Tehnički zahtjevi i referentni standardi za ploče od legure titanijuma
1. Klasifikacija materijala i ocjene
Ploče od legure titanijuma su široko klasifikovane u četiri kategorije na osnovu njihove mikrostrukture i legirnog sastava. Alfa legure, kao što je Ti-5Al-2.5Sn (Grade 6), sadrže prvenstveno alfa stabilizatore kao što su aluminijum i kalaj. Ove legure nude odličnu zavarljivost i otpornost na puzanje na povišenim temperaturama, što ih čini pogodnim za strukture aviona i kriogene primjene. Blizu{17}}alfa legure, uključujući Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 9) i Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, sadrže male količine beta stabilizatora uz održavanje alfa dominantne strukture. Pružaju poboljšanu stabilnost na visokim temperaturama za komponente gasnoturbinskih motora.
Alpha-beta legure predstavljaju najšire korištenu kategoriju, pri čemu je Ti-6Al-4V (Grade 5) radna legura u svemirskim, medicinskim i industrijskim sektorima. Ova legura postiže optimalnu ravnotežu čvrstoće, duktilnosti i otpornosti na lom kroz svoju dvofaznu mikrostrukturu. Ekstra niska intersticijska varijanta, Ti-6Al-4V ELI (Grade 23), ograničava sadržaj kiseonika, gvožđa i vodonika kako bi se poboljšala tolerancija na oštećenja za kritične primene. Beta legure kao što su Ti-10V-2Fe-3Al i Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn mogu se tretirati rastvorom i odležati da bi se postigle najviši nivoi čvrstoće među legurama titanijuma, sa posebnim prednostima u formabilnosti pre termičke obrade.
2. Zahtjevi za hemijski sastav
Hemijski sastav ploča od legure titanijuma mora biti strogo kontrolisan kako bi se osigurala konzistentna mehanička svojstva i otpornost na koroziju. Za Ti-6Al-4V (Grade 5), sadržaj aluminijuma se kreće od 5,50 do 6,75 posto, dok se vanadiju kreće od 3,50 do 4,50 posto. Gvožđe je ograničeno na maksimalno 0,30 odsto, kiseonik na 0,20 odsto, ugljenik na 0,08 odsto, azot na 0,05 odsto i vodonik na 0,015 odsto. Ukupan broj svih preostalih elemenata ne smije biti veći od 0,40 posto.
Za ELI razred, aluminijum je ograničen na 5,50 do 6,50 procenata, gvožđe na maksimalno 0,25 procenata, kiseonik na 0,13 procenata i vodonik na 0,0125 procenata. Ovi smanjeni nivoi intersticija značajno poboljšavaju otpornost na lom i duktilnost, zbog čega je ova ocjena obavezna za hirurške implantate i kritične strukturne komponente u vazduhoplovstvu. Ti-5Al-2,5Sn (Grade 6) dozvoljava aluminijum između 4,00 i 6,00 posto, kalaj između 2,00 i 3,00 posto, uz željezo do 0,50 posto i vodonik do 0,020 posto. Ograničenje kiseonika odgovara standardnom Ti-6Al-4V na 0,20 posto.
3. Zahtjevi mehaničkih svojstava
Na sobnoj temperaturi u uzdužnom smjeru, ploča Ti-6Al-4V mora postići minimalnu graničnu zateznu čvrstoću od 895 MPa, minimalnu granicu tečenja pri pomaku od 0,2 posto od 828 MPa, minimalno istezanje od 10 posto i minimalno smanjenje površine od 25 posto. ELI varijanta održava iste zahtjeve za izduženjem i redukcijom, ali sa blago smanjenim nivoima čvrstoće: 860 MPa minimalna granična vlačna čvrstoća i 795 MPa minimalna granica popuštanja. Ti-5Al-2.5Sn zahtijeva minimalnu vlačnu čvrstoću od 827 MPa, minimalnu granicu tečenja od 759 MPa i odgovarajuću metriku duktilnosti.
