Tehnički zahtjevi i referentni standardi za ploče od legure titana
1. Klasifikacija i stupnjevi materijala
Ploče od legure titana općenito se klasificiraju u četiri kategorije na temelju njihove mikrostrukture i sastava legure. Alfa legure, kao što je Ti-5Al-2.5Sn (razred 6), sadrže prvenstveno alfa stabilizatore poput aluminija i kositra. Ove legure nude izvrsnu zavarljivost i otpornost na puzanje na povišenim temperaturama, što ih čini prikladnima za konstrukcije zrakoplova i kriogene primjene. Skoro{17}}alfa legure, uključujući Ti-8Al-1Mo-1V (razred 9) i Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, sadrže male količine beta stabilizatora dok zadržavaju alfa-dominantnu strukturu. Omogućuju poboljšanu stabilnost na visokim temperaturama za komponente motora plinske turbine.
Alfa-beta legure predstavljaju kategoriju koja se najčešće upotrebljava, a Ti-6Al-4V (razred 5) je najvažnija legura u zrakoplovnom, medicinskom i industrijskom sektoru. Ova legura postiže optimalnu ravnotežu čvrstoće, duktilnosti i otpornosti na lom kroz svoju dvofaznu mikrostrukturu. Ekstra niska međuprostorna varijanta, Ti-6Al-4V ELI (razred 23), ograničava sadržaj kisika, željeza i vodika kako bi se povećala tolerancija oštećenja za kritične primjene. Beta legure kao što su Ti-10V-2Fe-3Al i Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn mogu se tretirati otopinom i stareti kako bi se postigle najviše razine čvrstoće među legurama titana, s posebnim prednostima u mogućnosti oblikovanja prije toplinske obrade.
2. Zahtjevi za kemijski sastav
Kemijski sastav ploča od legure titana mora se strogo kontrolirati kako bi se osigurala dosljedna mehanička svojstva i otpornost na koroziju. Za Ti-6Al-4V (razred 5), sadržaj aluminija kreće se od 5,50 do 6,75 posto, dok se vanadij kreće od 3,50 do 4,50 posto. Željezo je ograničeno na maksimalno 0,30 posto, kisik na 0,20 posto, ugljik na 0,08 posto, dušik na 0,05 posto, a vodik na 0,015 posto. Zbroj svih zaostalih elemenata ne smije biti veći od 0,40 posto.
Za ELI stupanj, aluminij je ograničen na 5,50 do 6,50 posto, željezo na maksimalno 0,25 posto, kisik na 0,13 posto, a vodik na 0,0125 posto. Ove smanjene intersticijske razine značajno poboljšavaju otpornost na lom i duktilnost, zbog čega je ova klasa obavezna za kirurške implantate i kritične konstrukcijske komponente zrakoplovstva. Ti-5Al-2,5Sn (razred 6) dopušta aluminij između 4,00 i 6,00 posto, kositar između 2,00 i 3,00 posto, sa željezom do 0,50 posto i vodikom do 0,020 posto. Ograničenje kisika odgovara standardu Ti-6Al-4V na 0,20 posto.
3. Zahtjevi mehaničkih svojstava
Na sobnoj temperaturi u uzdužnom smjeru, Ti-6Al-4V ploča mora postići minimalnu krajnju vlačnu čvrstoću od 895 MPa, minimalnu granicu tečenja pri 0,2 posto pomaka od 828 MPa, minimalno istezanje od 10 posto i minimalno smanjenje površine od 25 posto. ELI varijanta zadržava iste zahtjeve za istezanje i smanjivanje, ali s malo smanjenim razinama čvrstoće: 860 MPa minimalna krajnja vlačna čvrstoća i 795 MPa minimalna granica tečenja. Ti-5Al-2.5Sn zahtijeva minimalnu vlačnu čvrstoću od 827 MPa, minimalnu granicu razvlačenja od 759 MPa i odgovarajuću metriku duktilnosti.
Za rad na povišenim temperaturama, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo ploča mora pokazati minimalnu vlačnu čvrstoću od 620 MPa na 315 stupnjeva Celzijusa, uz otpornost na puzanje provjerenu na 425 stupnjeva Celzijusa. Žilavost na lom predstavlja kritični parametar za dizajn otporan na oštećenja. Ti-6Al-4V ELI ploča mora postići ravnu žilavost loma K_IC od najmanje 75 MPa kvadratnog korijena iz metra, dok Ti-5Al-2.5Sn zahtijeva najmanje 55 MPa kvadratnog korijena iz metra. Zahtjevi za udarnom energijom Charpy V-zareza su 20 džula odnosno 16 džula.
