Θερμική επεξεργασία τιτανίου και κραμάτων τιτανίου (1)

Η θερμική επεξεργασία είναι μια διαδικασία κατά την οποία η ελεγχόμενη θέρμανση και ψύξη των μετάλλων πραγματοποιείται κάτω από πολύ ακριβείς περιβαλλοντικές συνθήκες προκειμένου να αλλοιωθούν τα φυσικά ή μηχανικά χαρακτηριστικά του μετάλλου χωρίς να αλλάξει το σχήμα του προϊόντος. Εάν η θερμική επεξεργασία δεν γίνει σωστά, το μέταλλο μπορεί να μην επιτύχει τις επιθυμητές ιδιότητες που απαιτούνται για να πληροί τις προδιαγραφές σχεδιασμού των μηχανικών.
Η θερμική επεξεργασία συνήθως σχετίζεται με την αύξηση της αντοχής του υλικού, αλλά χρησιμοποιείται επίσης συχνά για τη βελτίωση της ικανότητας επεξεργασίας, τη βελτίωση της μορφοποίησης, την αύξηση της ολκιμότητας ή την αύξηση της αντοχής στη διάβρωση. Επομένως, είναι μια κρίσιμη διαδικασία που διασφαλίζει ότι επιτυγχάνονται τα καθορισμένα χαρακτηριστικά του μετάλλου.

Τα πλεονεκτήματα της θερμικής επεξεργασίας κραμάτων τιτανίου:

Μειώστε τις υπολειπόμενες τάσεις που αναπτύσσονται κατά την κατασκευή (ανακούφιση από το στρες)
Δημιουργήστε έναν βέλτιστο συνδυασμό ολκιμότητας, δυνατότητας μηχανικής επεξεργασίας και σταθερότητας διαστάσεων και δομής (ανόπτηση)
Αύξηση δύναμης (διάλυμα θεραπείας και γήρανσης)

Βελτιστοποιήστε ειδικές ιδιότητες όπως αντοχή σε θραύση, αντοχή σε κόπωση και αντοχή ερπυσμού σε υψηλή θερμοκρασία

Ανακούφιση από το στρες από τιτάνιο

Το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου μπορούν να ανακουφιστούν από την πίεση χωρίς να επηρεάσουν αρνητικά την αντοχή ή την ολκιμότητα.

Οι θεραπείες ανακούφισης από τάσεις μειώνουν τις ανεπιθύμητες υπολειμματικές τάσεις που προκύπτουν από πρώτον, ανομοιόμορφη θερμή σφυρηλάτηση ή παραμόρφωση από ψυχρή διαμόρφωση και ευθυγράμμιση, δεύτερον, ασύμμετρη κατεργασία πλακών ή σφυρηλατήσεων και, τρίτον, συγκόλληση και ψύξη των χυτών. Η αφαίρεση τέτοιων τάσεων βοηθά στη διατήρηση της σταθερότητας του σχήματος και εξαλείφει τις δυσμενείς συνθήκες, όπως η απώλεια της αντοχής θλιπτικής διαρροής που είναι κοινώς γνωστή ως φαινόμενο Bauschinger.

Η ανακούφιση από το στρες είναι ίσως η πιο κοινή θερμική επεξεργασία που δίνεται σε τιτάνιο και κράματα τιτανίου. Χρησιμοποιείται για τη μείωση των ανεπιθύμητων υπολειμματικών τάσεων που προκύπτουν από την ανομοιόμορφη παραμόρφωση θερμής σφυρηλάτησης, την ανομοιόμορφη ψυχρή διαμόρφωση και ευθυγράμμιση, την ασύμμετρη μηχανική κατεργασία πλακών (hogouts) ή σφυρηλατήσεων, τη συγκόλληση εξαρτημάτων από σφυρήλατο, χυτό ή μεταλλουργική σκόνης (P/M) και ψύξη των χυτών.

