A titánötvözet lemezekre vonatkozó műszaki követelmények és hivatkozott szabványok
1. Anyagok osztályozása és fokozatai
A titánötvözet lemezeket mikroszerkezetük és ötvöző összetételük alapján négy kategóriába sorolják. Az alfaötvözetek, mint például a Ti-5Al-2,5Sn (6. osztály), elsősorban alfa-stabilizátorokat, például alumíniumot és ónt tartalmaznak. Ezek az ötvözetek kiváló hegeszthetőséget és kúszásállóságot biztosítanak magas hőmérsékleten, így alkalmasak repülőgépváz-szerkezetekhez és kriogén alkalmazásokhoz. A közel -alfa-ötvözetek, köztük a Ti-8Al-1Mo-1V (9. osztály) és a Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, kis mennyiségű béta-stabilizátort tartalmaznak, miközben megtartják az alfa-domináns szerkezetet. Javított magas hőmérsékleti stabilitást biztosítanak a gázturbinás motor alkatrészek számára.
Az alfa-béta-ötvözetek jelentik a legszélesebb körben használt kategóriát, a Ti-6Al-4V (5. fokozat) pedig a repülési, az orvosi és az ipari ágazatokban alkalmazott igásló ötvözet. Ez az ötvözet kétfázisú mikroszerkezetének köszönhetően optimális egyensúlyt biztosít a szilárdság, a hajlékonyság és a törési szilárdság között. Az extra alacsony intersticiális változat, a Ti-6Al-4V ELI (23-as fokozat), korlátozza az oxigén-, vas- és hidrogéntartalmat, hogy fokozza a sérüléstűrést a kritikus alkalmazásoknál. A béta-ötvözetek, mint például a Ti-10V-2Fe-3Al és a Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn oldattal kezelhetők és öregíthetők, hogy a titánötvözetek közül a legmagasabb szilárdsági szintet érjék el, különösen a hőkezelés előtti alakíthatóság terén.
2. Kémiai összetételre vonatkozó követelmények
A titánötvözet lemezek kémiai összetételét szigorúan ellenőrizni kell az állandó mechanikai tulajdonságok és a korrózióállóság biztosítása érdekében. A Ti-6Al-4V (5. fokozat) esetében az alumíniumtartalom 5,50-6,75 százalék, míg a vanádium 3,50-4,50 százalék. A vas legfeljebb 0,30 százalék, az oxigén 0,20 százalék, a szén 0,08 százalék, a nitrogén 0,05 százalék, a hidrogén pedig 0,015 százalék. Az összes maradékelem összege nem haladhatja meg a 0,40 százalékot.
Az ELI minőségben az alumínium 5,50-6,50 százalék, a vas legfeljebb 0,25 százalék, az oxigén 0,13 százalék, a hidrogén pedig 0,0125 százalék. Ezek a csökkentett intersticiális szintek jelentősen javítják a törési szilárdságot és a hajlékonyságot, ezért ez a fokozat kötelező a sebészeti implantátumok és a kritikus repülőgép-szerkezeti alkatrészek esetében. A Ti-5Al-2,5Sn (6. fokozat) 4,00 és 6,00 százalék közötti alumíniumot, 2,00 és 3,00 százalék közötti ónt, 0,50 százalékig vasat és 0,020 százalék hidrogént tesz lehetővé. Az oxigén határértéke megegyezik a szabványos Ti-6Al-4V 0,20 százalékkal.
3. Mechanikai tulajdonságokkal kapcsolatos követelmények
Szobahőmérsékleten hosszirányban a Ti-6Al-4V lemeznek el kell érnie a minimális szakítószilárdságot 895 MPa, a minimális folyáshatárt 0,2 százalékos eltolásnál 828 MPa, a minimális nyúlást 10 százalékban, és a minimális területcsökkenést 25 százalékban. Az ELI változat ugyanazokat a nyúlási és redukciós követelményeket tartja fenn, de kissé csökkentett szilárdsági szintekkel: 860 MPa minimális szakítószilárdság és 795 MPa minimális folyáshatár. A Ti-5Al-2,5Sn minimális szakítószilárdsága 827 MPa, minimális folyáshatára 759 MPa, és ehhez megfelelő rugalmassági mutatók szükségesek.
