Tepelné zpracování titanu a titanových slitin (1）

Tepelné zpracování je proces, při kterém se řízený ohřev a ochlazování kovů provádí za velmi přesných podmínek prostředí, aby se změnily fyzikální nebo mechanické vlastnosti kovu, aniž by se změnil tvar produktu. Pokud není tepelné zpracování provedeno správně, kov nemusí dosáhnout požadovaných vlastností potřebných ke splnění specifikace návrhu inženýrů.
Tepelné zpracování je obvykle spojeno se zvýšením pevnosti materiálu, ale také se často používá ke zlepšení obrobitelnosti, zlepšení tvařitelnosti, zvýšení tažnosti nebo zvýšení odolnosti proti korozi. Jedná se tedy o kritický proces, který zajišťuje dosažení specifikovaných vlastností kovu.

Výhody tepelného zpracování slitin titanu:

Snížení zbytkového napětí vzniklého během výroby (uvolnění napětí)
Vytvářejte optimální kombinaci tažnosti, obrobitelnosti a rozměrové a strukturální stability (žíhání)
Zvyšte sílu (ošetření roztokem a stárnutí)

Optimalizujte speciální vlastnosti, jako je lomová houževnatost, únavová pevnost a pevnost při tečení při vysokých teplotách

Uvolnění stresu z titanu

Titan a slitiny titanu mohou být odlehčeny bez nepříznivého ovlivnění pevnosti nebo tažnosti.

Úpravy uvolňující pnutí snižují nežádoucí zbytková napětí, která jsou důsledkem zaprvé nerovnoměrného kování za tepla nebo deformace z tváření a rovnání za studena, zadruhé asymetrického obrábění plechu nebo výkovků a zatřetí svařování a chlazení odlitků. Odstranění takových napětí pomáhá udržovat tvarovou stálost a eliminuje nepříznivé podmínky, jako je ztráta meze kluzu v tlaku běžně známá jako Bauschingerův jev.

Odstranění pnutí je pravděpodobně nejběžnějším tepelným zpracováním titanu a titanových slitin. Používá se ke snížení nežádoucích zbytkových napětí, která jsou důsledkem nerovnoměrné deformace kování za tepla, nerovnoměrného tváření a rovnání za studena, asymetrického obrábění plechu (hogouts) nebo výkovků, svařování tvářených, litých nebo práškových dílů (P/M) a chlazení odlitků.

Odlehčení pnutí pomáhá udržovat tvarovou stálost a také může eliminovat nepříznivé podmínky, jako je ztráta meze kluzu v tlaku – Bauschingerův jev – která může být zvláště závažná u slitin titanu. Odlehčení pnutí lze provést bez nepříznivého ovlivnění pevnosti nebo tažnosti.

Žíhání

Žíhání titanu a titanových slitin slouží především ke zvýšení lomové houževnatosti, tažnosti při pokojové teplotě, rozměrové a tepelné stálosti a odolnosti proti tečení. Mnoho slitin titanu se uvádí do provozu v žíhaném stavu. Protože zlepšení jedné nebo více vlastností je obecně dosaženo na úkor nějaké jiné vlastnosti, měl by být cyklus žíhání zvolen podle cíle úpravy.
Běžná ošetření žíháním jsou:

Mlýnské žíhání je univerzální úprava pro všechny mlýnské produkty. Nejedná se o úplné žíhání a může zanechat stopy opracování za studena nebo za tepla v mikrostrukturách silně opracovaných výrobků, zejména plechů.

Duplexní žíhání mění tvary, velikosti a distribuce fází na ty, které jsou potřebné pro zlepšení odolnosti proti tečení nebo lomové houževnatosti. Například u duplexního žíhání slitiny Corona 5 je první žíhání blízko transu, aby se globularizovalo deformované a aby se minimalizoval jeho objemový podíl. Následuje druhé žíhání při nižší teplotě, aby se mezi kulovitými částicemi vysrážely nové lentikulární (acikulární). Tato tvorba jehlic je spojena se zlepšením pevnosti při tečení a lomové houževnatosti.

Ke zlepšení lomové houževnatosti se používá rekrystalizační žíhání a žíhání. Při rekrystalizačním žíhání se slitina zahřeje na horní hranici rozsahu -, po určitou dobu se udržuje a poté se velmi pomalu ochladí. V posledních letech nahradilo žíhání rekrystalizační žíhání u součástí draku letadel kritických pro lom.

(Beta) Žíhání. Stejně jako rekrystalizační žíhání zlepšuje žíhání lomovou houževnatost. Žíhání beta se provádí při teplotách nad transus žíhané slitiny. Aby se zabránilo nadměrnému růstu zrna, měla by být teplota pro žíhání jen o málo vyšší než transus. Časy žíhání jsou závislé na tloušťce řezu a měly by být dostatečné pro úplnou transformaci. Doba při teplotě po transformaci by měla být udržována na minimu, aby se řídil růst zrn. Větší sekce by měly být chlazeny ventilátorem nebo zchlazeny vodou, aby se zabránilo tvorbě fáze na hranicích zrn.

