Ključna razmatranja u obradi legure titanijuma
1. Hemijska reaktivnost i temperaturna osjetljivost
Titanijum pokazuje izuzetno visoku hemijsku reaktivnost na povišenim temperaturama, što u osnovi oblikuje svaki aspekt njegove obrade. Iznad približno 600 stepeni Celzijusa, titanijum agresivno apsorbuje kiseonik, azot i vodonik iz okolne atmosfere. Kiseonik i dušik se intersticijalno rastvaraju u alfa fazu, formirajući tvrdi, krhki površinski sloj poznat kao alfa case. Ovaj sloj značajno umanjuje otpornost na zamor i duktilnost i mora se potpuno ukloniti mašinskom obradom, brušenjem ili hemijskim dekapiranjem nakon bilo koje operacije na visokim{4}}ima. Apsorpcija vodika predstavlja još podmukliju prijetnju, jer uzrokuje krhkost vodonika koja možda neće postati vidljiva sve dok se ne dogodi opterećenje. Čak i na temperaturama od čak 300 stepeni Celzijusa, titanijum može pokupiti vodonik iz vlage-koja sadrži atmosfere ili ugljovodonične maziva.
Temperatura beta transus, koja označava granicu između polja alfa-beta i beta faze, varira u zavisnosti od sastava legure. Za Ti-6Al-4V to se dešava na približno 995 stepeni Celzijusa, dok je za Ti-5Al-2.5Sn blizu 1040 stepeni Celzijusa. Obrada iznad beta transusa proizvodi grubu, lamelarno transformisanu beta mikrostrukturu sa inferiornom duktilnošću i svojstvima zamora. Stoga, termomehanička obrada mora pažljivo kontrolirati vršne temperature, s uskim prozorima obrade koji zahtijevaju precizno praćenje temperature i brz protok.
Toplotna provodljivost titanijumskih legura je izrazito loša, otprilike jedna-šesta od ugljičnog čelika. Tokom obrade ili brušenja, toplina se koncentrira na interfejsu alata-obratka umjesto da se raspršuje u rasuti materijal. To dovodi do povišenih temperatura rezanja, ubrzanog trošenja alata i potencijalnog oštećenja površine radnog komada uključujući formiranje alfa kućišta uslijed zagrijavanja trenjem.
2. Izazovi obrade
Legure titana predstavljaju ogromne poteškoće u obradi koje ih razlikuju od konvencionalnih inženjerskih materijala. Materijal ima tendenciju da se žuči i zavari za rezne alate zbog svog visokog hemijskog afiniteta, posebno na povišenim temperaturama koje nastaju tokom rezanja. Ova izgrađena-formacija ivica proizvodi lošu završnu obradu i nepredvidivu tačnost dimenzija. Nizak modul elastičnosti, otprilike upola manji od čelika, uzrokuje značajnu povratnu snagu i otklon pod silama rezanja, otežavajući postizanje čvrstih tolerancija na vitkim radnim komadima.
Odabir reznog alata kritično utječe na uspjeh strojne obrade. Alati od cementnog karbida sa finom zrnom strukturom i visokim sadržajem kobalta pružaju najbolju ravnotežu između tvrdoće i žilavosti. Polikristalni dijamantski alati nude izuzetne performanse za velike-brzine završne operacije, ali uz znatno veću cijenu. Geometrija alata zahteva pozitivne nagibne uglove da bi se smanjile sile rezanja i velikodušne uglove rasterećenja kako bi se minimiziralo trljanje. Oštre rezne ivice su neophodne jer je rad-kaljeni titan još teže rezati nego žareni materijal.