Η ανακούφιση από την πίεση βοηθά στη διατήρηση της σταθερότητας του σχήματος και επίσης μπορεί να εξαλείψει δυσμενείς συνθήκες όπως η απώλεια αντοχής στη θλίψη - το φαινόμενο Bauschinger - που μπορεί να είναι ιδιαίτερα σοβαρό στα κράματα τιτανίου. Η ανακούφιση από το στρες μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς να επηρεαστεί αρνητικά η αντοχή ή η ολκιμότητα.

Ξεπύρωμα

Η ανόπτηση του τιτανίου και των κραμάτων τιτανίου χρησιμεύει κυρίως για την αύξηση της ανθεκτικότητας στη θραύση, της ολκιμότητας σε θερμοκρασία δωματίου, της σταθερότητας των διαστάσεων και της θερμότητας και της αντοχής σε ερπυσμό. Πολλά κράματα τιτανίου τίθενται σε λειτουργία σε κατάσταση ανόπτησης. Επειδή η βελτίωση σε μία ή περισσότερες ιδιότητες επιτυγχάνεται γενικά σε βάρος κάποιας άλλης ιδιότητας, ο κύκλος ανόπτησης θα πρέπει να επιλέγεται σύμφωνα με τον στόχο της θεραπείας.
Οι συνήθεις θεραπείες ανόπτησης είναι:

Η ανόπτηση μύλου είναι μια θεραπεία γενικής χρήσης που δίνεται σε όλα τα προϊόντα μύλου. Δεν είναι πλήρης ανόπτηση και μπορεί να αφήσει ίχνη ψυχρής ή θερμής εργασίας στις μικροδομές των βαριά επεξεργασμένων προϊόντων, ιδιαίτερα του φύλλου.

Η διπλή ανόπτηση αλλάζει τα σχήματα, τα μεγέθη και τις κατανομές των φάσεων σε εκείνα που απαιτούνται για βελτιωμένη αντίσταση ερπυσμού ή αντοχή σε θραύση. Στην διπλή ανόπτηση του κράματος Corona 5, για παράδειγμα, η πρώτη ανόπτηση βρίσκεται κοντά στο transus για να σφαιροποιήσει το παραμορφωμένο και να ελαχιστοποιήσει το κλάσμα όγκου του. Αυτό ακολουθείται από μια δεύτερη ανόπτηση χαμηλότερης θερμοκρασίας για να κατακρημνιστεί νέα φακοειδής (βελονοειδής) μεταξύ των σφαιρικών σωματιδίων. Αυτός ο σχηματισμός βελονοειδής σχετίζεται με βελτιώσεις στη δύναμη ερπυσμού και στην αντοχή στη θραύση.

Η ανόπτηση και η ανόπτηση ανακρυστάλλωσης χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της αντοχής σε θραύση. Στην ανόπτηση με ανακρυστάλλωση, το κράμα θερμαίνεται στο πάνω άκρο του εύρους -, διατηρείται για λίγο και μετά ψύχεται πολύ αργά. Τα τελευταία χρόνια, η ανόπτηση με ανακρυστάλλωση έχει αντικαταστήσει την ανόπτηση για κρίσιμα για θραύση εξαρτήματα σκελετού αεροπλάνου.

(Βήτα) ανόπτηση. Όπως η ανόπτηση με ανακρυστάλλωση, έτσι και η ανόπτηση βελτιώνει την αντοχή στη θραύση. Η βήτα ανόπτηση γίνεται σε θερμοκρασίες πάνω από το transus του κράματος που ανόπτεται. Για να αποφευχθεί η υπερβολική ανάπτυξη κόκκων, η θερμοκρασία για την ανόπτηση θα πρέπει να είναι ελαφρώς υψηλότερη από το transus. Οι χρόνοι ανόπτησης εξαρτώνται από το πάχος του τμήματος και θα πρέπει να είναι επαρκείς για πλήρη μετασχηματισμό. Ο χρόνος στη θερμοκρασία μετά τον μετασχηματισμό θα πρέπει να διατηρείται στο ελάχιστο για να ελεγχθεί η ανάπτυξη των κόκκων. Τα μεγαλύτερα τμήματα πρέπει να ψύχονται με ανεμιστήρα ή να σβήνουν με νερό για να αποφευχθεί ο σχηματισμός φάσης στα όρια των κόκκων.

