Titaaniseoslevyjen tekniset vaatimukset ja viitestandardit
1. Materiaalien luokittelu ja arvosanat
Titaaniseoslevyt luokitellaan laajasti neljään luokkaan niiden mikrorakenteen ja seosainekoostumuksen perusteella. Alfaseokset, kuten Ti-5Al-2,5Sn (luokka 6), sisältävät pääasiassa alfastabilisaattoreita, kuten alumiinia ja tinaa. Nämä seokset tarjoavat erinomaisen hitsattavuuden ja virumiskestävyyden korkeissa lämpötiloissa, mikä tekee niistä sopivia lentokoneen runkorakenteisiin ja kryogeenisiin sovelluksiin. Lähes-alfa-seokset, mukaan lukien Ti-8Al-1Mo-1V (luokka 9) ja Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, sisältävät pieniä määriä beeta-stabilisaattoreita säilyttäen samalla alfa-dominoivan rakenteen. Ne parantavat kaasuturbiinimoottorien osien vakautta korkeissa lämpötiloissa.
Alfa-beetaseokset edustavat laajimmin käytettyä luokkaa, ja Ti-6Al-4V (luokka 5) on työhevosseos ilmailu-, lääketieteen ja teollisuuden aloilla. Tämä metalliseos saavuttaa optimaalisen tasapainon lujuuden, sitkeyden ja murtolujuuden välillä kaksivaiheisen mikrorakenteensa ansiosta. Erittäin alhainen interstitiaalinen variantti, Ti-6Al-4V ELI (luokka 23), rajoittaa happi-, rauta- ja vetypitoisuutta parantaakseen vaurioiden sietokykyä kriittisissä sovelluksissa. Beta-lejeeringit, kuten Ti-10V-2Fe-3Al ja Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, voidaan liuoskäsitellä ja vanhentaa titaaniseosten korkeimman lujuustason saavuttamiseksi, millä on erityiset edut muovattavuus ennen lämpökäsittelyä.
2. Kemiallisen koostumuksen vaatimukset
Titaaniseoslevyjen kemiallista koostumusta on valvottava tiukasti mekaanisten ominaisuuksien ja korroosionkestävyyden varmistamiseksi. Ti-6Al-4V:n (luokka 5) alumiinipitoisuus vaihtelee välillä 5,50 - 6,75 prosenttia, kun taas vanadiinipitoisuus vaihtelee välillä 3,50 - 4,50 prosenttia. Rauta on rajoitettu enintään 0,30 prosenttiin, happi 0,20 prosenttiin, hiiltä 0,08 prosenttiin, typpeä 0,05 prosenttiin ja vetyä 0,015 prosenttiin. Kaikkien jäännöselementtien yhteismäärä ei saa ylittää 0,40 prosenttia.
ELI-luokassa alumiinin pitoisuus on rajoitettu 5,50 - 6,50 prosenttiin, raudan enimmäispitoisuus 0,25 prosenttiin, hapen pitoisuus 0,13 prosenttiin ja vedyn pitoisuus 0,0125 prosenttiin. Nämä vähentyneet interstitiaaliset tasot parantavat merkittävästi murtumislujuutta ja taipuisuutta, minkä vuoksi tämä luokka on pakollinen kirurgisille implanteille ja kriittisille ilmailualan rakenneosille. Ti-5Al-2,5Sn (luokka 6) sallii alumiinin 4,00-6,00 prosenttia, tinaa 2,00-3,00 prosenttia, raudan kanssa enintään 0,50 prosenttia ja vetyä 0,020 prosenttia. Happiraja vastaa standardia Ti-6Al-4V 0,20 prosentilla.
3. Mekaaniset ominaisuudet
Huoneenlämmössä pitkittäissuunnassa Ti-6Al-4V-levyn minimimurtolujuus on 895 MPa, pienin myötölujuus 0,2 prosentin poikkeamalla 828 MPa, vähimmäisvenymä 10 prosenttia ja pinta-alan vähimmäispienennys 25 prosenttia. ELI-versio säilyttää samat venymis- ja pienennysvaatimukset, mutta lujuustasot ovat hieman alhaisemmat: 860 MPa pienin murtolujuus ja 795 MPa pienin myötölujuus. Ti-5Al-2,5Sn vaatii 827 MPa:n vähimmäisvetolujuuden, 759 MPa:n vähimmäismyötölujuuden ja vastaavat sitkeysmittarit.