4. Tolerancije dimenzija i završna obrada površine
Tolerancija debljine ovisi o debljini ploče. Za ploče do 6,35 milimetara, standardna tolerancija je plus ili minus 0,13 milimetara, s tolerancijom preciznosti pooštrenom 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 uvjetima, zategnuta na plus 3,18 milimetara za preciznost. Tolerancija duljine je plus 25 milimetara standardno, plus 13 milimetara preciznosti. Ravnost ne smije premašiti 3,2 milimetra po metru prema standardnim zahtjevima ili 1,6 milimetara po metru za preciznu ploču. Rubni nagib ograničen je na 3,2 milimetra po 3 metra standardno i 1,6 milimetara po 3 metra precizno.
Zahtjevi za završnu obradu površine ovise o načinu obrade. Vruće{1}}valjane ploče moraju postići površinsku hrapavost Ra ne veću od 6,3 mikrometra. Hladno{4}}valjane ili kemijski dekapirane ploče zahtijevaju Ra koji ne prelazi 3,2 mikrometra. Precizne{7}}uzemljene ploče zahtijevaju Ra koji ne prelazi 1,6 mikrometara.
5. Metalurški zahtjevi
Mikrostruktura ploče alfa-beta legure titana u mlin-žarenim uvjetima mora se sastojati od primarne alfa faze s jednakom osovinom raspoređene unutar transformirane beta matrice. Kontinuirana alfa faza granice zrna nije dopuštena jer smanjuje duktilnost i otpornost na zamor. Veličina zrna mora biti ASTM 5 ili finija, s tipičnom proizvodnjom koja postiže ASTM 6 do 8. Alfa kućište, onaj čvrsti površinski sloj-obogaćen kisikom nastao tijekom obrade na visokoj-temperaturi, mora se potpuno ukloniti. Provjera zahtijeva mikro{10}}profiliranje tvrdoće koje ne pokazuje skokove tvrdoće na površini ili metalografsko ispitivanje koje potvrđuje da nema ostataka alfa{11}}stabiliziranog sloja.
Beta mrlje, koje su lokalizirana područja obogaćenja beta-stabilizatora, zabranjene su u kritičnim primjenama u zrakoplovstvu. Otkrivaju se inspekcijom makro-jetkanja pomoću odgovarajućih reagensa. Sadržaj inkluzija je ocijenjen prema ASTM E45 metodi A, s maksimalno dopuštenim razinama od A2, B2, C2 i D2 za tanke, teške, silikatne i globularne oksidne inkluzije.
6. Zahtjevi za ne-destruktivno ispitivanje
Ultrazvučno ispitivanje je obavezno za sve ploče debljine 6,35 milimetara i više, provodi se prema kriterijima AMS-STD-2154 klase A. Nikakva indikacija koja prelazi ekvivalent rupe s ravnim dnom od 3,2 milimetra nije prihvatljiva. Ispitivanje penetrantom boje primjenjuje se na sve gotove površine prema ASTM E1417, bez linearnih indikacija dužih od 3,2 milimetra. Radiografsko ispitivanje rezervirano je za zavarena područja ili područja popravka prema ASTM E1742. Ispitivanje vrtložnim strujama može zamijeniti ultrazvučno ispitivanje na tankim pločama ispod 6,35 milimetara, slijedeći postupke ASTM E426 s osjetljivošću utvrđenom dogovorom između kupca i dobavljača.
7. Uvjeti toplinske obrade
M-žarena ploča obrađuje se na 704 do 760 stupnjeva Celzijusa nakon čega slijedi hlađenje zrakom. Ovaj uvjet osigurava uravnotežena svojstva za općenite primjene. Dvostruko žarenje uključuje tretman otopinom na 954 stupnja Celzijusa s gašenjem u vodi, nakon čega slijedi hlađenje zrakom na 538 stupnjeva Celzijusa, čime se poboljšava žilavost loma za-oštećenja tolerantne dizajne. Ploča tretirana otopinom i ostarjela postiže maksimalnu čvrstoću tretmanom na 927 stupnjeva Celzijusa s gašenjem u vodi, zatim starenjem na 538 stupnjeva Celzijusa 4 do 8 sati. Beta žarenje na 1010 stupnjeva Celzijusa uz hlađenje zrakom, nakon čega slijedi stabilizacija na 760 stupnjeva Celzijusa, proizvodi transformiranu beta mikrostrukturu optimiziranu za otpornost na puzanje u aplikacijama zrakoplovnih motora. Ublažavanje naprezanja na 538 do 649 stupnjeva Celzijusa slijedi nakon operacija strojne obrade ili oblikovanja.
Sva toplinska obrada mora se odvijati u vakuumu na 10 do minus 3 milibara ili boljem ili u atmosferi argona visoke-čistoće. Sva alfa kućišta nastala tijekom toplinske obrade moraju se u potpunosti ukloniti prije završnog pregleda.
