Технічні вимоги та еталонні стандарти для пластин із титанового сплаву
1. Класифікація та класи матеріалів
Пластини з титанового сплаву в цілому класифікуються на чотири категорії на основі їх мікроструктури та складу сплаву. Альфа-сплави, такі як Ti-5Al-2,5Sn (клас 6), містять переважно альфа-стабілізатори, такі як алюміній і олово. Ці сплави пропонують відмінну зварюваність і стійкість до повзучості при підвищених температурах, що робить їх придатними для конструкцій літаків і кріогенних застосувань. Майже{17}}альфа-сплави, включаючи Ti-8Al-1Mo-1V (клас 9) і Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, містять невеликі кількості бета-стабілізаторів, зберігаючи альфа-домінуючу структуру. Вони забезпечують покращену високотемпературну стабільність компонентів газотурбінного двигуна.
Альфа-бета-сплави представляють найбільш широко використовувану категорію, а Ti-6Al-4V (клас 5) є основним сплавом в аерокосмічній, медичній та промисловій сферах. Цей сплав досягає оптимального балансу між міцністю, пластичністю та в’язкістю до руйнування завдяки своїй двофазній мікроструктурі. Надзвичайно низький інтерстиціальний варіант Ti-6Al-4V ELI (клас 23) обмежує вміст кисню, заліза та водню для підвищення стійкості до пошкоджень для критичних застосувань. Бета-сплави, такі як Ti-10V-2Fe-3Al і Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, можна обробити розчином і зістарити для досягнення найвищих рівнів міцності серед титанових сплавів, з особливими перевагами в формуванні перед термообробкою.
2. Вимоги до хімічного складу
Хімічний склад пластин із титанового сплаву необхідно суворо контролювати, щоб забезпечити постійні механічні властивості та стійкість до корозії. Для Ti-6Al-4V (клас 5) вміст алюмінію коливається від 5,50 до 6,75 відсотка, а ванадію – від 3,50 до 4,50 відсотка. Залізо обмежено максимум 0,30%, кисень – 0,20%, вуглець – 0,08%, азот – 0,05%, водень – 0,015%. Сума всіх залишкових елементів не повинна перевищувати 0,40 відсотка.
Для класу ELI вміст алюмінію обмежено від 5,50 до 6,50 відсотка, заліза до 0,25 відсотка максимум, кисню до 0,13 відсотка та водню до 0,0125 відсотка. Ці знижені інтерстиціальні рівні значно покращують в’язкість до руйнування та пластичність, тому цей клас є обов’язковим для хірургічних імплантатів та критичних аерокосмічних структурних компонентів. Ti-5Al-2,5Sn (клас 6) допускає вміст алюмінію від 4,00 до 6,00 відсотків, олова від 2,00 до 3,00 відсотків, заліза до 0,50 відсотка та водню до 0,020 відсотка. Ліміт кисню відповідає стандартному Ti-6Al-4V і становить 0,20 відсотка.
3. Вимоги до механічних властивостей
При кімнатній температурі в поздовжньому напрямку плита Ti-6Al-4V повинна досягати мінімальної межі міцності на розрив 895 МПа, мінімальної межі текучості при зсуві 0,2 відсотка 828 МПа, мінімального подовження 10 відсотків і мінімального зменшення площі 25 відсотків. Варіант ELI зберігає ті самі вимоги щодо подовження та скорочення, але з дещо зниженими рівнями міцності: 860 МПа мінімальний межа міцності на розтяг і 795 МПа мінімальний межа текучості. Ti-5Al-2.5Sn вимагає мінімальної міцності на розрив 827 МПа, мінімальної межі текучості 759 МПа та відповідних показників пластичності.
Для роботи при підвищених температурах плита Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo повинна демонструвати мінімальну міцність на розрив 620 МПа при 315 градусах Цельсія, а опір повзучості перевірено при 425 градусах Цельсія. В'язкість до руйнування є критичним параметром для конструкції, стійкої до пошкоджень. Пластина Ti-6Al-4V ELI повинна досягати в’язкості K_IC до плоского руйнування принаймні 75 МПа квадратного кореня з метра, тоді як Ti-5Al-2.5Sn вимагає мінімум 55 МПа квадратного кореня з метра. Вимоги до енергії удару V-подібного вирізу Шарпі становлять 20 джоулів і 16 джоулів відповідно.
4. Допуски на розміри та обробка поверхні
Допуск на товщину залежить від товщини плити. Для пластин товщиною до 6,35 міліметрів стандартний допуск становить плюс-мінус 0,13 міліметра, а допуск на точність обмежений до плюс-мінус 0,08 міліметра. Від 6,35 до 25,4 міліметрів стандартний допуск становить плюс-мінус 0,25 міліметра з точністю плюс-мінус 0,13 міліметра. Для плит розміром від 25,4 міліметра до 50,8 міліметра стандартний допуск становить плюс-мінус 0,38 міліметра, а точний допуск — плюс-мінус 0,25 міліметра.
