Кључна разматрања у обради легуре титанијума
1. Хемијска реактивност и температурна осетљивост
Титанијум показује изузетно високу хемијску реактивност на повишеним температурама, што у основи обликује сваки аспект његове обраде. Изнад приближно 600 степени Целзијуса, титанијум агресивно апсорбује кисеоник, азот и водоник из околне атмосфере. Кисеоник и азот се интерстицијално растварају у алфа фазу, формирајући тврди, крхки површински слој познат као алфа случај. Овај слој значајно смањује отпорност на замор и дуктилност и мора се у потпуности уклонити машинском обрадом, млевењем или хемијским декапирањем после било које операције на високим{4}}има. Апсорпција водоника представља још подмуклу претњу, јер узрокује крхкост водоника која можда неће постати очигледна све док се не изврши оптерећење. Чак и на температурама од чак 300 степени Целзијуса, титанијум може да покупи водоник из влаге-која садржи атмосфере или угљоводоничне мазива.
Температура бета трансус, која означава границу између поља алфа-бета и бета фазе, варира у зависности од састава легуре. За Ти-6Ал-4В то се дешава на приближно 995 степени Целзијуса, док је за Ти-5Ал-2.5Сн близу 1040 степени Целзијуса. Обрада изнад бета трансуса производи грубу, ламеларно трансформисану бета микроструктуру са инфериорном дуктилношћу и својствима замора. Због тога, термомеханичка обрада мора пажљиво да контролише вршне температуре, са уским прозорима обраде који захтевају прецизно праћење температуре и брз проток.
Топлотна проводљивост легура титанијума је изразито лоша, отприлике једна-шеста од угљеничног челика. Током обраде или брушења, топлота се концентрише на интерфејсу алата-обратка уместо да се распршује у расути материјал. Ово доводи до повишених температура резања, убрзаног хабања алата и потенцијалног оштећења површине радног комада укључујући формирање алфа кућишта услед загревања трењем.
2. Изазови обраде
Легуре титанијума представљају огромне потешкоће у машинској обради које их разликују од конвенционалних инжењерских материјала. Материјал има тенденцију да се жучи и завари за резне алате због свог високог хемијског афинитета, посебно на повишеним температурама које настају током резања. Ова изграђена-формација ивица производи лошу завршну обраду површине и непредвидиву тачност димензија. Низак модул еластичности, отприлике упола мањи од челика, узрокује значајну повратну снагу и отклон под силама резања, отежавајући постизање чврстих толеранција на витким радним комадима.
Избор алата за сечење критично утиче на успех машинске обраде. Алати од цементног карбида са фином зрном структуром и високим садржајем кобалта пружају најбољи баланс тврдоће и жилавости. Поликристални дијамантски алати нуде изузетне перформансе за-брзине завршне операције, иако по знатно већој цени. Геометрија алата захтева позитивне нагибне углове да би се смањиле силе резања и великодушне углове растерећења да би се минимизирало трљање. Оштре резне ивице су неопходне јер је рад-очврснути титан још теже сећи него жарени материјал.
Параметри сечења морају бити изабрани конзервативно. Дубина сечења треба да буде довољна да алат остане испод радног{1}}очврслог слоја направљеног претходним пролазом. Брзине увлачења морају да обезбеде одговарајућу дебљину струготине како би се избегло трљање уместо сечења. Брзине резања су генерално ограничене на 30 до 60 метара у минути за грубе операције, уз нешто веће брзине за завршну обраду. Примена расхладне течности је обавезна, испоручујући расхладну течност под високим-притиском, велике-расхладне течности директно у зону сечења за контролу температуре и испирање струготине. Пожељни су{10}}растворни расхладни флуиди са адитивима за екстремне притиске, мада се мора водити рачуна да расхладна течност не садржи хлорисана једињења која би могла да изазову пуцање корозије под стресом.
Причвршћивање радног предмета захтева посебну пажњу због ниског модула титанијума и склоности ка вибрацијама. Неопходне су круте поставке са минималним превисом. Пригушни материјали могу бити уграђени у дизајн уређаја. Прекинуте резове треба избегавати где год је то могуће, пошто поновљени термички циклуси убрзавају квар алата услед термичког замора.
