Titaanin ja titaaniseosten lämpökäsittely (1)

Lämpökäsittely on prosessi, jossa metallien hallittua lämmitystä ja jäähdytystä suoritetaan erittäin tarkoissa ympäristöolosuhteissa metallin fysikaalisten tai mekaanisten ominaisuuksien muuttamiseksi muuttamatta tuotteen muotoa. Jos lämpökäsittelyä ei tehdä oikein, metalli ei välttämättä saavuta toivottuja ominaisuuksia, joita tarvitaan insinöörien suunnitteluspesifikaatioiden täyttämiseen.
Lämpökäsittely liittyy tyypillisesti materiaalin lujuuden lisäämiseen, mutta sitä käytetään usein myös työstettävyyden parantamiseen, muovattavuuden parantamiseen, sitkeyden lisäämiseen tai korroosionkestävyyden lisäämiseen. Siksi se on kriittinen prosessi, joka varmistaa, että metallille määritellyt ominaisuudet saavutetaan.

Titaaniseosten lämpökäsittelyn edut:

Vähennä valmistuksen aikana syntyviä jäännösjännityksiä (jännityksen lievitys)
Tuottaa optimaalisen yhdistelmän taipuisuutta, työstettävyyttä sekä mitta- ja rakennestabiiliutta (hehkutus)
Lisää voimaa (liuoskäsittely ja ikääntyminen)

Optimoi erikoisominaisuudet, kuten murtolujuus, väsymislujuus ja virumislujuus korkeissa lämpötiloissa

Stressiä lievittävä titaani

Titaani ja titaaniseokset voidaan vähentää jännitystä vaikuttamatta haitallisesti lujuuteen tai sitkeyteen.

Jännitystä lieventävät käsittelyt vähentävät ei-toivottuja jäännösjännitykset, jotka johtuvat ensinnäkin epätasaisesta kuumatakomisesta tai kylmämuovauksen ja oikaisun aiheuttamasta muodonmuutoksesta, toiseksi levyn tai takeiden epäsymmetrisestä työstyksestä ja kolmanneksi valukappaleiden hitsauksesta ja jäähdytyksestä. Tällaisten jännitysten poistaminen auttaa säilyttämään muodon pysyvyyden ja eliminoi epäsuotuisat olosuhteet, kuten puristusmyötölujuuden menetyksen, joka tunnetaan yleisesti nimellä Bauschinger-ilmiö.

Stressinpoisto on luultavasti yleisin titaanin ja titaaniseosten lämpökäsittely. Sitä käytetään vähentämään ei-toivottuja jäännösjännityksiä, jotka johtuvat epätasaisesta kuumatakomisen muodonmuutoksesta, epätasaisesta kylmämuovauksesta ja oikaisusta, levyjen (hogouts) tai takeiden epäsymmetrisestä työstyksestä, tako-, valu- tai jauhemetallurgisten (P/M) osien hitsauksesta ja valukappaleiden jäähdytys.

Stressinpoisto auttaa ylläpitämään muodon vakautta ja voi myös eliminoida epäsuotuisat olosuhteet, kuten puristusmyötölujuuden menetyksen - Bauschinger-ilmiön - jotka voivat olla erityisen vakavia titaaniseoksissa. Stressinpoisto voidaan suorittaa vaikuttamatta haitallisesti lujuuteen tai taipuisuuteen.

Hehkutus

Titaanin ja titaaniseosten hehkutuksen tarkoituksena on ensisijaisesti lisätä murtolujuutta, sitkeyttä huoneenlämpötilassa, mitta- ja lämpöstabiilisuutta sekä virumiskestävyyttä. Monet titaaniseokset otetaan käyttöön hehkutetussa tilassa. Koska parannus yhteen tai useampaan ominaisuuteen saadaan yleensä jonkin muun ominaisuuden kustannuksella, hehkutusjakso tulee valita käsittelyn tavoitteen mukaan.
Yleisiä hehkutushoitoja ovat:

Tehdashehkutus on kaikille myllytuotteille tarkoitettu yleiskäsittely. Se ei ole täyshehkutus, ja se voi jättää jälkiä kylmästä tai lämpimästä työstyksestä voimakkaasti käsiteltyjen tuotteiden, erityisesti arkkien, mikrorakenteisiin.

