Toplinska obrada titana i legura titana (1)
Toplinska obrada je proces pri kojem se kontrolirano zagrijavanje i hlađenje metala izvodi pod vrlo preciznim uvjetima okoline kako bi se promijenile fizičke ili mehaničke karakteristike metala bez promjene oblika proizvoda. Ako toplinska obrada nije obavljena ispravno, metal možda neće postići željena svojstva potrebna za ispunjavanje specifikacija inženjerskog dizajna.
Toplinska obrada obično se povezuje s povećanjem čvrstoće materijala, ali se također često koristi za poboljšanje obradivosti, poboljšanja sposobnosti oblikovanja, povećanja duktilnosti ili povećanja otpornosti na koroziju. Stoga je to kritičan proces koji osigurava postizanje navedenih karakteristika metala.
Prednosti toplinske obrade legura titana:
Smanjite zaostala naprezanja nastala tijekom izrade (olakšavanje stresa)
Proizvesti optimalnu kombinaciju duktilnosti, obradivosti i dimenzionalne i strukturne stabilnosti (žarenje)
Povećajte snagu (liječenje otopinom i starenje)
Optimizirajte posebna svojstva kao što su žilavost loma, čvrstoća na zamor i otpornost na puzanje pri visokim temperaturama
Ublažavanje naprezanja od titana
Titan i legure titana mogu se osloboditi naprezanja bez negativnog utjecaja na čvrstoću ili duktilnost.
Tretmani za ublažavanje naprezanja smanjuju nepoželjna zaostala naprezanja koja proizlaze iz prvo, nejednolikog vrućeg kovanja ili deformacije od hladnog oblikovanja i ravnanja, drugo, asimetrične strojne obrade ploče ili otkivaka, i, treće, zavarivanja i hlađenja odljevaka. Uklanjanje takvih naprezanja pomaže u održavanju stabilnosti oblika i eliminira nepovoljne uvjete, kao što je gubitak tlačne čvrstoće tečenja poznat kao Bauschingerov efekt.
Ublažavanje naprezanja vjerojatno je najčešća toplinska obrada titana i titanovih legura. Koristi se za smanjenje nepoželjnih zaostalih naprezanja koja su posljedica nejednolike deformacije vrućeg kovanja, nejednolikog hladnog oblikovanja i ravnanja, asimetrične strojne obrade ploča (udubljenja) ili otkovaka, zavarivanja kovanih, lijevanih ili dijelova metalurgije praha (P/M) i hlađenje odljevaka.
Ublažavanje naprezanja pomaže u održavanju stabilnosti oblika i također može eliminirati nepovoljne uvjete kao što je gubitak tlačne čvrstoće tečenja - Bauschingerov učinak - koji može biti posebno ozbiljan kod legura titana. Ublažavanje naprezanja može se izvesti bez negativnog utjecaja na čvrstoću ili duktilnost.
Žarenje
Žarenje titana i titanovih legura prvenstveno služi za povećanje lomne žilavosti, duktilnosti na sobnoj temperaturi, dimenzionalne i toplinske stabilnosti te otpornosti na puzanje. Mnoge legure titana stavljaju se u rad u žarenom stanju. Budući da se poboljšanje jednog ili više svojstava općenito postiže na račun nekog drugog svojstva, ciklus žarenja treba odabrati u skladu s ciljem obrade.
Uobičajeni tretmani žarenja su:
Žarenje u mlinu je postupak opće namjene za sve proizvode mlina. To nije potpuno žarenje i može ostaviti tragove hladne ili tople obrade u mikrostrukturama teško obrađenih proizvoda, posebno ploča.
Dupleksno žarenje mijenja oblike, veličine i raspodjele faza na one potrebne za poboljšanu otpornost na puzanje ili otpornost na lom. U dvostrukom žarenju legure Corona 5, na primjer, prvo žarenje je u blizini transusa kako bi se deformirano globulariziralo i smanjio njegov volumenski udio. Nakon toga slijedi drugo, nižetemperaturno žarenje kako bi se istaložile nove leće (igličaste) između kuglastih čestica. Ovo formiranje iglica povezano je s poboljšanjima čvrstoće puzanja i otpornosti na lom.
Za poboljšanje lomne žilavosti koriste se rekristalizacijsko žarenje i žarenje. U rekristalizacijskom žarenju, legura se zagrijava do gornje granice - raspona, drži neko vrijeme, a zatim se vrlo sporo hladi. Posljednjih godina, rekristalizacijsko žarenje zamijenilo je žarenje za komponente konstrukcije zrakoplova kritične za lom.
(Beta) Žarenje. Poput rekristalizacijskog žarenja, žarenje poboljšava otpornost na lom. Beta žarenje se provodi na temperaturama iznad transusa legure koja se žari. Kako bi se spriječio prekomjerni rast zrna, temperatura za žarenje treba biti samo malo viša od transusa. Vrijeme žarenja ovisi o debljini presjeka i mora biti dovoljno za potpunu transformaciju. Vrijeme na temperaturi nakon pretvorbe treba svesti na minimum kako bi se kontrolirao rast zrna. Veće dijelove treba hladiti ventilatorom ili kaliti vodom kako bi se spriječilo stvaranje faze na granicama zrna.