3. Брушење и абразивна обрада
Брушење легура титанијума представља специфичне опасности и изазове. Лоша топлотна проводљивост материјала узрокује пораст температуре млевења, потенцијално паљење ситних честица титанијума ако је присутно довољно кисеоника. Пожари од титанијума током млевења, иако су ретки уз одговарајуће мере предострожности, могу бити изузетно интензивни и тешко их је угасити. Конвенционални апарати за гашење воде или угљен-диоксида су неефикасни; суви песак или специјализовани апарати за гашење пожара класе Д.
Избор абразива фаворизује точкове од алуминијум оксида или силицијум карбида са отвореном структуром и витрификованом везом. Отворена структура омогућава чишћење струготине и продирање расхладне течности. Брзине точкова су обично смањене у поређењу са брушењем челика, док су радне брзине и брзине увлачења повећане да би се спречило задржавање и прегревање. Континуирано облагање одржава оштрину точка и ефикасност сечења. Обилан проток расхладне течности, уз избегавање хлорисаних једињења, је апсолутно неопходан.
Операције брушења и полирања траке на сличан начин захтевају пажљиву контролу параметара. Обложене абразивне траке са цирконијум-оксидом алуминијума или керамичким зрнима раде добро. Контактни точкови треба да буду релативно мекани да би се прилагодили радном комаду и смањили локализовано загревање. Постепено напредовање зрна од грубог до финог даје оптималан интегритет површине.
4. Формирање операција
Хладно обликовање легура титанијума је изводљиво, али је ограничено високом чврстоћом материјала и израженим повратним дејством. Радијуси савијања морају бити издашни, обично три до пет пута већи од дебљине материјала за Ти-6Ал-4В у жареном стању, у поређењу са један до два пута за легуре алуминијума. Компензација опруге захтева технике савијања или дна, са тачним степеном утврђеним емпиријски за свако стање материјала и геометрију.
Вруће обликовање проширује опсег изводљивости, али уводи бриге о алфа случају. Температуре формирања између 540 и 760 степени Целзијуса дозвољавају већу деформацију са смањеним повратним опругом, иако формирана компонента захтева накнадну површинску обраду да би се уклонио реакциони слој. Суперпластично обликовање на 870 до 925 степени Целзијуса искоришћава изузетно фину структуру зрна која се постиже у одређеним легурама титанијума, омогућавајући сложену производњу ваздухопловних компоненти из појединачних листова. Овај процес захтева прецизну контролу температуре у оквиру плус или минус 10 степени Целзијуса и контролисане стопе напрезања од око 10 до минус 4 у секунди.
Развлачење, дубоко извлачење и хидроформирање представљају специфичне изазове. Подмазивање је критично свуда, са молибден дисулфидом, графитом или специјализованим једињењима која формирају титанијум који се примењују и на матрице и на празне површине. Материјали за калупе захтевају чврсте површине-отпорне на хабање; обично се користе нитровани алатни челици или суперлегура{3}}на бази никла.
5. Разматрања о заваривању
Заваривање легура титанијума фузијом захтева строгу заштиту атмосфере јер растопљени титан бурно реагује са кисеоником, азотом и водоником. Неадекватна заштита производи порозне, ломљиве заварене спојеве са драматично смањеним механичким својствима. Заваривање инертним гасом од волфрама са аргоном високе-заштите представља најчешћи ручни процес, иако се заваривање плазмом, заваривање електронским снопом и ласерско заваривање увелико користе за аутоматизовану производњу.
Систем заштите мора да штити не само растопљени базен већ и целу зону{0}}захваћену топлотом све док температура не падне испод приближно 400 степени Целзијуса. Пратећи штитови који се протежу иза горионика и задње чишћење коренских пролаза су стандардна пракса. Чистоћа аргона мора бити већа од 99,995 процената, са тачком росе испод минус 50 степени Целзијуса. Свака контаминација од ваздуха, влаге или угљоводоника доводи до промене боје шава у распону од сламнато жуте преко плаве до сиве или беле, са прогресивном озбиљном кртошћу.