Duplex-hehkutus muuttaa vaiheiden muotoa, kokoa ja jakautumista sellaisiksi, joita tarvitaan parantuneen virumiskestävyyden tai murtumislujuuden saavuttamiseksi. Esimerkiksi Corona 5 -lejeeringin duplex-hehkutuksessa ensimmäinen hehkutus on lähellä transusta, jotta muotoutuneesta osasta tulee pallomainen ja minimoi sen tilavuusosuus. Tätä seuraa toinen, alemman lämpötilan hehkutus uusien linssimäisten (neulamaisten) saostamiseksi pallomaisten hiukkasten väliin. Tämä neulatuman muodostuminen liittyy virumislujuuden ja murtolujuuden paranemiseen.

Uudelleenkiteytyshehkutusta ja hehkutusta käytetään murtolujuuden parantamiseen. Uudelleenkiteytyshehkutuksessa metalliseos kuumennetaan -alueen yläpäähän, pidetään jonkin aikaa ja jäähdytetään sitten hyvin hitaasti. Viime vuosina uudelleenkiteytyshehkutus on korvannut murtumiskriittisten lentokoneen rungon osien hehkutuksen.

(Beta) Hehkutus. Kuten uudelleenkiteytyshehkutus, hehkutus parantaa murtolujuutta. Beetahehkutus tehdään lämpötiloissa, jotka ovat hehkutettavan lejeeringin transus-arvoa korkeammissa lämpötiloissa. Liiallisen jyvän kasvun estämiseksi hehkutuslämpötilan tulisi olla vain hieman korkeampi kuin transus. Hehkutusajat riippuvat poikkileikkauksen paksuudesta ja niiden pitäisi olla riittäviä täydelliseen muutokseen. Lämpötila-aika muuntamisen jälkeen tulee pitää minimissä jyvien kasvun hallitsemiseksi. Suuremmat osat tulee jäähdyttää tuulettimella tai sammuttaa vedellä, jotta estetään faasin muodostuminen raerajoille.

Ratkaisu Hoito ja ikääntyminen

Liuoskäsittelyllä ja vanhentamalla voidaan saada laaja valikoima lujuustasoja tai seoksiin. Ainutlaatuista Ti-2.5Cu-seosta lukuun ottamatta titaaniseosten lämpökäsittelyvasteiden alkuperä on korkean lämpötilan faasin epävakaus alhaisemmissa lämpötiloissa.
Seoksen kuumentaminen liuoskäsittelylämpötilaan tuottaa suuremman faasisuhteen. Tätä vaiheiden osiointia ylläpidetään sammutuksella; myöhemmässä vanhenemisessa tapahtuu epästabiilin faasin hajoamista, mikä tarjoaa suuren lujuuden. Kaupalliset seokset toimitetaan yleensä liuoskäsiteltyinä, ja niitä tarvitsee vain vanhentaa. Titaaniseosten liuoskäsittelyyn kuuluu yleensä kuumennus lämpötiloihin, jotka ovat joko hieman transuslämpötilan ylä- tai alapuolella.
(Beta) seokset saadaan tavallisesti tuottajilta liuoskäsiteltyinä. Jos uudelleenlämmitystä tarvitaan, liotusaikojen tulisi olla vain niin pitkiä kuin on tarpeen täydellisen liukenemisen saavuttamiseksi. Seosten liuoskäsittelylämpötilat ovat transuksen yläpuolella; koska toista vaihetta ei ole läsnä, jyvien kasvu voi edetä nopeasti.
- (alfa-beta) seokset. Liuoskäsittelylämpötilan valinta - metalliseoksille perustuu vanhentamisen jälkeen toivottujen mekaanisten ominaisuuksien yhdistelmään. Muutos -seosten liuoskäsittelylämpötilassa muuttaa faasin määriä ja sen seurauksena reagointia ikääntymiseen.
Korkean lujuuden ja riittävän taipuisuuden saavuttamiseksi on välttämätöntä suorittaa liuoskäsittely korkeassa lämpötilassa - kentällä, normaalisti 25 - 85 astetta (50 - 150 astetta F) lejeeringin läpimenon alapuolella. Jos vaaditaan suurta murtolujuutta tai parempaa kestävyyttä jännityskorroosiota vastaan, hehkutus tai liuoskäsittely voi olla toivottavaa. Kuitenkin lämpökäsittely - sarjan metalliseokset aiheuttavat merkittävän taipuvuuden menetyksen. Nämä seokset ovat yleensä liuoslämpökäsitelty transuksen alapuolella, jotta saavutetaan optimaalinen tasapaino sitkeys, murtumissitkeys, viruminen ja jännitysmurtumisominaisuudet.