Допуск на ширину становить плюс 6,35 міліметра без мінуса за стандартних умов, збільшений до плюс 3,18 міліметра для точності. Допуск на довжину становить плюс 25 міліметрів стандарту, плюс 13 міліметрів з точністю. Площинність не повинна перевищувати 3,2 міліметра на метр відповідно до стандартних вимог або 1,6 міліметра на метр для прецизійної пластини. Вигин кромки обмежений до 3,2 міліметра на 3 метри стандарту та 1,6 міліметра на 3 метри точності.
Вимоги до обробки поверхні залежать від способу обробки. Шорсткість поверхні гарячекатаних листів Ra не повинна перевищувати 6,3 мікрометра. Для холоднокатаних або хімічно травлених плит Ra не перевищує 3,2 мікрометра. Для прецизійних-заземлених пластин Ra не перевищує 1,6 мікрометра.
5. Металургійні вимоги
Мікроструктура пластини з альфа-бета-титанового сплаву в стані-відпалу має складатися з рівновісної первинної альфа-фази, розподіленої в трансформованій бета-матриці. Неперервна альфа-фаза між зернами не допускається, оскільки вона погіршує пластичність і стійкість до втоми. Розмір зерна має бути ASTM 5 або дрібнішим, при цьому типове виробництво має досягати ASTM 6–8. Альфа-корпус, цей твердий-збагачений киснем поверхневий шар, який утворюється під час високо-температурної обробки, має бути повністю видалено. Перевірка вимагає мікро{10}}профілю твердості, що не показує стрибків твердості на поверхні, або металографічного дослідження, яке підтверджує відсутність альфа{11}}стабілізованого шару.
Бета-плями, які є локалізованими областями збагачення бета-стабілізатором, заборонені в критичних аерокосмічних програмах. Їх виявляють за допомогою макро-інспекції травлення з використанням відповідних реагентів. Вміст включень оцінюється відповідно до методу A ASTM E45 з максимально допустимими рівнями A2, B2, C2 і D2 для тонких, важких, силікатних і глобулярних оксидних включень відповідно.
6. Вимоги до не-руйнівного контролю
Ультразвукове випробування є обов’язковим для всіх пластин товщиною 6,35 міліметрів і товщі, яке проводиться відповідно до критеріїв AMS-STD-2154 класу A. Жодна індикація, що перевищує еквівалент отвору з плоским дном розміром 3,2 міліметра, неприйнятна. Випробування на проникнення барвників застосовується до всіх оброблених поверхонь згідно з ASTM E1417, без лінійних ознак, що перевищують довжину 3,2 міліметра. Радіографічне випробування зарезервовано для зварних або ремонтних ділянок відповідно до ASTM E1742. Випробування вихровими струмами може замінити ультразвукове випробування на тонких пластинах менше 6,35 міліметрів відповідно до процедур ASTM E426 із чутливістю, встановленою за домовленістю між покупцем і постачальником.
7. Умови термічної обробки
Відпалена пластина обробляється при температурі від 704 до 760 градусів Цельсія з наступним охолодженням на повітрі. Ця умова забезпечує збалансовані властивості для загальних застосувань. Дуплексний відпал включає обробку розчину при 954 градусах Цельсія з загартовуванням у воді, а потім охолодження повітрям при 538 градусах Цельсія, що покращує міцність на руйнування для -стійких до пошкоджень конструкцій. Плита, оброблена розчином і зістарена, досягає максимальної міцності завдяки обробці при 927 градусах Цельсія з гартуванням водою, а потім витримці при 538 градусах Цельсія протягом 4-8 годин. Бета-відпал при 1010 градусах Цельсія з повітряним охолодженням з подальшою стабілізацією при 760 градусах Цельсія створює трансформовану бета-мікроструктуру, оптимізовану для опору повзучості в аерокосмічних двигунах. Зняття напруги при температурі від 538 до 649 градусів Цельсія слідує за операціями обробки або формування.
Уся термічна обробка має відбуватися у вакуумі при тиску від 10 до мінус 3 мілібар або краще або в атмосфері аргону високої-чистості. Будь-який альфа-корпус, що утворився під час термічної обробки, повинен бути повністю видалений перед остаточною перевіркою.
8. Стандарти, на які посилаються
Основною специфікацією для пластини з титанового сплаву є ASTM B265, яка охоплює смуги, листи та пластини з титану та титанових сплавів. Цей стандарт визначає межі хімічного складу, вимоги до механічних властивостей, допуски на розміри та загальні положення щодо якості. ASTM B348 для прутків і заготовок містить додаткові посилання на механічні випробування.