Rješenje za liječenje i starenje
Širok raspon razina čvrstoće može se postići u - ili legurama obradom u otopini i starenjem. S izuzetkom jedinstvene legure Ti-2.5Cu, podrijetlo reakcija toplinske obrade legura titana leži u nestabilnosti visokotemperaturne faze pri nižim temperaturama.
Zagrijavanje - legure do temperature za obradu otopine proizvodi veći omjer faze. Ova podjela faza održava se kaljenjem; pri daljnjem starenju dolazi do razgradnje nestabilne faze, čime se postiže visoka čvrstoća. Komercijalne legure općenito se isporučuju u stanju tretiranom otopinom i potrebno ih je samo odležati. Obrada otopinom titanovih legura općenito uključuje zagrijavanje do temperatura malo iznad ili malo ispod transus temperature.
(Beta) legure obično se dobivaju od proizvođača u stanju obrađenom otopinom. Ako je potrebno ponovno zagrijavanje, vremena namakanja trebaju biti samo onoliko koliko je potrebno da se dobije potpuna otopina. Temperature obrade otopina za legure su iznad transusa; budući da nije prisutna druga faza, rast zrna može napredovati brzo.
- (Alfa-beta) legure. Odabir temperature za obradu otopine za - legure temelji se na kombinaciji željenih mehaničkih svojstava nakon starenja. Promjena temperature otopine - legura mijenja količinu faze i posljedično mijenja odgovor na starenje.
Da bi se dobila visoka čvrstoća s odgovarajućom duktilnošću, potrebno je otopinu tretirati na temperaturi visokoj u polju, normalno 25 do 85 stupnjeva (50 do 150 stupnjeva F) ispod transus legure. Ako je potrebna visoka otpornost na lom ili poboljšana otpornost na naponsku koroziju, može biti poželjno žarenje ili obrada otopinom. Međutim, toplinska obrada - legura u rasponu uzrokuje značajan gubitak u duktilnosti. Ove legure obično se toplinski obrađuju u otopini ispod transusa kako bi se postigla optimalna ravnoteža duktilnosti, žilavosti loma, puzanja i svojstava pucanja pod naprezanjem.
Gašenje
Ako se legure brzo ohlade kaljenjem vodom iz potpuno beta područja, tendencija stvaranja alfa faze se potiskuje, a beta faza se zadržava. Određeni sastavi legura, međutim, pokazuju osebujnu transformaciju pri kaljenju. Ovaj mehanizam martenzitne ili smične transformacije nije u potpunosti shvaćen. Formiranje ove strukture, takozvanog alfa broja, uzrokuje izvjesnu distorziju rešetke. Ovo izobličenje i rezultirajuće naprezanje proizvode materijal koji je tvrd i žilav i ima bolja svojstva zamora od alfa. Ovaj proces kaljenja također je početna točka za kaljenje.
Kaljenje
Kad se titan ohladi na povišenoj temperaturi, ponovno zagrije na temperaturu ispod beta transusa, drži neko vrijeme i ponovno ohladi, kaže se da je kaljen. U kaljenju postoje tri varijable: prisutne faze, vrijeme zadržavanja i temperatura kaljenja.
Kada početna struktura sadrži alfa-prim, dolazi do dvije promjene: alfa-prim se transformira u alfa, a u dužim vremenima alfa postaje nazubljen. Rezultat je gubitak tvrdoće i čvrstoće te povećanje duktilnosti i udarca. Alfa-beta strukture, međutim, ne slijede ovaj obrazac. Alfa prvenstveno ostaje nepromijenjena; beta se razgrađuje da bi se stvorilo više alfa na račun beta faze. Na niskim temperaturama formirat će se više alfa; stoga niske temperature kaljenja rezultiraju većim smanjenjem čvrstoće i tvrdoće i većim povećanjem duktilnosti nego kaljenje na visokim temperaturama u istim vremenskim intervalima.
Izotermna transformacija
Pri vrućem kaljenju legure iz cijelog beta područja na temperature u alfa-beta polju i držanju određeno vrijeme, a zatim daljnjem kaljenju do sobne temperature, materijal se transformira izotermno. Tretman na ovaj način uzrokuje taloženje alfa faze iz beta. Na visokim temperaturama alfa se prvo taloži na granicama zrna, a kasnije unutar samih beta zrna.
Ova obrada, kada se drži na temperaturama neposredno ispod temperature transformacije, isprva daje vrlo tvrd materijal zbog stvaranja beta primesa. Ako se vrijeme držanja produlji, dolazi do smanjenja tvrdoće i čvrstoće uz popratni porast duktilnosti i žilavosti. Pri nižim temperaturama dolazi do postupnog porasta tvrdoće i lomljivosti, a tijekom duljeg vremena može se postići veća tvrdoća nego kratkotrajnim tretmanima na visokoj temperaturi.
(nastavit će se)