Избор додатног метала генерално одговара саставу основне легуре, мада мале модификације могу побољшати заварљивост. За Ти-6Ал-4В, одговарајући саставни пунилац је стандардан. Претходно загревање је генерално непотребно и потенцијално штетно због продуженог времена у реактивном температурном опсегу. Термичка обрада након заваривања обично укључује ублажавање напрезања на 540 до 650 степени Целзијуса, иако третман раствором и старење могу бити потребни да би се повратила пуна својства легура које се обрађују топлотом.
Заваривање у бета стању, праћено топлотном обрадом након{0} заваривања, нуди предности за дебеле делове смањењем подложности пуцању. Међутим, груба структура бета зрна захтева пажљиву контролу накнадног хлађења како би се избегла неприхватљива својства.
6. Протоколи топлотне обраде
Топлотна обрада легура титанијума захтева пећи у вакууму или инертној атмосфери да би се спречило стварање алфа кућишта. Нивои вакуума од 10 до минус 3 милибара или више су типични, са стопом цурења верификованим пре сваког циклуса. Затрпавање аргоном се може користити за операције гашења, иако чистоћа гаса мора да испуњава исте строге стандарде као и заштитни гас за заваривање.
Жарење у млину на 700 до 760 степени Целзијуса са ваздушним хлађењем обезбеђује ослобађање од напрезања и скромну оптимизацију својстава. Дуплексно жарење, које укључује третман бета раствором праћен алфа-бета жарењем, побољшава отпор пузања и термичку стабилност. Третман раствором и старење максимизира снагу кроз контролисано таложење алфа фазе унутар метастабилне бета матрице. Температура третмана раствора, обично 925 до 955 степени Целзијуса за Ти-6Ал-4В, мора да се контролише у уским границама да би се постигао жељени баланс примарне алфа и трансформисане бета. Одабир медија за гашење балансира брзину хлађења и изобличења, са водом, полимерним гасовима или принудним гасом који нуде различите компромисе.
Температуре старења од 480 до 600 степени Целзијуса производе различите комбинације чврстоће{2}}дуктилности, при чему ниже температуре фаворизују снагу, а више температуре побољшавају жилавост. Време старења мора бити довољно за потпуну трансформацију, обично 4 до 16 сати у зависности од температуре и величине пресека.
Инспекција након{0}}термичке обраде обухвата микро-профилисање тврдоће како би се потврдило потпуно уклањање алфа кућишта, металографски преглед да би се потврдила циљна микроструктура и механичко тестирање ради валидације својстава.
7. Хемијска обрада и површинска обрада
Хемијско млевење и кисељење уклањају алфа кућиште и каменац са термички обрађеног титанијума. Стандардни раствор за кисељење садржи флуороводоничну киселину и азотну киселину у води, са типичним односом од 1 дела ХФ према 4 до 6 делова ХНО3 по запремини. Азотна киселина служи за оксидацију и пасивизацију површине док ХФ раствара титанијум оксид. Однос ХФ према ХНО3 мора бити већи од 4 према 1 да би се спречила прекомерна апсорпција водоника током кисељења. Температура раствора између 20 и 60 степени Целзијуса контролише брзину нагризања, са вишим температурама које производе брже уклањање материјала, али повећавају ризик од сакупљања водоника.
Хемијско млевење за смањење тежине или контурисање користи сличну хемију на повишеним температурама. Маскирање премазима отпорним на киселину{1}} дефинише области које треба уклонити. Фактор јеткања, однос бочног и вертикалног нагризања, мора се узети у обзир у дизајну маске.
Анодизација производи заштитне и декоративне оксидне филмове на титанијуму. Елоксирање типа 2 у растворима хромне или сумпорне киселине ствара-површине отпорне на хабање. Елоксирање у боји типа 3 користи оптичке сметње у танким оксидним филмовима за производњу низа боја без боја, што је корисно за идентификацију делова и обележавање медицинских уређаја. Анодизовани слој је биокомпатибилан и побољшава осеоинтеграцију ортопедских имплантата.
Пасивациони третмани у азотној киселини уклањају површинску контаминацију гвожђем и повећавају отпорност на корозију. Ово је посебно важно за медицински титанијум који мора да испуни строге захтеве за биокомпатибилност.