Parametri rezanja moraju biti odabrani konzervativno. Dubina rezanja treba da bude dovoljna da se alat zadrži ispod radnog{1}}kaljenog sloja kreiranog prethodnim prolazom. Brzine pomaka moraju osigurati odgovarajuću debljinu strugotine kako bi se izbjeglo trljanje, a ne rezanje. Brzine rezanja su općenito ograničene na 30 do 60 metara u minuti za grube operacije, uz nešto veće brzine za završnu obradu. Primjena rashladnog sredstva je obavezna, isporučujući rashladnu tekućinu visokog{7}}pritiska, velike-rashladne tekućine direktno u zonu rezanja za kontrolu temperature i ispiranje strugotine. Poželjna su{10}}rashladna sredstva rastvorljiva u vodi sa aditivima za ekstremne pritiske, iako se mora voditi računa da rashladna tečnost ne sadrži hlorisana jedinjenja koja bi mogla izazvati pucanje korozije pod stresom.
Učvršćivanje radnog predmeta zahtijeva posebnu pažnju zbog niskog modula titanijuma i sklonosti vibracijama. Krute postavke s minimalnim prevjesom su neophodne. Prigušni materijali mogu biti ugrađeni u dizajn uređaja. Prekinute rezove treba izbjegavati gdje je to moguće, jer ponovljeni termički ciklusi ubrzavaju kvar alata zbog termičkog zamora.
3. Brušenje i abrazivna obrada
Brušenje titanijumskih legura uvodi posebne opasnosti i izazove. Loša toplotna provodljivost materijala uzrokuje porast temperature mljevenja, potencijalno paljenje sitnih čestica titanijuma ako je prisutno dovoljno kiseonika. Titanijumski požari tokom mlevenja, iako su rijetki uz odgovarajuće mjere opreza, mogu biti izuzetno intenzivni i teško ih je ugasiti. Konvencionalni aparati za gašenje vodom ili ugljičnim dioksidom su nedjelotvorni; suvi pijesak ili specijalizirani aparati za gašenje požara klase D su potrebni.
Izbor abraziva daje prednost točkovima od aluminijum oksida ili silicijum karbida sa otvorenom strukturom i vitrificiranom vezom. Otvorena struktura omogućava čišćenje strugotine i prodiranje rashladne tečnosti. Brzine kotača su obično smanjene u usporedbi s brušenjem čelika, dok su radne brzine i brzine uvlačenja povećane kako bi se spriječilo zadržavanje i pregrijavanje. Kontinuirano oblaganje održava oštrinu kotača i efikasnost rezanja. Obilan protok rashladne tečnosti, uz izbegavanje hlorisanih jedinjenja, je apsolutno neophodan.
Operacije brušenja i poliranja trake na sličan način zahtijevaju pažljivu kontrolu parametara. Obložene abrazivne trake sa cirkonijum aluminijem ili keramičkim zrnima rade dobro. Kontaktni kotači trebaju biti relativno mekani kako bi se prilagodili radnom komadu i smanjili lokalizirano zagrijavanje. Postepeno napredovanje zrna od grubog do finog daje optimalan površinski integritet.
4. Formiranje operacija
Hladno oblikovanje titanijumskih legura je izvodljivo, ali je ograničeno visokom čvrstoćom materijala i izraženim povratnim opterećenjem. Radijusi savijanja moraju biti izdašni, obično tri do pet puta veći od debljine materijala za Ti-6Al-4V u žarenom stanju, u poređenju sa jedan do dva puta za legure aluminijuma. Kompenzacija povratne opruge zahtijeva tehnike prekomjernog savijanja ili dna, sa tačnim stepenom utvrđenim empirijski za svako stanje materijala i geometriju.
Vruće oblikovanje proširuje opseg izvodljivosti, ali uvodi probleme alfa slučaja. Temperature oblikovanja između 540 i 760 stepeni Celzijusa dozvoljavaju veću deformaciju sa smanjenim povratnim oprugom, iako formirana komponenta zahtijeva naknadnu površinsku obradu kako bi se uklonio svaki reakcijski sloj. Superplastično oblikovanje na 870 do 925 stepeni Celzijusa koristi izuzetno finu strukturu zrna koja se postiže u određenim legurama titanijuma, omogućavajući složenu proizvodnju vazduhoplovnih komponenti iz pojedinačnih listova. Ovaj proces zahtijeva preciznu kontrolu temperature unutar plus ili minus 10 stepeni Celzijusa i kontrolirane stope deformacije od oko 10 do minus 4 u sekundi.