Řešení a stárnutí

Rozpouštěcím zpracováním a stárnutím lze získat širokou škálu úrovní pevnosti ve slitinách nebo slitinách. S výjimkou unikátní slitiny Ti-2.5Cu spočívá původ odezev tepelného zpracování titanových slitin v nestabilitě vysokoteplotní fáze při nižších teplotách.
Zahřívání slitiny na teplotu rozpouštění vytváří vyšší poměr fáze. Toto rozdělení fází je udržováno zhášením; při následném stárnutí dochází k rozkladu nestabilní fáze poskytující vysokou pevnost. Komerční slitiny se obvykle dodávají ve stavu ošetřeném roztokem a je třeba je pouze stárnout. Roztoková úprava titanových slitin obecně zahrnuje zahřívání na teploty buď mírně nad nebo mírně pod transusovou teplotou.
(Beta) slitiny se běžně získávají od výrobců v roztoku. Je-li vyžadováno opětovné zahřátí, doba namáčení by měla být pouze tak dlouhá, aby bylo dosaženo úplného rozpuštění. Teploty zpracování v roztoku pro slitiny jsou vyšší než transus; protože není přítomna žádná druhá fáze, může růst zrn probíhat rychle.
- (Alfa-beta) slitiny. Volba teploty rozpouštění pro slitiny je založena na kombinaci mechanických vlastností požadovaných po stárnutí. Změna teploty rozpouštění slitin mění množství fáze a následně mění odezvu na stárnutí.
Pro získání vysoké pevnosti s adekvátní tažností je nutné ošetřit roztokem při vysoké teplotě v poli, obvykle 25 až 85 stupňů (50 až 150 stupňů F) pod transus slitiny. Pokud je požadována vysoká lomová houževnatost nebo zlepšená odolnost vůči korozi pod napětím, může být žádoucí žíhání nebo roztokové ošetření. Tepelné zpracování - slitiny v rozsahu však způsobuje výraznou ztrátu tažnosti. Tyto slitiny jsou obvykle tepelně zpracovány pod transusem, aby se dosáhlo optimální rovnováhy mezi tažností, lomovou houževnatostí, tečením a lomovými vlastnostmi.

Kalení

Pokud jsou slitiny rychle ochlazovány zchlazením vodou z celé beta oblasti, tendence tvorby alfa fáze je potlačena a beta fáze je zachována. Určité slitinové kompozice však vykazují zvláštní transformaci při kalení. Tento mechanismus martenzitické nebo smykové transformace není zcela objasněn. Vznik této struktury, tzv. alfa prime, způsobuje určité zkreslení mřížky. Toto zkreslení a výsledné napětí vytváří materiál, který je tvrdý a houževnatý a má lepší únavové vlastnosti než alfa. Tento proces kalení je také výchozím bodem pro temperování.

Temperování

Když se titan zchladí ze zvýšené teploty, znovu se zahřeje na teplotu pod beta transus, podrží se po dlouhou dobu a znovu se ochladí, říká se, že byl temperován. Při popouštění existují tři proměnné: přítomné fáze, doba trvání a teplota popouštění.

Když počáteční struktura obsahuje alfa prvočíslo, nastanou dvě změny: alfa prime se transformuje na alfa a při delších časech se alfa stane vroubkovaným. Výsledkem je ztráta tvrdosti a pevnosti a zvýšení tažnosti a rázu. Struktury alfa-beta však tento vzor nesledují. Alfa primárně zůstává nezměněna; beta se rozkládá a tvoří více alfa na úkor beta fáze. Při nízkých teplotách se bude tvořit více alfa; tak nízké popouštěcí teploty mají za následek větší pokles pevnosti a tvrdosti a větší nárůst tažnosti než popouštění za vysokých teplot ve stejných časových intervalech.

Izotermická transformace

Při kalení slitiny za tepla z celé oblasti beta na teploty v oblasti alfa-beta a udržování po určitou dobu a poté dalším kalení na pokojovou teplotu se materiál izotermicky transformuje. Ošetření tímto způsobem způsobí vysrážení fáze alfa z beta. Při vysokých teplotách se alfa sráží nejprve na hranicích zrn a později v samotných beta zrnech.
Toto zpracování, když se udržuje při teplotách těsně pod transformační teplotou, dává nejprve velmi tvrdý materiál kvůli tvorbě beta prime. Prodlužuje-li se doba držení, klesá tvrdost a pevnost s doprovodným zvýšením tažnosti a houževnatosti. Při nižších teplotách dochází k postupnému nárůstu tvrdosti a křehkosti a po delší době lze dosáhnout vyšší tvrdosti než při krátkodobém vysokoteplotním zpracování.

(pokračování)