Korkean lämpötilan käyttöä varten Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-levyn vetolujuuden on oltava vähintään 620 MPa 315 celsiusasteessa, ja virumisvastus on todennettu 425 celsiusasteessa. Murtolujuus on kriittinen parametri vaurioita sietävälle suunnittelulle. Ti-6Al-4V ELI-levyn on saavutettava tasomaisen murtolukeuden K_IC, joka on vähintään 75 MPa neliöjuurta metristä, kun taas Ti-5Al-2,5Sn vaatii vähintään 55 MPa neliöjuurta metristä. Charpyn V-lovin iskuenergiavaatimukset ovat 20 joulea ja 16 joulea.
4. Mittatoleranssit ja pinnan viimeistely
Paksuustoleranssi vaihtelee levyn paksuuden mukaan. Enintään 6,35 millimetrin levyille vakiotoleranssi on plus tai miinus 0,13 millimetriä, kun tarkkuustoleranssi on kiristetty plus tai miinus 0,08 millimetriin. 6,35 ja 25,4 millimetrin välillä vakiotoleranssi on plus tai miinus 0,25 millimetriä, tarkkuudella plus tai miinus 0,13 millimetriä. Yli 25,4–50,8 millimetrin levyjen vakiotoleranssi on plus tai miinus 0,38 millimetriä ja tarkkuustoleranssi on plus tai miinus 0,25 millimetriä.
Leveystoleranssi on plus 6,35 millimetriä ilman miinusta vakioolosuhteissa, kiristetty plus 3,18 millimetriin tarkkuuden vuoksi. Pituustoleranssi on plus 25 millimetriä vakiona, plus 13 millimetrin tarkkuus. Tasaisuus ei saa ylittää 3,2 millimetriä metrillä standardivaatimusten mukaan tai 1,6 millimetriä metriä kohti tarkkuuslevyssä. Reunan kallistus on rajoitettu 3,2 millimetriin per 3 metriä ja tarkkuus 1,6 millimetriä 3 metriä kohti.
Pintakäsittelyvaatimukset riippuvat käsittelytavasta. Kuumavalssattujen levyjen pinnan karheus Ra ei saa olla yli 6,3 mikrometriä. Kylmävalssatut tai kemiallisesti peitatut levyt vaativat Ra:n enintään 3,2 mikrometriä. Tarkkuus-maadoituslevyt vaativat Ra enintään 1,6 mikrometriä.
5. Metallurgiset vaatimukset
Alfa-beeta-titaaniseoslevyn mikrorakenteen mylly-hehkutetussa tilassa täytyy koostua tasaakselisesta primäärisestä alfafaasista, joka on jakautunut muunnetussa beeta-matriisissa. Jatkuva raeraja-alfa-faasi ei ole sallittu, koska se heikentää sitkeyttä ja väsymiskestävyyttä. Raekoon on oltava ASTM 5 tai hienompi, ja tyypillinen tuotanto saavuttaa ASTM 6 - 8. Alfa-kotelo, joka kovahapella-rikastettu pintakerros, joka muodostuu korkean lämpötilan käsittelyn aikana, on poistettava kokonaan. Todentaminen edellyttää mikro{10}}kovuusprofilointia, jossa ei näy kovuuspiikkiä pinnassa, tai metallografista tutkimusta, joka vahvistaa, ettei alfa{11}}stabiloitua kerrosta ole jäljellä.
Betatäplät, jotka ovat paikallisia beta--stabilisaattorin rikastamisen alueita, ovat kiellettyjä kriittisissä ilmailusovelluksissa. Ne havaitaan makro-etch-tarkastuksella käyttämällä sopivia reagensseja. Inkluusiosisältö on luokiteltu ASTM E45 -menetelmän A mukaan, ja suurimmat sallitut tasot ovat A2, B2, C2 ja D2 ohuille, raskaille, silikaatti- ja pallomaisille oksidiinkluusioille.
