الزامات فنی و استانداردهای مرجع برای صفحات آلیاژ تیتانیوم

الزامات فنی و استانداردهای مرجع برای صفحات آلیاژ تیتانیوم

1. طبقه بندی مواد و نمرات

صفحات آلیاژی تیتانیوم بر اساس ریزساختار و ترکیب آلیاژی به طور کلی به چهار دسته طبقه بندی می شوند. آلیاژهای آلفا، مانند Ti-5Al-2.5Sn (درجه 6)، عمدتاً حاوی تثبیت کننده های آلفا مانند آلومینیوم و قلع هستند. این آلیاژها جوش پذیری عالی و مقاومت در برابر خزش را در دماهای بالا ارائه می دهند و آنها را برای سازه های بدنه هواپیما و کاربردهای برودتی مناسب می کند. آلیاژهای نزدیک{17}آلفا، از جمله Ti-8Al-1Mo-1V (درجه 9) و Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo، دارای مقادیر کمی از تثبیت کننده های بتا هستند و در عین حال ساختار آلفای غالب را حفظ می کنند. آنها پایداری بهبود یافته در دمای بالا را برای اجزای موتور توربین گاز فراهم می کنند.

آلفا{0}}آلیاژهای بتا پرکاربردترین دسته را نشان می‌دهند، با Ti-6Al-4V (درجه 5) آلیاژ اسب کاری در بخش‌های هوافضا، پزشکی و صنعتی است. این آلیاژ از طریق ریزساختار دوفاز خود به تعادل مطلوبی از استحکام، شکل‌پذیری و چقرمگی شکست دست می‌یابد. نوع بینابینی بسیار کم، Ti-6Al-4V ELI (درجه 23)، محتوای اکسیژن، آهن و هیدروژن را برای افزایش تحمل آسیب برای کاربردهای حیاتی محدود می کند. آلیاژهای بتا مانند Ti-10V-2Fe-3Al و Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn را می توان برای دستیابی به بالاترین سطوح استحکام در میان آلیاژهای تیتانیوم، با مزیت های خاصی در شکل پذیری قبل از عملیات حرارتی، محلول زد و پیر کرد.

2. الزامات ترکیب شیمیایی

ترکیب شیمیایی صفحات آلیاژ تیتانیوم باید به شدت کنترل شود تا از خواص مکانیکی ثابت و مقاومت در برابر خوردگی اطمینان حاصل شود. برای Ti-6Al-4V (درجه 5)، محتوای آلومینیوم از 5.50 تا 6.75 درصد متغیر است، در حالی که وانادیوم بین 3.50 تا 4.50 درصد است. آهن به حداکثر 0.30 درصد، اکسیژن به 0.20 درصد، کربن به 0.08 درصد، نیتروژن به 0.05 درصد و هیدروژن به 0.015 درصد محدود شده است. مجموع تمام عناصر باقیمانده نباید از 0.40 درصد تجاوز کند.

برای گرید ELI، آلومینیوم به 5.50 تا 6.50 درصد، آهن به حداکثر 0.25 درصد، اکسیژن به 0.13 درصد و هیدروژن به 0.0125 درصد محدود شده است. این سطوح کاهش یافته بینابینی به طور قابل توجهی چقرمگی شکست و شکل پذیری را بهبود می بخشد، به همین دلیل است که این درجه برای ایمپلنت های جراحی و اجزای ساختاری مهم هوافضا اجباری است. Ti-5Al-2.5Sn (درجه 6) آلومینیوم بین 4.00 تا 6.00 درصد، قلع بین 2.00 تا 3.00 درصد، با آهن تا 0.50 درصد و هیدروژن تا 0.020 درصد مجاز است. حد اکسیژن با استاندارد Ti-6Al-4V در 0.20 درصد مطابقت دارد.

3. الزامات خواص مکانیکی

در دمای اتاق در جهت طولی، صفحه Ti-6Al-4V باید به حداقل مقاومت کششی نهایی 895 مگاپاسکال، حداقل استحکام تسلیم در 0.2 درصد افست 828 مگاپاسکال، حداقل کشیدگی 10 درصد و حداقل کاهش سطح 25 درصد دست یابد. نوع ELI همان الزامات ازدیاد طول و کاهش را حفظ می کند، اما با سطوح مقاومت کمی کاهش یافته است: 860 مگاپاسکال حداقل استحکام کششی نهایی و 795 مگاپاسکال حداقل استحکام تسلیم. Ti-5Al-2.5Sn به حداقل مقاومت کششی 827 مگاپاسکال، حداقل استحکام تسلیم 759 مگاپاسکال و معیارهای انعطاف پذیری منطبق نیاز دارد.

