Термична обработка на титан и титанови сплави (1)
Термичната обработка е процес, при който контролирано нагряване и охлаждане на метали се извършва при много точни условия на околната среда, за да се променят физическите или механичните характеристики на метала, без да се променя формата на продукта. Ако топлинната обработка не е извършена правилно, металът може да не постигне желаните свойства, необходими за постигане на спецификацията на инженерния дизайн.
Топлинната обработка обикновено се свързва с увеличаване на якостта на материала, но също така често се използва за подобряване на обработваемостта, подобряване на възможността за формоване, увеличаване на пластичността или повишаване на устойчивостта на корозия. Следователно това е критичен процес, който гарантира постигането на определените характеристики на метала.
Предимствата на термичната обработка на титанови сплави:
Намаляване на остатъчните напрежения, развити по време на производството (облекчаване на стреса)
Създайте оптимална комбинация от пластичност, обработваемост и стабилност на размерите и структурата (отгряване)
Увеличете силата (третиране с разтвор и стареене)
Оптимизирайте специалните свойства като якост на счупване, якост на умора и якост на пълзене при висока температура
Облекчаване на стреса от титан
Титанът и титановите сплави могат да бъдат облекчени от напрежението, без това да повлияе неблагоприятно на здравината или пластичността.
Обработките за облекчаване на напрежението намаляват нежеланите остатъчни напрежения, които са резултат от първо, неравномерно горещо коване или деформация от студено формоване и изправяне, второ, асиметрична обработка на плочи или изковки и, трето, заваряване и охлаждане на отливки. Премахването на такива напрежения спомага за поддържане на стабилността на формата и елиминира неблагоприятни условия, като загубата на якост на провлачване при натиск, известна като ефект на Баушингер.
Облекчаването на напрежението е може би най-честата топлинна обработка, подлагана на титан и титанови сплави. Използва се за намаляване на нежеланите остатъчни напрежения, които са резултат от неравномерна деформация при горещо коване, неравномерно студено формоване и изправяне, асиметрична обработка на плочи (изрезки) или изковки, заваряване на ковани, ляти или части от праховата металургия (P/M) и охлаждане на отливки.
Облекчаването на напрежението помага да се поддържа стабилността на формата и също така може да елиминира неблагоприятни условия като загуба на якост на провлачване при натиск - ефектът на Баушингер - който може да бъде особено тежък при титановите сплави. Облекчаването на напрежението може да се извърши, без да се повлияе неблагоприятно на здравината или пластичността.
Отгряване
Отгряването на титан и титанови сплави служи основно за увеличаване на якостта на счупване, пластичността при стайна температура, стабилността на размерите и термичната стабилност и устойчивостта на пълзене. Много титанови сплави се пускат в експлоатация в отгрято състояние. Тъй като подобряването на едно или повече свойства обикновено се получава за сметка на друго свойство, цикълът на отгряване трябва да бъде избран според целта на обработката.
Обичайните лечения за отгряване са:
Мелничното отгряване е обработка с общо предназначение, прилагана за всички мелнически продукти. Това не е пълно отгряване и може да остави следи от студена или топла обработка в микроструктурите на силно обработени продукти, особено листове.
Дуплексното отгряване променя формите, размерите и разпределението на фазите до тези, необходими за подобрена устойчивост на пълзене или якост на счупване. При дуплексното отгряване на сплавта Corona 5, например, първото отгряване е близо до трансуса, за да се глобуларизира деформираното и да се минимизира неговата обемна част. Това е последвано от второ, по-нискотемпературно отгряване, за да се утаят нови лещовидни (игловидни) между глобуларните частици. Това образуване на игли се свързва с подобрения в якостта на пълзене и якостта на счупване.
Рекристализацията и отгряването се използват за подобряване на якостта на счупване. При рекристализационно отгряване сплавта се нагрява до горния край на диапазона, задържа се за известно време и след това се охлажда много бавно. През последните години рекристализационното отгряване замени отгряването за критични за счупване компоненти на корпуса на самолета.
(Бета) Отгряване. Подобно на рекристализационното отгряване, отгряването подобрява якостта на счупване. Бета отгряването се извършва при температури над трансуса на сплавта, която се отгрява. За да се предотврати прекомерният растеж на зърната, температурата за отгряване трябва да бъде само малко по-висока от трансуса. Времената за отгряване зависят от дебелината на сечението и трябва да са достатъчни за пълна трансформация. Времето при температура след трансформацията трябва да се сведе до минимум, за да се контролира растежа на зърното. По-големите секции трябва да се охладят с вентилатор или да се закалят с вода, за да се предотврати образуването на фаза по границите на зърната.