6. Ei--tuhoavaa testausta koskevat vaatimukset
Ultraäänitestaus on pakollinen kaikille levyille, joiden koko on 6,35 millimetriä tai paksumpi, ja se suoritetaan AMS-STD-2154 Class A kriteerien mukaisesti. Mikään merkintä, joka ylittää 3,2 millimetrin tasapohjaisen reiän, ei ole hyväksyttävissä. Väriaineen tunkeutumistesti koskee kaikkia ASTM E1417 -standardin mukaisia viimeisteltyjä pintoja, eikä lineaarisia merkintöjä ole yli 3,2 millimetriä. Radiografiset testit on varattu ASTM E1742:n mukaisille hitsaus- tai korjausalueille. Pyörrevirtatestaus voi korvata ultraäänitestauksen ohuilla alle 6,35 millimetrin levyillä noudattaen ASTM E426 -menettelyjä, joiden herkkyys on määritetty ostajan ja toimittajan välillä.
7. Lämpökäsittelyolosuhteet
Mill{0}}hehkutettu levy käsitellään 704–760 celsiusasteessa, minkä jälkeen ilmajäähdytetään. Tämä ehto tarjoaa tasapainoiset ominaisuudet yleisiin sovelluksiin. Kaksipuolinen hehkutus sisältää liuoskäsittelyn 954 celsiusasteessa vesijäähdytyksellä, jota seuraa 538 celsiusasteinen ilmajäähdytys, mikä parantaa murtolukeutta vaurioita{7}} sietävien mallien vuoksi. Liuoskäsitelty ja vanhentunut levy saavuttaa maksimaalisen lujuuden käsittelemällä 927 celsiusasteessa vesisammuttamalla ja vanhentamalla sitten 538 celsiusasteessa 4-8 tuntia. Beta-hehkutus 1010 celsiusasteessa ilmajäähdytyksellä, jota seuraa stabilointi 760 celsiusasteessa, tuottaa muunnetun beeta-mikrorakenteen, joka on optimoitu virumisenkestävyyteen ilmailu- ja avaruusmoottorisovelluksissa. Jännitystenpoisto 538-649 celsiusasteessa seuraa koneistus- tai muovausoperaatioita.
Kaiken lämpökäsittelyn on tapahduttava tyhjiössä 10 - miinus 3 millibaarin paineessa tai korkeammassa-puhtausargon-ilmakehässä. Kaikki lämpökäsittelyn aikana muodostuneet alfakotelot on poistettava kokonaan ennen lopputarkastusta.
8. Viitestandardit
Titaaniseoslevyn ensisijainen eritelmä on ASTM B265, joka kattaa titaanin ja titaaniseosnauhan, -levyn ja -levyn. Tämä standardi määrittelee kemiallisen koostumuksen rajat, mekaaniset ominaisuudet, mittatoleranssit ja yleiset laatuvaatimukset. ASTM B348 tankoille ja aihioille tarjoaa täydentäviä mekaanisia testausviitteitä.
Mekaanisten testausmenetelmien osalta ASTM E8 ja E8M säätelevät metallimateriaalien jännitystestausta. Kovuuden tarkistus noudattaa ASTM E18:aa Rockwell-kovuutta tai ASTM E10:aa Brinell-kovuutta. Inkluusiosisällön arvioinnissa käytetään ASTM E45:tä, joka on sovitettu titaaniseoksille. Raekoon mittaus noudattaa ASTM E112:ta. Mikro-kovuusprofilointi ASTM E384:n mukaan havaitsee jäännösalfa-tapauksen. Metallografisen näytteen valmistelu ja syövytys noudattavat ASTM E3:a ja ASTM E407:ää.
-Tuhoamattomia testausstandardeja ovat ASTM E1417 nesteen tunkeutuvuustestaukseen, ASTM E1742 radiografiseen tutkimukseen ja ASTM E426 ohuiden tuotteiden sähkömagneettiseen pyörrevirtatestaukseen. Pintojen valmistelua ja kalkinpoistoa koskevat ohjeet löytyvät ASTM B600:sta.