Sammutus

Jos lejeeringit jäähdytetään nopeasti vesisammuttamalla koko beeta-alueelta, alfafaasin taipumus muodostua estyy ja beetafaasi säilyy. Tietyillä seoskoostumuksilla on kuitenkin erikoinen muutos sammutettaessa. Tätä martensiittisen tai leikkausmaisen transformaation mekanismia ei täysin ymmärretä. Tämän rakenteen, ns. alfa-alkuluvun, muodostuminen aiheuttaa jonkin verran hilan vääristymistä. Tämä vääristymä ja siitä aiheutuva venymä muodostavat materiaalin, joka on kovaa ja sitkeää ja jolla on paremmat väsymisominaisuudet kuin alfalla. Tämä karkaisuprosessi on myös karkaisun alkupiste.

Karkaisu

Kun titaani sammutetaan korotetusta lämpötilasta, lämmitetään uudelleen beetatransuksen alapuolelle, pidetään pitkään ja sammutetaan uudelleen, sen sanotaan olleen karkaistu. Karkaisussa on kolme muuttujaa: läsnä olevat vaiheet, pitoaika ja karkaisulämpötila.

Kun alkuperäinen rakenne sisältää alfa-alkuluvun, tapahtuu kaksi muutosta: alfa-alkuluku muuttuu alfaksi, ja pitemmillä aikoina alfasta tulee sahalaitainen. Seurauksena on kovuuden ja lujuuden menetys sekä taipuisuuden ja iskun lisääntyminen. Alfa-beta-rakenteet eivät kuitenkaan noudata tätä mallia. Alfa pysyy ensisijaisesti ennallaan; beeta hajoaa muodostaen lisää alfaa beetavaiheen kustannuksella. Alhaisissa lämpötiloissa muodostuu enemmän alfaa; näin ollen alhaiset karkaisulämpötilat johtavat suurempaan lujuuden ja kovuuden heikkenemiseen ja suurempaan sitkeyteen kuin korkean lämpötilan karkaisu identtisin aikavälein.

Isoterminen muunnos

Kun seos kuumennetaan all-beeta-alueelta alfa-beta-kentän lämpötiloihin ja pidetään jonkin aikaa ja sitten edelleen sammutetaan huoneenlämpötilaan, materiaali muuttuu isotermisesti. Tällä tavalla käsittely saa aikaan alfafaasin saostumisen beetasta. Korkeissa lämpötiloissa alfa saostuu ensin raerajoilla ja myöhemmin itse beetarakeiden sisällä.
Tämä käsittely, kun se pysyy lämpötiloissa juuri transformaatiolämpötilan alapuolella, antaa aluksi erittäin kovan materiaalin beetaprime:n muodostumisen vuoksi. Jos pitoaikaa pidennetään, kovuus ja lujuus heikkenevät samalla kun sitkeys ja sitkeys lisääntyvät. Alemmissa lämpötiloissa tapahtuu asteittaista kovuuden ja haurauden nousua, ja pitkittyneenä aikana voidaan saada suurempi kovuus kuin lyhytaikaisilla korkean lämpötilan käsittelyillä.

(Jatkuu)