Решение за лечение и стареене
Могат да бъдат получени широк диапазон от нива на якост в - или сплави чрез обработка с разтвор и стареене. С изключение на уникалната сплав Ti-2.5Cu, произходът на реакциите на топлинна обработка на титаниеви сплави се крие в нестабилността на високотемпературната фаза при по-ниски температури.
Нагряването на - сплав до температурата на обработка на разтвора води до по-високо съотношение на фазите. Това разделяне на фазите се поддържа чрез закаляване; при последващо стареене настъпва разлагане на нестабилната фаза, осигуряваща висока якост. Търговските сплави обикновено се доставят в състояние, обработено с разтвор, и трябва само да стареят. Третирането с разтвор на титанови сплави обикновено включва нагряване до температури или малко над или малко под температурата на трансус.
(Бета) сплавите обикновено се получават от производители в състояние, обработено с разтвор. Ако се налага повторно нагряване, времето за накисване трябва да е толкова дълго, колкото е необходимо за получаване на пълно разтваряне. Температурите за обработка на разтвора за сплави са над трансуса; тъй като няма втора фаза, растежът на зърното може да продължи бързо.
- (Алфа-бета) сплави. Изборът на температура за обработка на разтвора за - сплави се основава на комбинацията от механични свойства, желани след стареене. Промяната в температурата на обработка на разтвора на - сплавите променя количествата на фазата и следователно променя реакцията към стареене.
За да се получи висока якост с адекватна пластичност, е необходимо разтворът да се третира при висока температура в областта, обикновено 25 до 85 градуса (50 до 150 градуса F) под трансуса на сплавта. Ако се изисква висока якост на счупване или подобрена устойчивост на корозия под напрежение, може да е желателно отгряване или третиране с разтвор. Въпреки това термичната обработка на сплавите в този диапазон води до значителна загуба на пластичност. Тези сплави обикновено са термично обработени в разтвор под трансуса, за да се получи оптимален баланс на пластичност, якост на счупване, пълзене и свойства на разкъсване под напрежение.
Закаляване
Ако сплавите се охлаждат бързо чрез закаляване с вода от цялата бета област, склонността на алфа фазата да се образува се потиска и бета фазата се запазва. Някои състави на сплави обаче показват специфична трансформация при закаляване. Този механизъм на мартензитна или подобна на срязване трансформация не е напълно разбран. Образуването на тази структура, т. нар. алфа прайм, причинява известно изкривяване на решетката. Това изкривяване и полученото напрежение произвеждат материал, който е твърд и жилав и притежава по-добри свойства на умора от алфа. Този процес на охлаждане е и началната точка за темпериране.
Закаляване
Когато титанът се охлади от повишена температура, отново се загрее до температура под бета трансус, държи се за известно време и отново се охлади, се казва, че е темпериран. При темперирането съществуват три променливи: наличните фази, времето на задържане и температурата на темпериране.
Когато първоначалната структура съдържа алфа прайм, настъпват две промени: алфа прайм се трансформира в алфа и при по-дълги времена алфата става назъбена. Резултатът е загуба на твърдост и здравина и увеличаване на пластичността и удара. Алфа-бета структурите обаче не следват този модел. Алфата основно остава непроменена; бета се разлага, за да образува повече алфа за сметка на бета фазата. При ниски температури ще се образува повече алфа; по този начин ниските температури на темпериране водят до по-голямо намаляване на якостта и твърдостта и по-голямо увеличение на пластичността, отколкото високотемпературното темпериране за еднакви интервали от време.
Изотермична трансформация
При горещо охлаждане на сплав от цялата бета област до температури в алфа-бета полето и задържане за определен период от време и след това допълнително охлаждане до стайна температура, материалът се трансформира изотермично. Третирането по този начин предизвиква утаяване на алфа фазата от бета. При високи температури алфа се утаява първо по границите на зърната и по-късно в самите бета зърна.
Тази обработка, когато се държи при температури малко под температурата на трансформация, първоначално дава много твърд материал поради образуването на бета прайм. Ако времето на задържане се удължи, твърдостта и якостта намаляват със съпътстващо увеличаване на пластичността и якостта. При по-ниски температури настъпва постепенно повишаване на твърдостта и крехкостта, а при по-продължителни периоди от време може да се получи по-висока твърдост, отколкото при краткотрайни високотемпературни обработки.
(следва продължение)