Razvlačenje, duboko izvlačenje i hidroformiranje predstavljaju specifične izazove. Podmazivanje je kritično svuda, sa molibden disulfidom, grafitom ili specijalizovanim jedinjenjima koja formiraju titanijum koji se nanose i na matrice i na prazne površine. Materijali za kalupe zahtijevaju čvrste površine-otporne na habanje; obično se koriste nitrirani alatni čelici ili superlegure na bazi nikla-.
5. Razmatranja o zavarivanju
Zavarivanje legura titanijuma fuzijom zahteva strogu zaštitu atmosfere jer rastopljeni titan burno reaguje sa kiseonikom, azotom i vodonikom. Neadekvatna zaštita proizvodi porozne, lomljive zavarene spojeve sa dramatično smanjenim mehaničkim svojstvima. Zavarivanje inertnim gasom od volframa sa visoko-zaštitom od argona predstavlja najčešći ručni proces, iako se zavarivanje plazmom, zavarivanje elektronskim snopom i lasersko zavarivanje uveliko koriste za automatsku proizvodnju.
Sistem zaštite mora štititi ne samo otopljeni bazen već i cijelu zonu{0}}zahvaćenu toplinom sve dok temperature ne padnu ispod približno 400 stepeni Celzijusa. Prateći štitovi koji se protežu iza baklje i stražnje pročišćavanje korijenskih prolaza su standardna praksa. Čistoća argona mora biti veća od 99,995 posto, sa tačkom rose ispod minus 50 stepeni Celzijusa. Svaka kontaminacija zrakom, vlagom ili ugljovodonicima uzrokuje promjenu boje šava u rasponu od slamnato žute preko plave do sive ili bijele, s progresivnom ozbiljnom krhkošću.
Odabir dodatnog metala općenito odgovara sastavu osnovne legure, iako male modifikacije mogu poboljšati zavarljivost. Za Ti-6Al-4V, odgovarajući sastavni punilac je standardan. Predgrijavanje je općenito nepotrebno i potencijalno štetno zbog produženog vremena u rasponu reaktivnih temperatura. Termička obrada nakon zavarivanja obično uključuje smanjenje naprezanja na 540 do 650 stepeni Celzijusa, iako tretman rastvorom i starenje mogu biti potrebni da bi se povratila puna svojstva u legurama koje se obrađuju termički.
Zavarivanje u beta stanju, praćeno termičkom obradom nakon -zavarivanja, nudi prednosti za debele presjeke smanjenjem sklonosti pucanju. Međutim, gruba beta zrnasta struktura zahtijeva pažljivu kontrolu naknadnog hlađenja kako bi se izbjegla neprihvatljiva svojstva.
6. Protokoli toplinske obrade
Toplinska obrada titanijumskih legura zahtijeva peći u vakuumu ili inertnoj atmosferi kako bi se spriječilo stvaranje alfa kućišta. Nivoi vakuuma od 10 do minus 3 milibara ili više su tipični, sa provjerenim stopama curenja prije svakog ciklusa. Zatrpavanje argonom može se koristiti za operacije gašenja, iako čistoća plina mora zadovoljiti iste stroge standarde kao i zaštitni plin za zavarivanje.
Žarenje u mlinu na 700 do 760 stepeni Celzijusa sa vazdušnim hlađenjem obezbeđuje smanjenje naprezanja i skromnu optimizaciju svojstava. Dupleksno žarenje, koje uključuje tretman beta rastvorom praćen alfa-beta žarenjem, poboljšava otpor puzanja i termičku stabilnost. Tretman rastvorom i starenje maksimizira snagu kroz kontrolisano taloženje alfa faze unutar metastabilnog beta matriksa. Temperatura tretmana rastvora, tipično 925 do 955 stepeni Celzijusa za Ti-6Al-4V, mora se kontrolisati unutar uskih granica kako bi se postigao željeni balans primarne alfa i transformirane beta. Odabir medija za gašenje balansira brzinu hlađenja u odnosu na izobličenje, s vodom, polimernim gasilcima ili prisilnim gasom koji nude različite kompromise.