Za rad na povišenoj temperaturi, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo ploča mora pokazati minimalnu zateznu čvrstoću od 620 MPa na 315 stepeni Celzijusa, sa otporom puzanju verifikovanom na 425 stepeni Celzijusa. Čvrstoća na lom predstavlja kritičan parametar za dizajn otporan na oštećenja. Ti-6Al-4V ELI ploča mora postići žilavost loma u ravni deformacije K_IC od najmanje 75 MPa kvadratnog korijena iz metra, dok Ti-5Al-2.5Sn zahtijeva minimalno 55 MPa kvadratnog korijena iz metra. Zahtjevi za energijom udara Charpy V-zareza su 20 džula, odnosno 16 džula.
4. Tolerancije dimenzija i završna obrada površine
Tolerancija debljine varira u zavisnosti od debljine ploče. Za ploče do 6,35 milimetara, standardna tolerancija je plus ili minus 0,13 milimetara, uz preciznost tolerancije zategnute na plus ili minus 0,08 milimetara. Između 6,35 i 25,4 milimetara, standardna tolerancija postaje plus ili minus 0,25 milimetara, s preciznošću na plus ili minus 0,13 milimetara. Za ploče veće od 25,4 milimetara do 50,8 milimetara, standardna tolerancija je plus ili minus 0,38 milimetara, a tolerancija preciznosti je plus ili minus 0,25 milimetara.
Tolerancija širine je plus 6,35 milimetara bez minusa u standardnim uslovima, zategnuta na plus 3,18 milimetara radi preciznosti. Tolerancija dužine je plus 25 milimetara standardno, plus 13 milimetara preciznosti. Ravnost ne smije biti veća od 3,2 milimetara po metru prema standardnim zahtjevima, odnosno 1,6 milimetara po metru za precizne ploče. Nagib ruba je ograničen na 3,2 milimetra po standardu od 3 metra i 1,6 milimetara po preciznosti od 3 metra.
Zahtjevi završne obrade ovise o metodi obrade. Vruće{1}}valjane ploče moraju postići površinsku hrapavost Ra koja ne prelazi 6,3 mikrometra. Hladno{4}}valjane ili hemijski kisele ploče zahtijevaju Ra ne veći od 3,2 mikrometra. Za precizne{7}}brušene ploče je potreban Ra koji ne prelazi 1,6 mikrometara.
5. Metalurški zahtjevi
Mikrostruktura ploče od alfa{0}}beta legure titanijuma u mlin-žarenom stanju mora se sastojati od primarne alfa faze jednake osovine raspoređene unutar transformisane beta matrice. Kontinuirana alfa faza na granici zrna nije dozvoljena jer smanjuje duktilnost i otpornost na zamor. Veličina zrna mora biti ASTM 5 ili finija, sa tipičnom proizvodnjom koja postiže ASTM 6 do 8. Alfa slučaj, taj površinski sloj obogaćen tvrdim kiseonikom-nastao tokom obrade na visokoj-temperaturi, mora biti potpuno uklonjen. Za provjeru je potrebno mikro-profilisanje tvrdoće koje ne pokazuje porast tvrdoće na površini, ili metalografski pregled koji potvrđuje da nema alfa-stabiliziranog sloja.
Beta flekice, koje su lokalizovane regije obogaćivanja beta{0}}stabilizatora, zabranjene su u kritičnim aplikacijama u vazduhoplovstvu. Otkrivaju se pregledom makro-nagrizanja pomoću odgovarajućih reagensa. Sadržaj inkluzije je ocenjen prema ASTM E45 metodi A, sa maksimalnim dozvoljenim nivoima od A2, B2, C2 i D2 za tanke, teške, silikatne i globularne oksidne inkluzije.