برای سرویس دمای بالا، صفحه Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo باید حداقل استحکام کششی 620 مگاپاسکال را در 315 درجه سانتیگراد، با مقاومت خزشی تأیید شده در 425 درجه سانتیگراد نشان دهد. چقرمگی شکست یک پارامتر حیاتی برای طراحی مقاوم در برابر آسیب است. صفحه Ti-6Al-4V ELI باید به چقرمگی شکست کرنش صفحه ای K_IC حداقل 75 مگاپاسکال ریشه مربع متر دست یابد، در حالی که Ti-5Al-2.5Sn به 55 مگاپاسکال ریشه مربع حداقل متر نیاز دارد. انرژی ضربه ای شارپی V-notch به ترتیب 20 ژول و 16 ژول است.

4. تلورانس های بعدی و سطح پایان

تحمل ضخامت بسته به ضخامت صفحه متفاوت است. برای صفحات تا 6.35 میلی‌متر، تحمل استاندارد مثبت یا منفی 0.13 میلی‌متر است، با تلرانس دقیق به مثبت یا منفی 0.08 میلی‌متر. بین 6.35 و 25.4 میلی متر، تحمل استاندارد به مثبت یا منفی 0.25 میلی متر می شود، با دقت در مثبت یا منفی 0.13 میلی متر. برای صفحات بیش از 25.4 میلی‌متر تا 50.8 میلی‌متر، تحمل استاندارد مثبت یا منفی 0.38 میلی‌متر و تلورانس دقت مثبت یا منفی 0.25 میلی‌متر است.

تحمل عرض به اضافه 6.35 میلی متر بدون هیچ منهای در شرایط استاندارد است، برای دقت به مثبت 3.18 میلی متر سفت شده است. تحمل طول به علاوه 25 میلی متر استاندارد، به علاوه 13 میلی متر دقت است. مسطح بودن نباید از 3.2 میلی متر بر متر در شرایط استاندارد یا 1.6 میلی متر در متر برای صفحه دقیق تجاوز کند. کمبر لبه استاندارد به 3.2 میلی متر در هر 3 متر و دقت 1.6 میلی متر در هر 3 متر محدود شده است.

الزامات پرداخت سطح به روش پردازش بستگی دارد. صفحات نورد گرم باید به زبری سطح Ra بیش از 6.3 میکرومتر دست یابند. صفحات سرد-نورد شده یا ترشی شیمیایی نیاز به Ra بیش از 3.2 میکرومتر ندارند. صفحه‌های زمینی دقیق، Ra را از 1.6 میکرومتر بیشتر نمی‌کنند.

5. الزامات متالورژی

ریزساختار صفحه آلفا{0}}بتا آلیاژی تیتانیوم در شرایط آسیاب{1}}باید از فاز آلفای اولیه هم محور که در یک ماتریس بتا تبدیل شده توزیع شده باشد، تشکیل شده باشد. فاز آلفای مرزی پیوسته مجاز نیست زیرا شکل پذیری و مقاومت در برابر خستگی را کاهش می دهد. اندازه دانه باید ASTM 5 یا ریزتر باشد، با تولید معمولی ASTM 6 تا 8. مورد آلفا، آن لایه سطحی غنی شده با اکسیژن{7}}سخت که در طول پردازش در دمای بالا تشکیل شده است، باید به طور کامل حذف شود. راستی‌آزمایی به نمایه سختی ریز{10}}نیازمند است که هیچ سنبله سختی را در سطح نشان نمی‌دهد، یا بررسی متالوگرافی که تأیید می‌کند هیچ لایه آلفا{11}}تثبیت‌شده باقی نمی‌ماند.

لکه‌های بتا، که مناطق محلی غنی‌سازی تثبیت‌کننده بتا هستند، در کاربردهای حیاتی هوافضا ممنوع هستند. آنها از طریق ماکرو{2}}بازرسی اچ با استفاده از معرف های مناسب شناسایی می شوند. محتوای گنجانده شده بر اساس روش A ASTM E45، با حداکثر سطوح مجاز A2، B2، C2، و D2 به ترتیب برای اجزای اکسیدهای نازک، سنگین، سیلیکات و کروی رتبه بندی شده است.