Λύση Θεραπεία και Γήρανση

Ένα ευρύ φάσμα επιπέδων αντοχής μπορεί να επιτευχθεί σε - ή κράματα με επεξεργασία διαλύματος και γήρανση. Με εξαίρεση το μοναδικό κράμα Ti-2.5Cu, η προέλευση των αποκρίσεων θερμικής επεξεργασίας των κραμάτων τιτανίου έγκειται στην αστάθεια της φάσης υψηλής θερμοκρασίας σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.
Η θέρμανση ενός κράματος στη θερμοκρασία επεξεργασίας διαλύματος παράγει υψηλότερη αναλογία φάσης. Αυτός ο διαχωρισμός των φάσεων διατηρείται με σβέση. κατά την επακόλουθη γήρανση, εμφανίζεται αποσύνθεση της ασταθούς φάσης, παρέχοντας υψηλή αντοχή. Τα κράματα του εμπορίου γενικά παρέχονται σε κατάσταση επεξεργασίας με διάλυμα και πρέπει μόνο να παλαιωθούν. Η επεξεργασία διαλυμάτων των κραμάτων τιτανίου γενικά περιλαμβάνει θέρμανση σε θερμοκρασίες είτε ελαφρώς υψηλότερες είτε ελαφρώς κάτω από τη θερμοκρασία transus.
Τα κράματα (βήτα) λαμβάνονται συνήθως από παραγωγούς σε κατάσταση επεξεργασίας με διάλυμα. Εάν απαιτείται επαναθέρμανση, οι χρόνοι εμποτισμού θα πρέπει να είναι μόνο όσοι είναι απαραίτητοι για να επιτευχθεί πλήρης διάλυση. Οι θερμοκρασίες επεξεργασίας διαλύματος για κράματα είναι πάνω από το transus. Επειδή δεν υπάρχει δεύτερη φάση, η ανάπτυξη των κόκκων μπορεί να προχωρήσει γρήγορα.
- Κράματα (άλφα-βήτα). Η επιλογή μιας θερμοκρασίας επεξεργασίας διαλύματος για - κράματα βασίζεται στον συνδυασμό των μηχανικών ιδιοτήτων που επιθυμείτε μετά τη γήρανση. Μια αλλαγή στη θερμοκρασία επεξεργασίας διαλύματος των κραμάτων αλλάζει τις ποσότητες της φάσης και κατά συνέπεια αλλάζει την απόκριση στη γήρανση.
Για να αποκτήσετε υψηλή αντοχή με επαρκή ολκιμότητα, είναι απαραίτητο να υποβληθείτε σε επεξεργασία διαλύματος σε θερμοκρασία υψηλή στο πεδίο, συνήθως 25 έως 85 μοίρες (50 έως 150 βαθμοί F) κάτω από το transus του κράματος. Εάν απαιτείται υψηλή αντοχή στη θραύση ή βελτιωμένη αντοχή στη διάβρωση λόγω τάσης, μπορεί να είναι επιθυμητή η ανόπτηση ή η επεξεργασία με διάλυμα. Ωστόσο, η θερμική επεξεργασία - κράματα της σειράς προκαλεί σημαντική απώλεια ολκιμότητας. Αυτά τα κράματα συνήθως υποβάλλονται σε θερμική επεξεργασία διαλύματος κάτω από το transus για να επιτευχθεί η βέλτιστη ισορροπία ιδιοτήτων πλαστιμότητας, αντοχής σε θραύση, ερπυσμού και θραύσης λόγω τάσης.