8. Referentni standardi
Primarna specifikacija za ploču od legure titana je ASTM B265, koja pokriva trake, limove i ploče od titana i legure titana. Ova norma definira granice kemijskog sastava, zahtjeve mehaničkih svojstava, tolerancije dimenzija i opće odredbe o kvaliteti. ASTM B348 za šipke i gredice pruža dodatne reference mehaničkog ispitivanja.
Za metodologiju mehaničkog ispitivanja, ASTM E8 i E8M reguliraju ispitivanje napetosti metalnih materijala. Provjera tvrdoće slijedi ASTM E18 za Rockwellovu tvrdoću ili ASTM E10 za Brinellovu tvrdoću. Procjena sadržaja inkluzija koristi ASTM E45, prilagođen za legure titana. Mjerenje veličine zrna slijedi ASTM E112. Mikro-profiliranje tvrdoće prema ASTM E384 otkriva preostali alfa slučaj. Metalografska priprema uzorka i jetkanje slijede ASTM E3 odnosno ASTM E407.
Standardi ispitivanja bez razaranja uključuju ASTM E1417 za ispitivanje tekućim penetrantima, ASTM E1742 za radiografsko ispitivanje i ASTM E426 za ispitivanje elektromagnetskih vrtložnih struja tankih proizvoda. Priprema površine i smjernice za uklanjanje kamenca nalaze se u ASTM B600.
Specifikacije materijala za zrakoplovstvo pružaju strože zahtjeve za-kritične primjene u letovima. AMS 4907 pokriva Ti-6Al-4V ploču u žarenom stanju. AMS 4911 odnosi se na otopinu tretiranu i ostarjelu Ti-6Al-4V ploču. AMS 4930 specificira posebno nisku međuprostornu Ti-6Al-4V ploču. AMS 4940 odnosi se na Ti-5Al-2.5Sn ploče. AMS 4943 pokriva ploču od beta legure Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 se odnosi na ploču od gotovo alfa legure Ti-8Al-1Mo-1V. Kriteriji prihvaćanja ultrazvučne inspekcije definirani su u AMS-STD-2154.
Naslijeđene vojne specifikacije uključuju MIL-T-9046 za limove, trake i ploče od titana te MIL-T-9047 za šipke i otkivke. Ispitivanje utjecaja na okoliš slijedi MIL-STD-810.
Međunarodni standardi uključuju ISO 5832-3 za kirurške 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 titana. Japanski JIS H4600 odnosi se na listove, ploče i trake. Kineski nacionalni standard GB/T 3621 i vojni standard GJB 2505A primjenjuju se na ploču od legure titana za zrakoplove.
9. Posebni-zahtjevi za aplikaciju
Strukturalne primjene u zrakoplovstvu zahtijevaju podatke o zamoru s visokim-ciklusima, analizu tolerancije oštećenja i usklađenost razine A NDT prema AMS 4907, AMS 4911 i AMS-STD-2154. Komponente zrakoplovnog motora zahtijevaju vlačna svojstva na povišenoj temperaturi, verifikaciju otpornosti na puzanje i ispitivanje toplinske stabilnosti prema AMS 4945 i ASTM E139.
Primjene medicinskih implantata zahtijevaju testiranje biokompatibilnosti uključujući testove citotoksičnosti i senzibilizacije, s obaveznim materijalom ELI stupnja prema ISO 5832-3, ASTM F136 i ASTM F1472. Oprema za kemijsku obradu zahtijeva validaciju otpornosti na koroziju u određenim 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 u morskoj vodi i pokazati kompatibilnost sa sustavima katodne zaštite prema ASTM B265 i DNV-OS-B401. Nuklearne primjene kontroliraju presjek apsorpcije neutrona, stabilnost zračenja i sadržaj elemenata u tragovima prema ASME Kodeksu za kotlove i tlačne posude, odjeljak II, dio D.
10. Certifikacija i dokumentacija
Svaka proizvodna serija mora biti popraćena potvrdom o ispitivanju mlina koja dokumentira rezultate kemijske analize, rezultate ispitivanja mehaničkih svojstava, sljedivost toplinskog broja i stvarne izmjerene dimenzije. Ovaj certifikat je obavezan prema ASTM B265. Certifikati o ispitivanju bez razaranja prikazuju rezultate ultrazvuka, penetranta ili radiografije s evidencijom o kvalifikacijama operatera. Metalurška izvješća uključuju fotomikrografije mikrostrukture, izmjerenu veličinu zrna i ocjene uključenosti za kritične primjene. Certifikati o toplinskoj obradi dokumentiraju parametre ciklusa, vrstu atmosfere i zapise o kalibraciji termoelementa. Potpuna izvješća o sljedivosti utvrđuju podrijetlo materijala, praksu taljenja i potpunu povijest obrade, što je bitno za usklađenost s regulativom za zrakoplovne i medicinske uređaje.