6. غیر{1}}الزامات آزمایش مخرب

آزمایش اولتراسونیک برای همه صفحات 6.35 میلی‌متر و ضخیم‌تر اجباری است که براساس معیار AMS-STD-2154 کلاس A انجام می‌شود. هیچ نشانه ای بیش از معادل سوراخ 3.2 میلی متری کف تخت قابل قبول نیست. آزمایش نافذ رنگ برای تمام سطوح تمام شده بر اساس ASTM E1417، بدون هیچ نشانه خطی بیش از 3.2 میلی متر در طول اعمال می شود. تست رادیوگرافی برای نواحی جوش داده شده یا تعمیر شده بر اساس ASTM E1742 در نظر گرفته شده است. آزمایش جریان گردابی ممکن است جایگزین آزمایش اولتراسونیک بر روی صفحات نازک زیر 6.35 میلی متر، به دنبال روش های ASTM E426 با حساسیت تعیین شده با توافق خریدار و تامین کننده باشد.

7. شرایط عملیات حرارتی

صفحه بازپخت آسیاب{0}}در دمای 704 تا 760 درجه سانتیگراد و به دنبال آن خنک‌سازی هوا پردازش می‌شود. این شرایط خواص متعادلی را برای کاربردهای عمومی فراهم می کند. بازپخت دوبلکس شامل تصفیه محلول در دمای 954 درجه سانتیگراد با کوئنچ آب و به دنبال آن خنک شدن هوا در دمای 538 درجه سانتیگراد است که باعث بهبود چقرمگی شکست برای طراحی‌های مقاوم به آسیب-می‌شود. پلیت تیمار شده و کهنه شده با محلول از طریق تصفیه در دمای 927 درجه سانتیگراد با کوئنچ آب و سپس پیری در دمای 538 درجه سانتیگراد به مدت 4 تا 8 ساعت به حداکثر استحکام می رسد. بازپخت بتا در 1010 درجه سانتیگراد با خنک کننده هوا و به دنبال آن تثبیت در 760 درجه سانتیگراد، یک ریزساختار بتا تبدیل شده ایجاد می کند که برای مقاومت در برابر خزش در کاربردهای موتورهای هوافضا بهینه شده است. کاهش تنش در دمای 538 تا 649 درجه سانتیگراد به دنبال عملیات ماشینکاری یا شکل دهی می باشد.

تمام عملیات حرارتی باید در خلاء با شدت 10 تا منهای 3 میلی بار یا بهتر یا در اتمسفر آرگون با خلوص بالا انجام شود. هر گونه آلفای تشکیل شده در طی عملیات حرارتی باید قبل از بازرسی نهایی به طور کامل حذف شود.

8. استانداردهای مرجع

مشخصات اولیه صفحه آلیاژ تیتانیوم ASTM B265 است که نوار، ورق و صفحه تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم را پوشش می دهد. این استاندارد محدودیت های ترکیب شیمیایی، الزامات خواص مکانیکی، تحمل ابعادی و مقررات کلی کیفیت را تعریف می کند. ASTM B348 برای میله‌ها و شمش‌ها منابع آزمایش مکانیکی تکمیلی را ارائه می‌کند.

برای روش‌شناسی تست مکانیکی، ASTM E8 و E8M بر تست کشش مواد فلزی نظارت دارند. تأیید سختی از ASTM E18 برای سختی راکول یا ASTM E10 برای سختی برینل پیروی می کند. ارزیابی محتوای گنجاندن از ASTM E45 استفاده می‌کند که برای آلیاژهای تیتانیوم اقتباس شده است. اندازه گیری اندازه دانه از استاندارد ASTM E112 پیروی می کند. پروفایل سختی میکرو در ASTM E384 موارد آلفای باقیمانده را تشخیص می‌دهد. آماده سازی نمونه متالوگرافی و اچینگ به ترتیب از ASTM E3 و ASTM E407 پیروی می کنند.

استانداردهای آزمایش غیرمخرب شامل ASTM E1417 برای آزمایش نفوذ مایع، ASTM E1742 برای بررسی رادیوگرافی و ASTM E426 برای آزمایش جریان گردابی الکترومغناطیسی محصولات نازک است. راهنمای آماده سازی سطح و رسوب زدایی در ASTM B600 یافت می شود.