6. Ne-Zahtjevi za ispitivanje razaranja
Ultrazvučno ispitivanje je obavezno za sve ploče debljine 6,35 milimetara i veće, koje se provodi prema AMS-STD-2154 kriterijumima klase A. Nije prihvatljiva nijedna indikacija koja prelazi ekvivalent rupe s ravnim dnom od 3,2 milimetra. Ispitivanje penetracije boje primjenjuje se na sve gotove površine prema ASTM E1417, bez linearnih indikacija dužine od 3,2 milimetra. Radiografsko ispitivanje je rezervisano za zavarene ili popravke prema ASTM E1742. Ispitivanje vrtložnim strujama može zamijeniti ultrazvučno ispitivanje na tankim pločama ispod 6,35 milimetara, slijedeći ASTM E426 procedure sa osjetljivošću utvrđenom dogovorom između kupca i dobavljača.
7. Uvjeti toplinske obrade
Mlinsko{0}}žarena ploča se obrađuje na 704 do 760 stepeni Celzijusa, nakon čega slijedi hlađenje na zraku. Ovo stanje pruža uravnotežena svojstva za opće primjene. Dupleksno žarenje uključuje tretman rastvorom na 954 stepena Celzijusa sa gašenjem vodom, nakon čega sledi hlađenje na vazduhu od 538 stepeni Celzijusa, poboljšavajući otpornost na lom za dizajn-tolerantne na oštećenja. Ploča tretirana rastvorom i odležana postiže maksimalnu čvrstoću tretmanom na 927 stepeni Celzijusa sa gašenjem vodom, a zatim starenjem na 538 stepeni Celzijusa 4 do 8 sati. Beta žarenje na 1010 stepeni Celzijusa sa vazdušnim hlađenjem, nakon čega sledi stabilizacija na 760 stepeni Celzijusa, proizvodi transformisanu beta mikrostrukturu optimizovanu za otpornost na puzanje u aplikacijama u vazduhoplovnim motorima. Oslobađanje od naprezanja na 538 do 649 stepeni Celzijusa slijedi nakon operacije obrade ili oblikovanja.
Sva termička obrada mora se odvijati u vakuumu na 10 do minus 3 milibara ili bolje, ili u atmosferi argona visoke{2}}čistoće. Svaki alfa kućište nastao tokom termičke obrade mora se potpuno ukloniti prije završne inspekcije.
8. Referentni standardi
Primarna specifikacija za ploču od legure titanijuma je ASTM B265, koja pokriva titanijum i traku, lim i ploču od legura titanijuma. Ovaj standard definiše granice hemijskog sastava, zahteve mehaničkih svojstava, tolerancije dimenzija i opšte odredbe o kvalitetu. ASTM B348 za šipke i gredice pruža dodatne reference za mehanička ispitivanja.
Za metodologiju mehaničkog ispitivanja, ASTM E8 i E8M regulišu ispitivanje zatezanja metalnih materijala. Provjera tvrdoće slijedi ASTM E18 za tvrdoću po Rockwellu ili ASTM E10 za tvrdoću po Brinellu. Procjena sadržaja uključivanja koristi ASTM E45, prilagođen za legure titana. Mjerenje veličine zrna slijedi ASTM E112. Mikro-profiliranje tvrdoće prema ASTM E384 detektuje zaostali alfa slučaj. Metalografska priprema uzorka i jetkanje prate ASTM E3 i ASTM E407.
Standardi za ispitivanje bez razaranja uključuju ASTM E1417 za ispitivanje penetrantima tekućine, ASTM E1742 za radiografski pregled i ASTM E426 za ispitivanje tankih proizvoda elektromagnetnim vrtložnim strujama. Smjernice za pripremu površine i uklanjanje kamenca nalaze se u ASTM B600.