Temperature starenja od 480 do 600 stepeni Celzijusa proizvode različite kombinacije čvrstoće-duktilnosti, pri čemu niže temperature pogoduju čvrstoći, a više temperature poboljšavaju žilavost. Vrijeme starenja mora biti dovoljno za potpunu transformaciju, obično 4 do 16 sati ovisno o temperaturi i veličini presjeka.
Inspekcija nakon{0}}toplotne obrade uključuje mikro-profiliranje tvrdoće kako bi se potvrdilo potpuno uklanjanje alfa kućišta, metalografski pregled da se potvrdi ciljna mikrostruktura i mehaničko testiranje za validaciju svojstava.
7. Hemijska obrada i površinska obrada
Kemijsko mljevenje i kiseljenje uklanjaju alfa kućište i kamenac iz termički obrađenog titana. Standardni rastvor za kiseljenje sadrži fluorovodičnu kiselinu i azotnu kiselinu u vodi, sa tipičnim omjerima od 1 dijela HF prema 4 do 6 dijelova HNO3 po zapremini. Dušična kiselina služi za oksidaciju i pasivizaciju površine dok HF otapa titanov oksid. Omjer HF prema HNO3 mora biti veći od 4 prema 1 kako bi se spriječila prekomjerna apsorpcija vodonika tokom kiseljenja. Temperatura rastvora između 20 i 60 stepeni Celzijusa kontroliše brzinu nagrizanja, sa višim temperaturama koje proizvode brže uklanjanje materijala, ali povećavaju rizik od sakupljanja vodonika.
Kemijsko mljevenje za smanjenje težine ili oblikovanje koristi sličnu hemiju na povišenim temperaturama. Maskiranje premazima otpornim na kiselinu{1}} definira područja koja se uklanjaju. Faktor jetkanja, omjer bočnog i vertikalnog jetkanja, mora se uzeti u obzir u dizajnu maske.
Anodizacija proizvodi zaštitne i dekorativne oksidne filmove na titanu. Eloksiranje tipa 2 u otopinama hromne ili sumporne kiseline stvara-površine otporne na habanje. Eloksiranje u boji tipa 3 koristi optičke smetnje u tankim oksidnim filmovima za proizvodnju niza boja bez boja, što je korisno za identifikaciju dijelova i označavanje medicinskih uređaja. Anodizirani sloj je biokompatibilan i poboljšava oseointegraciju za ortopedske implantate.
Pasivacijski tretmani u dušičnoj kiselini uklanjaju površinsku kontaminaciju željezom i povećavaju otpornost na koroziju. Ovo je posebno važno za medicinski titanijum koji mora ispuniti stroge zahtjeve biokompatibilnosti.
8. Kovanje i termomehanička obrada
Kovanje od legure titanijuma zahteva izotermne ili skoro{0}}izotermne uslove za upravljanje uskim prozorom obrade i visokim naponima protoka. Konvencionalno kovanje iznad beta transusa proizvodi grube transformisane mikrostrukture sa ograničenom duktilnošću. Alfa-beta kovanje, izvedeno na 15 do 50 stepeni Celzijusa ispod beta transusa, rafinira mikrostrukturu kroz dinamičku rekristalizaciju alfa faze, dajući superiorna mehanička svojstva.
Izotermno kovanje koristi matrice od superlegure koje se održavaju na temperaturi kovanja, smanjujući gubitak topline i omogućavajući manje sile pritiska. Ovo omogućava formiranje skoro{1}}mreža-oblika uz minimalnu naknadnu obradu. Međutim, troškovi kalupa su značajni, a vrijeme ciklusa je dugo.
Valjanje prstenova, ekstruzija i rotaciono kovanje prilagođavaju konvencionalne principe obrade metala specifičnim karakteristikama titanijuma. Materijali za kalupe moraju biti otporni na hemijski afinitet titana na povišenim temperaturama, a legure na bazi nikla- i keramika nalaze primjenu tamo gdje je alatni čelik neadekvatan.