Для методології механічних випробувань ASTM E8 і E8M регулюють випробування на розтягнення металевих матеріалів. Перевірка твердості відповідає ASTM E18 для твердості за Роквеллом або ASTM E10 для твердості за Брінеллем. Для оцінки вмісту включень використовується стандарт ASTM E45, адаптований для титанових сплавів. Вимірювання розміру зерна відповідає ASTM E112. Мікро-профіль твердості згідно з ASTM E384 виявляє залишковий альфа-регістр. Підготовка металографічного зразка та травлення відповідають ASTM E3 та ASTM E407 відповідно.
Стандарти не{0}}неруйнівного контролю включають ASTM E1417 для рідких проникаючих випробувань, ASTM E1742 для радіографічного дослідження та ASTM E426 для електромагнітних вихрових струмів для випробувань тонких виробів. Рекомендації щодо підготовки поверхні та видалення накипу містяться в ASTM B600.
Технічні характеристики аерокосмічних матеріалів передбачають суворіші вимоги для-важливих польотів. AMS 4907 покриває пластину Ti-6Al-4V у відпаленому стані. AMS 4911 стосується обробленої розчином і зістареної пластини Ti-6Al-4V. AMS 4930 визначає надзвичайно низьку інтерстиціальну пластину Ti-6Al-4V. AMS 4940 стосується пластин Ti-5Al-2,5Sn. AMS 4943 охоплює пластину з бета-сплаву Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 стосується пластини з майже альфа-сплаву Ti-8Al-1Mo-1V. Критерії прийнятності ультразвукового контролю визначені в AMS-STD-2154.
Застарілі військові специфікації включають MIL-T-9046 для титанового листа, стрічки та плити та MIL-T-9047 для прутків і поковок. Екологічні випробування відповідають стандарту MIL-STD-810.
Міжнародні стандарти включають ISO 5832-3 для кованих хірургічних імплантатів із сплаву Ti-6Al-4V та ISO 5832-10 для імплантатів зі сплаву Ti-5Al-2,5Fe. Британські стандарти BS 2TA 2 і BS 2TA 11 охоплюють лист і плиту Ti-6Al-4V. Німецький стандарт DIN 17850 містить технічні характеристики для деформованих титанових сплавів. Японський JIS H4600 стосується листів, пластин і смуг. Китайський національний стандарт GB/T 3621 і військовий стандарт GJB 2505A застосовуються до пластин з авіаційного титанового сплаву.
9. Спеціальні-вимоги до програми
Аерокосмічні конструкції вимагають даних про втому за -циклів, аналізу стійкості до пошкоджень і відповідності рівня A NDT відповідно до AMS 4907, AMS 4911 і AMS-STD-2154. Компоненти аерокосмічного двигуна вимагають міцності на розтягнення при підвищеній температурі, перевірки опору повзучості та випробування на термічну стабільність відповідно до AMS 4945 та ASTM E139.
Застосування медичних імплантатів передбачає обов’язкове тестування на біосумісність, включаючи аналізи на цитотоксичність і сенсибілізацію, з обов’язковим використанням матеріалу класу ELI відповідно до ISO 5832-3, ASTM F136 і ASTM F1472. Обладнання для хімічної обробки потребує валідації на корозійну стійкість у певних технологічних середовищах і продемонстрованої зварюваності відповідно до ASTM B265, ASTM G28 і NACE MR0175 або ISO 15156. Морські та офшорні споруди мають протистояти корозії морської води та продемонструвати сумісність із системами катодного захисту згідно ASTM B265 та DNV-OS-B401. Ядерні програми контролюють поперечний переріз поглинання нейтронів, радіаційну стабільність і вміст мікроелементів відповідно до розділу II частини D Кодексу ASME для котлів і посудин під тиском.
10. Сертифікація та документація
Кожна виробнича партія повинна супроводжуватися Сертифікатом випробувань на заводі, в якому документуються результати хімічного аналізу, результати випробування механічних властивостей, відстеження числа нагрівання та фактичні виміряні розміри. Цей сертифікат є обов’язковим згідно з ASTM B265. Сертифікати не-неруйнівного контролю повідомляють про результати ультразвукового, пенетрантного або радіографічного контролю із записами про кваліфікацію оператора. Металургійні звіти включають мікрофотографії мікроструктури, виміряний розмір зерна та рейтинги включень для критичних застосувань. Сертифікати термічної обробки документують параметри циклу, тип атмосфери та записи про калібрування термопари. Повні звіти про відстеження встановлюють походження матеріалу, практику плавлення та повну історію обробки, що важливо для відповідності нормативним вимогам для аерокосмічної та медичної техніки.