A magasabb hőmérsékletű szolgáltatáshoz a Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo lemeznek legalább 620 MPa szakítószilárdságot kell mutatnia 315 Celsius-fokon, a kúszási ellenállást pedig 425 Celsius-fokon kell ellenőrizni. A törésállóság a sérüléstűrő kialakítás kritikus paramétere. A Ti-6Al-4V ELI lemeznek legalább 75 MPa négyzetgyök méteres síkhúzódási törési szilárdságot kell elérnie K_IC, míg a Ti-5Al-2,5Sn legalább 55 MPa négyzetgyök métert igényel. A Charpy V-bevágású ütközési energiaigénye 20 joule, illetve 16 joule.
4. Mérettűrések és felületkezelés
A vastagsági tűrés a lemezvastagságtól függően változik. Legfeljebb 6,35 milliméteres lemezeknél a standard tűrés plusz-mínusz 0,13 milliméter, a precíziós tűrés plusz-mínusz 0,08 milliméterre van meghúzva. 6,35 és 25,4 milliméter között a standard tűrés plusz-mínusz 0,25 milliméter lesz, a pontosság pedig plusz-mínusz 0,13 milliméter. A 25,4 millimétert meghaladó és 50,8 milliméter közötti méretű lemezeknél a szabványos tűrés plusz-mínusz 0,38 milliméter, a precíziós tűrés pedig plusz-mínusz 0,25 milliméter.
A szélességtűrés plusz 6,35 milliméter mínusz nélkül normál körülmények között, plusz 3,18 milliméterre van meghúzva a pontosság érdekében. A hossztűrés plusz 25 milliméter standard, plusz 13 milliméter pontosság. A simaság nem haladhatja meg a 3,2 millimétert méterenként a szabványos követelmények szerint, illetve az 1,6 millimétert méterenként a precíziós lemezek esetében. Az élhajlás 3,2 milliméterre korlátozódik 3 méterenként és 1,6 milliméterre 3 méterenként.
A felületkezelési követelmények a feldolgozási módtól függenek. A melegen hengerelt lemezeknek Ra felületi érdességnek kell elérnie a 6,3 mikrométert. A hidegen hengerelt vagy kémiailag pácolt lemezek Ra-értéke nem haladhatja meg a 3,2 mikrométert. A precíziós-köszörült lemezek Ra-igénye nem haladja meg az 1,6 mikrométert.
5. Kohászati követelmények
Az alfa{0}}béta-titánötvözet lemez mikroszerkezetének mal-lágyított állapotban egyenértékű, elsődleges alfa-fázisból kell állnia, amely egy átalakított béta-mátrixon belül van elosztva. A folyamatos szemcsehatár alfa-fázis nem megengedett, mivel rontja a hajlékonyságot és a fáradtságállóságot. A szemcseméretnek ASTM 5-ös vagy finomabbnak kell lennie, a tipikus termelés ASTM 6 és 8 között kell, hogy legyen. Az alfa esetet, azt a kemény oxigénnel dúsított felületi réteget, amely a magas hőmérsékletű feldolgozás során keletkezett, teljesen el kell távolítani. Az ellenőrzéshez mikro{10}}keménységi profilra van szükség, amely nem mutat keménységi csúcsot a felületen, vagy metallográfiai vizsgálatot igényel, amely megerősíti, hogy nem maradt alfa{11}}stabilizált réteg.
A béta foltok, amelyek a béta{0}}stabilizátor dúsításának lokalizált területei, tilosak kritikus űrhajózási alkalmazásokban. A megfelelő reagensek használatával végzett macro{2}}etch vizsgálattal észlelhetők. A zárványtartalom az ASTM E45 A módszer szerint van besorolva, a vékony, nehéz, szilikát és gömb alakú oxid zárványok maximális megengedett szintjei A2, B2, C2 és D2.