مشخصات مواد هوافضا شرایط سخت گیرانه تری را برای برنامه های{0}} حیاتی پرواز فراهم می کند. AMS 4907 صفحه Ti{28}}6Al-4V را در شرایط آنیل شده پوشش می‌دهد. AMS 4911 به صفحه Ti-6Al-4V تصفیه شده و قدیمی با محلول می پردازد. AMS 4930 صفحه Ti-6Al-4V بینابینی بسیار کم را مشخص می کند. AMS 4940 برای صفحه Ti-5Al-2.5Sn اعمال می شود. AMS 4943 صفحه آلیاژ بتا Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn را پوشش می دهد. AMS 4945 صفحه آلیاژی نزدیک به آلفا Ti-8Al-1Mo-1V را نشان می دهد. معیارهای پذیرش بازرسی اولتراسونیک در AMS-STD-2154 تعریف شده است.

مشخصات نظامی قدیمی شامل MIL-T-9046 برای ورق، نوار و صفحه تیتانیوم، و MIL-T-9047 برای میله‌ها و آهنگرها است. آزمایش زیست محیطی از MIL-STD-810 پیروی می کند.

استانداردهای بین‌المللی شامل ISO 5832{20}}3 برای ایمپلنت‌های جراحی آلیاژی Ti-6Al-4V و ISO 5832-10 برای ایمپلنت‌های آلیاژی Ti-5Al-2.5Fe است. استانداردهای بریتانیا BS 2TA 2 و BS 2TA 11 ورق و صفحه Ti-6Al-4V را پوشش می دهند. DIN 17850 آلمان مشخصات فنی آلیاژهای تیتانیوم فرفورژه را ارائه می دهد. JIS H4600 ژاپنی به صفحات، صفحات و نوارها می پردازد. استاندارد ملی چین GB/T 3621 و استاندارد نظامی GJB 2505A برای صفحه آلیاژ تیتانیوم درجه هوانوردی اعمال می شود.

9. برنامه{1}}شرایط خاص

کاربردهای ساختاری هوافضا به داده‌های خستگی چرخه بالا، تجزیه و تحلیل تحمل آسیب، و مطابقت سطح A NDT برای AMS 4907، AMS 4911، و AMS-STD-2154 نیاز دارند. اجزای موتور هوافضا به خواص کششی دمای بالا، تأیید مقاومت در برابر خزش و آزمایش پایداری حرارتی بر اساس AMS 4945 و ASTM E139 نیاز دارند.

کاربردهای ایمپلنت پزشکی، آزمایش زیست سازگاری از جمله سنجش سمیت سلولی و حساسیت را الزامی می کند، با مواد درجه ELI بر اساس ISO 5832-3، ASTM F136 و ASTM F1472 اجباری است. تجهیزات پردازش شیمیایی نیاز به اعتبارسنجی مقاومت در برابر خوردگی در محیط های فرآیندی خاص و جوش پذیری نشان داده شده در ASTM B265، ASTM G28، و NACE MR0175 یا ISO 15156 دارند. سازه های دریایی و فراساحلی باید در برابر خوردگی آب دریا مقاومت کرده و سازگاری با سیستم های حفاظت کاتدی را در ASTM B265 و ASTM B265 نشان دهند. DNV{9}}OS{11}}B401. کاربردهای هسته ای سطح مقطع جذب نوترون، پایداری تشعشع و محتوای عناصر کمیاب را در قسمت دوم دیگ بخار ASME و کد مخزن تحت فشار، بخش D، کنترل می کنند.

10. گواهینامه و مستندات

هر قطعه تولیدی باید همراه با گواهی آزمایش آسیاب باشد که نتایج آنالیز شیمیایی، نتایج آزمایش خواص مکانیکی، قابلیت ردیابی عدد حرارتی و ابعاد واقعی اندازه گیری شده را مستند کند. این گواهی بر اساس ASTM B265 اجباری است. گواهی‌های آزمایش غیرمخرب نتایج اولتراسونیک، نافذ یا رادیوگرافی را با سوابق صلاحیت اپراتور گزارش می‌کنند. گزارش‌های متالورژیکی شامل ریزساختارهای کوچک، اندازه دانه‌های اندازه‌گیری شده، و رتبه‌بندی‌های گنجاندن برای کاربردهای حیاتی است. گواهی عملیات حرارتی پارامترهای چرخه، نوع جو و سوابق کالیبراسیون ترموکوپل را مستند می کند. گزارش‌های ردیابی کامل، منشأ مواد، عمل مذاب و تاریخچه پردازش کامل را مشخص می‌کنند که برای انطباق با مقررات هوافضا و تجهیزات پزشکی ضروری است.