą MIL-STD-810.
Normy międzynarodowe obejmują ISO 5832-3 dla implantów chirurgicznych ze stopu Ti-6Al-4V z kutego tworzywa sztucznego oraz ISO 5832-10 dla implantów ze stopu Ti-5Al-2,5Fe. Normy brytyjskie BS 2TA 2 i BS 2TA 11 obejmują blachę i blachę Ti-6Al-4V. Niemiecka norma DIN 17850 zawiera specyfikacje techniczne dla stopów tytanu do obróbki plastycznej. Japoński JIS H4600 dotyczy arkuszy, płyt i pasków. Chińska norma krajowa GB/T 3621 i norma wojskowa GJB 2505A mają zastosowanie do płyt ze stopu tytanu klasy lotniczej.
9. Zastosowanie-Specyficzne wymagania
Zastosowania konstrukcyjne w lotnictwie i kosmonautyce wymagają danych-o zmęczeniu cyklicznym, analizy tolerancji uszkodzeń i zgodności z badaniami nieniszczącymi poziomu A zgodnie z normami AMS 4907, AMS 4911 i AMS-STD-2154. Elementy silników lotniczych wymagają właściwości rozciągających w podwyższonych temperaturach, weryfikacji odporności na pełzanie i badań stabilności termicznej zgodnie z normami AMS 4945 i ASTM E139.
Zastosowanie implantów medycznych wymaga przeprowadzenia badań biokompatybilności, w tym testów cytotoksyczności i uczulenia, przy czym wymagana jest klasa materiału ELI zgodnie z normami ISO 5832-3, ASTM F136 i ASTM F1472. Sprzęt do przetwarzania chemicznego wymaga sprawdzenia odporności na korozję w określonych mediach procesowych i wykazanej spawalności zgodnie z normami ASTM B265, ASTM G28 i NACE MR0175 lub ISO 15156. Konstrukcje morskie i przybrzeżne muszą być odporne na korozję pod wpływem wody morskiej i wykazywać kompatybilność z systemami ochrony katodowej zgodnie z normami ASTM B265 i DNV-OS-B401. Zastosowania jądrowe kontrolują przekrój poprzeczny absorpcji neutronów, stabilność promieniowania i zawartość pierwiastków śladowych zgodnie z przepisami ASME dotyczącymi kotłów i zbiorników ciśnieniowych, sekcja II część D.
10. Certyfikacja i dokumentacja
Do każdej partii produkcyjnej musi być dołączony Certyfikat testu walcowniczego dokumentujący wyniki analizy chemicznej, wyniki badań właściwości mechanicznych, identyfikowalność liczby wytopu i faktycznie zmierzone wymiary. Certyfikat ten jest obowiązkowy zgodnie z ASTM B265. Certyfikaty-badań nieniszczących zawierają wyniki badań ultradźwiękowych, penetracyjnych i radiograficznych wraz z dokumentacją kwalifikacji operatora. Raporty metalurgiczne obejmują fotomikrografie mikrostruktury, zmierzoną wielkość ziaren i oceny wtrąceń dla zastosowań krytycznych. Certyfikaty obróbki cieplnej dokumentują parametry cyklu, rodzaj atmosfery i zapisy kalibracji termopary. Pełne raporty dotyczące identyfikowalności ustalają pochodzenie materiału, praktykę topienia i pełną historię przetwarzania, co jest niezbędne dla zgodności z przepisami lotniczymi i dotyczącymi wyrobów medycznych.