Specifikacije materijala za vazduhoplovstvo pružaju strože zahtjeve za aplikacije{0}}kritične za let. AMS 4907 pokriva Ti-6Al-4V ploču u žarenom stanju. AMS 4911 se odnosi na ploče tretirane rastvorom i stare Ti-6Al-4V ploče. AMS 4930 specificira ekstra nisku međuprostornu Ti-6Al-4V ploču. AMS 4940 se odnosi na ploče Ti-5Al-2.5Sn. AMS 4943 pokriva ploču od beta legure Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 adresira Ti-8Al-1Mo-1V ploču od skoro alfa legure. Kriterijumi prihvatljivosti ultrazvučne inspekcije definisani su u AMS-STD-2154.
Naslijeđene vojne specifikacije uključuju MIL-T-9046 za titanijumske limove, trake i ploče i MIL-T-9047 za šipke i otkovke. Ispitivanje okoline slijedi MIL-STD-810.
Međunarodni standardi uključuju ISO 5832-3 za kovane hirurške implantate od legure Ti-6Al-4V i ISO 5832-10 za implantate od legure Ti-5Al-2.5Fe. Britanski standardi BS 2TA 2 i BS 2TA 11 pokrivaju Ti-6Al-4V lim i ploču. Njemački DIN 17850 daje tehničke specifikacije za kovane legure titanijuma. Japanski JIS H4600 se odnosi na listove, ploče i trake. Kineski nacionalni standard GB/T 3621 i vojni standard GJB 2505A primjenjuju se na ploče od titanijumske legure za zrakoplovstvo.
9. Zahtjevi-specifični za aplikaciju
Vazduhoplovne strukturne aplikacije zahtijevaju podatke o visoko-cikličnom zamoru, analizu tolerancije oštećenja i usklađenost sa nivoom A NDT prema AMS 4907, AMS 4911 i AMS-STD-2154. Komponente zrakoplovnog motora zahtijevaju vlačne osobine na povišenoj temperaturi, verifikaciju otpornosti na puzanje i ispitivanje termičke stabilnosti prema AMS 4945 i ASTM E139.
Primene medicinskih implantata zahtevaju testiranje biokompatibilnosti uključujući testove citotoksičnosti i senzibilizacije, sa obaveznim materijalom ELI kvaliteta prema ISO 5832-3, ASTM F136 i ASTM F1472. Oprema za hemijsku obradu zahteva validaciju otpornosti na koroziju u specifičnim procesnim medijima i dokazanu zavarljivost prema ASTM B265, ASTM G28 i NACE MR0175 ili ISO 15156. Pomorske i priobalne strukture moraju biti otporne na koroziju morske vode i pokazati kompatibilnost sa sistemima katodne zaštite prema ASTM B265 i }1}DNOSB{1{9}1}DNOSB{1 Nuklearne aplikacije kontroliraju presjek apsorpcije neutrona, stabilnost zračenja i sadržaj elemenata u tragovima prema ASME kotlu i posudi pod pritiskom, odjeljak II, dio D.
10. Certifikacija i dokumentacija
Svaka proizvodna serija mora biti popraćena certifikatom o ispitivanju mlina koji dokumentuje rezultate hemijske analize, rezultate ispitivanja mehaničkih svojstava, sljedivost toplotnog broja i stvarne izmjerene dimenzije. Ovaj sertifikat je obavezan prema ASTM B265. Certifikati o nedestruktivnom ispitivanju izvještavaju o ultrazvučnim, penetrantnim ili radiografskim rezultatima sa zapisima o kvalifikacijama operatera. Metalurški izvještaji uključuju mikrostrukturne fotomikrografije, izmjerenu veličinu zrna i ocjene uključivanja za kritične primjene. Sertifikati o termičkoj obradi dokumentuju parametre ciklusa, tip atmosfere i zapise o kalibraciji termoelementa. Potpuni izvještaji o sljedivosti utvrđuju porijeklo materijala, praksu topljenja i potpunu istoriju obrade, što je od suštinskog značaja za usklađenost sa propisima o vazduhoplovstvu i medicinskim uređajima.