8. Ковање и термомеханичка обрада
Ковање легуре титанијума захтева изотермне или близу{0}}изотермне услове да би се управљало уским прозором обраде и високим напонима протока. Конвенционално ковање изнад бета трансуса производи грубе трансформисане микроструктуре са ограниченом дуктилношћу. Алфа-бета ковање, спроведено на 15 до 50 степени Целзијуса испод бета трансуса, рафинира микроструктуру кроз динамичку рекристализацију алфа фазе, дајући супериорна механичка својства.
Изотермно ковање користи матрице од суперлегуре које се одржавају на температури ковања, смањујући губитак топлоте и омогућавајући ниже силе притиска. Ово омогућава формирање скоро{1}}мрежног-облика уз минималну накнадну машинску обраду. Међутим, трошкови матрице су значајни, а време циклуса је дуго.
Ваљање прстенова, екструзија и ротационо ковање прилагођавају конвенционалне принципе обраде метала специфичним карактеристикама титанијума. Материјали за калупе морају да издрже хемијски афинитет титанијума на повишеним температурама, а легуре на бази никла- и керамика налазе примену тамо где је алатни челик неадекватан.
Секвенце термомеханичке обраде комбинују контролисану деформацију са топлотном обрадом како би се постигле прилагођене микроструктуре. За алфа-бета легуре, ово обично укључује рад на високој-ради на разбијању ливене структуре, праћен нижим-радом на нижим температурама ради побољшања алфа морфологије, и закључно са жарењем или третманом раствором и старењем.
9. Контрола и инспекција квалитета
У-процесу инспекција компоненти легуре титанијума наглашава проверу интегритета површине. Визуелна инспекција идентификује промену боје која указује на атмосферску контаминацију током термичке обраде. Инспекција пенетрације боје открива површинске-недостатке на ломљењу услед машинске обраде, брушења или термичке обраде. Ултразвучна инспекција потврђује унутрашњу исправност, са критеријумима прихватања који се односе на стандарде за равно дно{5}.
Микро{0}}тестирање тврдоће потврђује потпуно уклањање алфа кућишта, при чему површинска тврдоћа не прелази 110 процената тврдоће језгра за већину спецификација. Металографски преглед потврђује тип микроструктуре, величину зрна и одсуство дефеката као што су бета флеке или континуирана алфа граница зрна.
Механичка испитивања обухватају испитивање затезања на собним и повишеним температурама, испитивање жилавости лома за критичне примене и испитивање на замор тамо где то захтевају пројектни захтеви. За сва испитивања морају се користити узорци машински обрађени са репрезентативних локација са одговарајућом припремом површине како би се избегли ефекти зареза.
Хемијска анализа потврђује да интерстицијски елементи остају унутар спецификације, посебно за ЕЛИ степене где су границе кисеоника, азота и водоника строге. Анализа водоника је посебно критична јер се овај елемент може повећати током обраде услед контаминације атмосфере или расхладне течности.
10. Разматрања безбедности и животне средине
Прерада титанијума ствара неколико опасности по безбедност које захтевају посебне контроле. Фине честице титанијума, посебно оне испод 500 микрометара, су пирофорне и могу се запалити од варница, статичког електрицитета или механичког удара. Прашина од млевења, струготине од машинске обраде и прах из операција адитивне производње морају се сакупљати у системима инертне атмосфере или са специјализованом вакуумском опремом која користи проводна црева да би се спречило накупљање статичког електрицитета. За гашење пожара потребно је насипање сувим прахом класе Д, сувим песком или аргоном; вода, угљен-диоксид или халонски апарати за гашење могу интензивирати пожаре од титанијума.
Титанијум тетрахлорид и друга хлоридна једињења која се користе у производњи сунђера представљају респираторне опасности, иако су то првенствено забринутости за примарне произвођаче, а не за произвођаче компоненти. Расхладне течности за машинску обраду захтевају праћење бактеријске деградације која може да створи водоник сулфид или друга токсична једињења.
Прописи о заштити животне средине регулишу одлагање истрошених раствора за кисељење који садрже флуороводоничну киселину, која захтева неутрализацију и таложење флуора пре испуштања. Рециклирањем струготине кроз процес вакуумског лучног топљења добија се драгоцени титанијум и истовремено се смањује утицај на животну средину, иако се струготине морају одвојити према легури и очистити од течности за сечење.