6. Nem-roncsolásos vizsgálati követelmények
Az ultrahangos vizsgálat kötelező minden 6,35 milliméteres és vastagabb lemeznél, az AMS-STD-2154 Class A kritériumok szerint. A 3,2 milliméteres lapos fenekű furatnak megfelelőt meghaladó jelzés nem fogadható el. A festékbehatoló vizsgálat minden ASTM E1417 szerinti kész felületre vonatkozik, 3,2 milliméternél hosszabb lineáris jelzés nélkül. A radiográfiás vizsgálat az ASTM E1742 szerint hegesztett vagy javítási területekre van fenntartva. Az örvényáramú vizsgálat helyettesítheti a 6,35 milliméter alatti vékony lemezeken végzett ultrahangos vizsgálatot, az ASTM E426 eljárásokat követve, a vevő és a szállító megállapodása alapján meghatározott érzékenységgel.
7. A hőkezelés feltételei
A mal{0}}hevített lemezt 704-760 Celsius-fokon dolgozzák fel, majd léghűtés következik. Ez a feltétel kiegyensúlyozott tulajdonságokat biztosít az általános alkalmazásokhoz. A duplex lágyítás 954 Celsius fokos oldatkezelést foglal magában, vízhűtéssel, majd 538 Celsius fokos levegőhűtést, ami javítja a töréstűrő képességet a sérüléstűrő kialakítások érdekében. Az oldattal kezelt és öregített lemez maximális szilárdságát 927 Celsius-fokon, vizes lehűtéssel, majd 538 Celsius-fokon 4-8 órán keresztül érlelve éri el. Az 1010 Celsius fokos béta lágyítás léghűtéssel, majd ezt követően a 760 Celsius fokon történő stabilizálással egy átalakított béta mikrostruktúrát hoz létre, amely a repülési hajtóműveknél a kúszási ellenállásra van optimalizálva. Az 538 és 649 Celsius fok közötti feszültségmentesítés a megmunkálási vagy alakítási műveleteket követi.
Minden hőkezelést vákuumban, 10 és mínusz 3 millibar közötti hőmérsékleten, vagy nagy-tisztaságú argonatmoszférában kell végrehajtani. A hőkezelés során keletkező alfa-tokokat a végső ellenőrzés előtt teljesen el kell távolítani.
8. Hivatkozott szabványok
A titánötvözet lemezek elsődleges specifikációja az ASTM B265, amely titánt és titánötvözet szalagot, lapot és lemezt takar. Ez a szabvány meghatározza a kémiai összetétel határait, a mechanikai tulajdonságokra vonatkozó követelményeket, a mérettűréseket és az általános minőségi előírásokat. Az ASTM B348 rudakhoz és tuskókhoz kiegészítő mechanikai vizsgálati referenciákat biztosít.
A mechanikai vizsgálati módszertan esetében az ASTM E8 és az E8M szabályozza a fémes anyagok feszültségvizsgálatát. A keménység ellenőrzése követi az ASTM E18-at a Rockwell-keménységhez vagy az ASTM E10-et a Brinell-keménységhez. A zárványtartalom értékelése a titánötvözetekhez adaptált ASTM E45 szabványt használja. A szemcseméret mérése az ASTM E112 szerint történik. A mikro-keménységprofil az ASTM E384-nek megfelelően észleli a maradék alfa esetet. A metallográfiai minta előkészítése és maratása az ASTM E3 és ASTM E407 szerint történik.
A roncsolásmentes tesztelési szabványok közé tartozik az ASTM E1417 a folyadék-penetráció vizsgálatához, az ASTM E1742 a radiográfiás vizsgálathoz és az ASTM E426 a vékony termékek elektromágneses örvényáramú vizsgálatához. A felület előkészítésére és a vízkőmentesítésre vonatkozó útmutató az ASTM B600 szabványban található.
Az Aerospace Material Specifications szigorúbb követelményeket ír elő a repülési{0}}kritikus alkalmazásokhoz. Az AMS 4907 lefedi a Ti-6Al-4V-os lemezt lágyított állapotban. Az AMS 4911 oldattal kezelt és öregített Ti-6Al-4V lemezt kezel. Az AMS 4930 extra alacsony intersticiális Ti-6Al-4V lemezt ír elő. Az AMS 4940 a Ti-5Al-2,5Sn lemezre vonatkozik. Az AMS 4943 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn béta ötvözet lemezt takar. Az AMS 4945 Ti-8Al-1Mo-1V majdnem alfa ötvözet lemezt címez. Az ultrahangos vizsgálat elfogadási kritériumait az AMS-STD-2154 határozza meg.