Sekvence termomehaničke obrade kombinuju kontrolisanu deformaciju sa toplotnom obradom kako bi se postigle prilagođene mikrostrukture. Za alfa-beta legure, ovo obično uključuje rad na visokoj-radi na razbijanju livene strukture, praćen nižim-radom na nižim temperaturama radi pročišćavanja alfa morfologije, a završava se žarenjem ili obradom otopinom i starenjem.
9. Kontrola i inspekcija kvaliteta
U-procesu inspekcija komponenti legure titanijuma naglašava provjeru integriteta površine. Vizuelna inspekcija identifikuje promjenu boje koja ukazuje na atmosfersku kontaminaciju tokom termičke obrade. Inspekcija penetranta boje otkriva površinske-prelomne nedostatke od mašinske obrade, brušenja ili termičke obrade. Ultrazvučna inspekcija provjerava unutrašnju ispravnost, uz kriterije prihvatljivosti koji se odnose na standarde za ravno dno rupe.
Mikro{0}}testiranje tvrdoće potvrđuje potpuno uklanjanje alfa kućišta, pri čemu površinska tvrdoća ne prelazi 110 posto tvrdoće jezgra za većinu specifikacija. Metalografski pregled potvrđuje tip mikrostrukture, veličinu zrna i odsustvo defekata kao što su beta fleke ili kontinuirana alfa granica zrna.
Mehanička ispitivanja uključuju ispitivanje zatezanja na sobnoj i povišenim temperaturama, ispitivanje žilavosti loma za kritične primjene i ispitivanje na zamor gdje to zahtijevaju projektni zahtjevi. Za sva ispitivanja moraju se koristiti uzorci mašinski obrađeni sa reprezentativnih lokacija sa odgovarajućom pripremom površine kako bi se izbjegli efekti zareza.
Hemijska analiza potvrđuje da intersticijski elementi ostaju unutar specifikacije, posebno za ELI razrede gdje su granice kisika, dušika i vodonika stroge. Analiza vodonika je posebno kritična jer se ovaj element može povećati tokom obrade kroz atmosfersku kontaminaciju ili kontaminaciju rashladnog sredstva.
10. Razmatranja sigurnosti i okoliša
Obrada titana stvara nekoliko sigurnosnih opasnosti koje zahtijevaju posebne kontrole. Fine čestice titanijuma, posebno one ispod 500 mikrometara, su piroforne i mogu se zapaliti od varnica, statičkog elektriciteta ili mehaničkog udara. Prašina od mljevenja, strugotine od strojne obrade i prah iz operacija aditivne proizvodnje moraju se sakupljati u sistemima inertne atmosfere ili sa specijaliziranom vakuumskom opremom koja koristi provodna crijeva kako bi se spriječilo nakupljanje statičkog elektriciteta. Za gašenje požara potrebno je nasipanje suvim prahom klase D, suvim pijeskom ili argonom; Voda, ugljični dioksid ili halonski aparati za gašenje mogu pojačati titanijumske požare.
Titanijum tetrahlorid i druga hloridna jedinjenja koja se koriste u proizvodnji sunđera predstavljaju respiratorne opasnosti, iako su to prvenstveno zabrinuti za primarne proizvođače, a ne za proizvođače komponenti. Rashladna sredstva za obradu zahtijevaju praćenje bakterijske degradacije koja bi mogla stvoriti sumporovodik ili druge toksične spojeve.
Ekološki propisi regulišu odlaganje istrošenih rastvora za kiseljenje koji sadrže fluorovodoničnu kiselinu, koja zahteva neutralizaciju i taloženje fluora pre ispuštanja. Recikliranjem strugotine kroz proces vakuumskog lučnog topljenja vraća se dragocjeni titanijum uz smanjenje uticaja na životnu sredinu, iako se strugotine moraju odvojiti prema leguri i očistiti od tečnosti za sečenje.