Aerospace Material Specifications asettaa tiukemmat vaatimukset lento{0}}kriittisille sovelluksille. AMS 4907 peittää Ti-6Al-4V-levyn hehkutetussa tilassa. AMS 4911 käsittelee liuoskäsiteltyä ja vanhentunutta Ti-6Al-4V levyä. AMS 4930 määrittelee erittäin matalan interstitiaalisen Ti-6Al-4V-levyn. AMS 4940 koskee Ti-5Al-2,5Sn-levyä. AMS 4943 kattaa Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn beetaseoslevyn. AMS 4945 osoittaa Ti-8Al-1Mo-1V lähes alfa-seoslevyn. Ultraäänitarkastuksen hyväksymiskriteerit on määritelty AMS-STD-2154:ssä.
Vanhoja sotilasmäärityksiä ovat mm. MIL{0}}T-9046 titaanilevyille, -nauhoille ja -levyille sekä MIL-T-9047 tankoille ja takomoille. Ympäristötestaus noudattaa MIL-STD-810:tä.
Kansainvälisiin standardeihin kuuluvat ISO 5832-3 muokatuista Ti-6Al-4V-seoksesta valmistettujen kirurgisten implanttien osalta ja ISO 5832-10 Ti-5Al-2.5Fe-seoksesta valmistettujen implanttien osalta. Brittiläiset standardit BS 2TA 2 ja BS 2TA 11 kattavat Ti-6Al-4V arkin ja levyn. Saksalainen DIN 17850 sisältää tekniset tiedot muokatuille titaaniseoksille. Japanilainen JIS H4600 osoittaa arkkeja, levyjä ja nauhoja. Kiinan kansallinen standardi GB/T 3621 ja sotilasstandardi GJB 2505A koskevat ilmailuluokan titaaniseoslevyä.
9. Sovellus-erityiset vaatimukset
Ilmailu-avaruusalan rakenteelliset sovellukset vaativat korkeaa-syklin väsymistietoa, vauriotoleranssianalyysiä ja AMS 4907:n, AMS 4911:n ja AMS{3}}STD-2154:n mukaisia NDT-tason A vaatimustenmukaisuutta. Ilmailu- ja avaruusmoottorien komponentit vaativat korkean lämpötilan vetolujuusominaisuuksia, virumisvastustarkastusta ja lämpöstabiilisuuden testausta AMS 4945:n ja ASTM E139:n mukaisesti.
Lääketieteelliset implanttisovellukset edellyttävät bioyhteensopivuustestausta, mukaan lukien sytotoksisuus- ja herkistysmääritykset, joissa ELI-luokan materiaali on pakollinen standardien ISO 5832-3, ASTM F136 ja ASTM F1472 mukaisesti. Kemialliset laitteet vaativat korroosionkestävyyden validointia tietyissä prosessiväliaineissa ja todistettua hitsattavuutta standardin ASTM B265, ASTM G28 ja NACE MR0175 tai ISO 15156 mukaisesti. Meri- ja offshore-rakenteiden on kestettävä meriveden korroosiota ja osoitettava yhteensopivuus katodisuojausjärjestelmien kanssa ASTM B265- ja DNV{01}}}DNV{{01}}}}DNV{01. Ydinsovellukset ohjaavat neutronien absorption poikkileikkausta, säteilyn stabiilisuutta ja hivenainepitoisuutta ASME:n kattila- ja paineastiakoodin II osan D osan mukaan.
10. Sertifiointi ja asiakirjat
Jokaiseen tuotantoerään tulee liittää Mill Test Certificate -todistus, jossa dokumentoidaan kemiallisten analyysien tulokset, mekaanisten ominaisuuksien testitulokset, lämpöluvun jäljitettävyys ja todelliset mitatut mitat. Tämä sertifikaatti on pakollinen ASTM B265:n mukaan. -Tuhoamattomat testaustodistukset raportoivat ultraääni-, tunkeutumis- tai radiografiikkatulokset sekä käyttäjän kelpoisuustiedot. Metallurgiset raportit sisältävät mikrorakennevalokuvat, mitatun raekoon ja kriittisten sovellusten inkluusioluokitukset. Lämpökäsittelytodistukset dokumentoivat sykliparametrit, ilmakehän tyypin ja lämpöparin kalibrointitietueet. Täydelliset jäljitettävyysraportit osoittavat materiaalin alkuperän, sulatuskäytännön ja täydellisen käsittelyhistorian, mikä on välttämätöntä ilmailu- ja lääketieteellisten laitteiden säädösten noudattamiseksi.