Az örökölt katonai specifikációk közé tartozik a MIL{0}}T-9046 a titánlemezekhez, -szalagokhoz és -lemezekhez, valamint a MIL-T-9047 a rudakhoz és a kovácsolt anyagokhoz. A környezeti tesztelés a MIL-STD-810 szerint történik.
A nemzetközi szabványok közé tartozik az ISO 5832-3 a kovácsolt Ti-6Al-4V ötvözetű sebészeti implantátumokra, valamint az ISO 5832-10 a Ti-5Al-2,5Fe ötvözetből készült implantátumokra. A BS 2TA 2 és BS 2TA 11 brit szabványok a Ti-6Al-4V lapot és lemezt fedik le. A német DIN 17850 műszaki előírásokat tartalmaz a kovácsolt titánötvözetek számára. A japán JIS H4600 lapokat, lemezeket és szalagokat címez. A repülési minőségű titánötvözet lemezekre a GB/T 3621 kínai nemzeti szabvány és a GJB 2505A katonai szabvány vonatkozik.
9. Alkalmazás-Speciális követelmények
Az űrrepülés szerkezeti alkalmazásai magas-cikluskifáradási adatokat, sérüléstűrési elemzést és A-szintű NDT-megfelelőséget igényelnek az AMS 4907, AMS 4911 és AMS-STD-2154 szerint. Az űrrepülőgép-motor-alkatrészek emelt hőmérsékletű szakítószilárdságú tulajdonságait, kúszásállóság-ellenőrzést és hőstabilitási vizsgálatot igényelnek az AMS 4945 és az ASTM E139 szerint.
Az orvosi implantátum-alkalmazások biokompatibilitási vizsgálatot írnak elő, beleértve a citotoxicitási és szenzibilizációs vizsgálatokat is, az ISO 5832-3, ASTM F136 és ASTM F1472 szerint kötelező ELI minőségű anyagokkal. A vegyi feldolgozó berendezések korrózióállóság-ellenőrzését és az ASTM B265, ASTM G28 és NACE MR0175 vagy ISO 15156 szabványok szerinti igazolt hegeszthetőséget igényelnek. A tengeri és tengeri szerkezeteknek ellenállniuk kell a tengervíz korróziójának, és igazolniuk kell a kompatibilitást az ASTM B265}}}}}DNV{{01}}DNV{01}}DNV{0151 szerint. A nukleáris alkalmazások szabályozzák a neutronelnyelési keresztmetszetet, a sugárzási stabilitást és a nyomelem-tartalmat az ASME kazán és nyomástartó edény kódjának II. szakasza, D része szerint.
10. Tanúsítás és dokumentáció
Minden gyártási tételhez mellékelni kell egy malomvizsgálati tanúsítványt, amely dokumentálja a kémiai elemzési eredményeket, a mechanikai tulajdonságok vizsgálati eredményeit, a hőszám nyomon követhetőségét és a tényleges mért méreteket. Ez a tanúsítvány az ASTM B265 szerint kötelező. A roncsolásmentes vizsgálati tanúsítványok ultrahangos, penetrációs vagy radiográfiai eredményeket közölnek a kezelői képesítéssel. A kohászati jelentések tartalmazzák a mikroszerkezeti mikrofényképeket, a mért szemcseméretet és a kritikus alkalmazásokhoz tartozó zárványértékeket. A hőkezelési tanúsítványok dokumentálják a ciklus paramétereit, a légkör típusát és a hőelem kalibrálási rekordokat. A teljes nyomon követhetőségi jelentések megállapítják az anyag eredetét, az olvadék gyakorlatát és a teljes feldolgozási előzményeket, ami elengedhetetlen a repülőgép- és orvostechnikai eszközök szabályozási megfeleléséhez.