Σβήσιμο

Εάν τα κράματα ψύχονται γρήγορα με σβήσιμο νερού από την περιοχή βήτα, η τάση της φάσης άλφα να σχηματιστεί καταστέλλεται και η φάση βήτα διατηρείται. Ορισμένες συνθέσεις κραμάτων, ωστόσο, παρουσιάζουν έναν περίεργο μετασχηματισμό κατά την απόσβεση. Αυτός ο μηχανισμός μαρτενσιτικού ή διατμητικού μετασχηματισμού δεν είναι πλήρως κατανοητός. Ο σχηματισμός αυτής της δομής, του λεγόμενου άλφα πρώτου, προκαλεί κάποια παραμόρφωση του πλέγματος. Αυτή η παραμόρφωση και η προκύπτουσα καταπόνηση παράγουν ένα υλικό, το οποίο είναι σκληρό και σκληρό, και έχει καλύτερες ιδιότητες κόπωσης από το άλφα. Αυτή η διαδικασία σβέσης είναι επίσης το αρχικό σημείο για το σκλήρυνση.

Μετριασμός

Όταν το τιτάνιο σβήνει από μια αυξημένη θερμοκρασία, ξαναθερμαίνεται σε θερμοκρασία κάτω από τη βήτα transus, διατηρείται για μεγάλο χρονικό διάστημα και σβήνει ξανά, λέγεται ότι έχει μετριαστεί. Υπάρχουν τρεις μεταβλητές στη σκλήρυνση: οι παρούσες φάσεις, ο χρόνος διατήρησης και η θερμοκρασία σκλήρυνσης.

Όταν η αρχική δομή περιέχει άλφα πρώτο, συμβαίνουν δύο αλλαγές: ο άλφα πρώτος μετατρέπεται σε άλφα και σε μεγαλύτερους χρόνους το άλφα γίνεται οδοντωτό. Το αποτέλεσμα είναι απώλεια σκληρότητας και αντοχής και αύξηση της ολκιμότητας και της πρόσκρουσης. Οι δομές άλφα-βήτα, ωστόσο, δεν ακολουθούν αυτό το μοτίβο. Το άλφα παραμένει κατά κύριο λόγο αμετάβλητο. το βήτα αποσυντίθεται για να σχηματίσει περισσότερο άλφα σε βάρος της βήτα φάσης. Σε χαμηλές θερμοκρασίες θα σχηματιστεί περισσότερο άλφα. Έτσι, οι χαμηλές θερμοκρασίες σκλήρυνσης έχουν ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη μείωση της αντοχής και της σκληρότητας και μεγαλύτερη αύξηση της ολκιμότητας από τη σκλήρυνση σε υψηλή θερμοκρασία σε ίδια χρονικά διαστήματα.

Ισοθερμικός Μετασχηματισμός

Κατά τη θερμή σβέση ενός κράματος από την περιοχή όλων των βήτα σε θερμοκρασίες στο πεδίο άλφα-βήτα και διατήρηση για μια χρονική περίοδο και στη συνέχεια περαιτέρω απόσβεση σε θερμοκρασία δωματίου, το υλικό μετασχηματίζεται ισοθερμικά. Η θεραπεία με αυτόν τον τρόπο προκαλεί καθίζηση της άλφα φάσης από τη βήτα. Σε υψηλές θερμοκρασίες το άλφα κατακρημνίζεται πρώτα στα όρια των κόκκων και αργότερα μέσα στους ίδιους τους κόκκους βήτα.
Αυτή η κατεργασία, όταν διατηρείται σε θερμοκρασίες ακριβώς κάτω από τη θερμοκρασία μετασχηματισμού, στην αρχή δίνει ένα πολύ σκληρό υλικό λόγω του σχηματισμού βήτα πρώτου υλικού. Εάν ο χρόνος συγκράτησης παραταθεί, η σκληρότητα και η αντοχή μειώνονται με μια συνοδευτική αύξηση της ολκιμότητας και της σκληρότητας. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες λαμβάνει χώρα μια σταδιακή αύξηση της σκληρότητας και της ευθραυστότητας και σε παρατεταμένους χρόνους μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη σκληρότητα από ό,τι με βραχυχρόνιες επεξεργασίες υψηλής θερμοκρασίας.

(Συνέχεια)