Toplotna obdelava titana in titanovih zlitin (1）
Toplotna obdelava je postopek, pri katerem se nadzorovano segrevanje in ohlajanje kovin izvaja pod zelo natančnimi okoljskimi pogoji, da se spremenijo fizikalne ali mehanske lastnosti kovine, ne da bi se spremenila oblika izdelka. Če toplotna obdelava ni izvedena pravilno, kovina morda ne bo dosegla želenih lastnosti, ki so potrebne za izpolnjevanje specifikacij inženirjev.
Toplotna obdelava je običajno povezana s povečanjem trdnosti materiala, vendar se pogosto uporablja tudi za izboljšanje obdelovalnosti, izboljšanje oblikovanja, povečanje duktilnosti ali povečanje odpornosti proti koroziji. Zato je kritičen proces, ki zagotavlja, da so dosežene določene lastnosti kovine.
Prednosti toplotne obdelave titanovih zlitin:
Zmanjšajte preostale napetosti, ki nastanejo med izdelavo (zmanjšanje napetosti)
Izdelajte optimalno kombinacijo duktilnosti, obdelovalnosti ter dimenzijske in strukturne stabilnosti (žarjenje)
Povečanje moči (zdravljenje z raztopino in staranje)
Optimizirajte posebne lastnosti, kot so lomna žilavost, odpornost proti utrujenosti in trdnost pri lezenju pri visokih temperaturah
Razbremenitev titana
Titan in titanove zlitine je mogoče razbremeniti, ne da bi to negativno vplivalo na trdnost ali duktilnost.
Obdelave za lajšanje napetosti zmanjšajo nezaželene preostale napetosti, ki so posledica, prvič, neenakomernega vročega kovanja ali deformacije zaradi hladnega oblikovanja in ravnanja, drugič, asimetrične obdelave plošče ali odkovkov in, tretjič, varjenja in hlajenja ulitkov. Odstranitev takšnih napetosti pomaga ohraniti stabilnost oblike in odpravi neugodne pogoje, kot je izguba tlačne napetosti, splošno znana kot Bauschingerjev učinek.
Lajšanje napetosti je verjetno najpogostejša toplotna obdelava titana in titanovih zlitin. Uporablja se za zmanjšanje nezaželenih preostalih napetosti, ki so posledica neenakomerne deformacije vročega kovanja, neenakomernega hladnega oblikovanja in ravnanja, asimetrične obdelave plošč (hogouts) ali odkovkov, varjenja delov iz kovanega, litega ali prašnega metalurgije (P/M) in hlajenje ulitkov.
Razbremenitev pomaga vzdrževati stabilnost oblike in lahko tudi odpravi neugodne razmere, kot je izguba tlačne meje tečenja – Bauschingerjev učinek – ki je lahko še posebej resen pri titanovih zlitinah. Razbremenitev se lahko izvede brez škodljivega vpliva na trdnost ali duktilnost.
Žarjenje
Žarjenje titana in titanovih zlitin služi predvsem povečanju lomne žilavosti, duktilnosti pri sobni temperaturi, dimenzijske in toplotne stabilnosti ter odpornosti proti lezenju. Številne titanove zlitine se uporabljajo v žarjenem stanju. Ker se izboljšanje ene ali več lastnosti na splošno doseže na račun neke druge lastnosti, je treba cikel žarjenja izbrati glede na cilj obdelave.
Običajni postopki žarjenja so:
Žarjenje v mlinu je splošna obdelava za vse mlevske izdelke. To ni popolno žarjenje in lahko pusti sledi hladne ali tople obdelave v mikrostrukturah močno obdelanih izdelkov, zlasti pločevine.
Dupleksno žarjenje spremeni oblike, velikosti in porazdelitve faz na tiste, ki so potrebne za izboljšano odpornost proti lezenju ali lomno žilavost. Pri dupleksnem žarjenju zlitine Corona 5 je na primer prvo žarjenje blizu transusa, da se deformirano globularizira in zmanjša njegov volumenski delež. Temu sledi drugo, nižjetemperaturno žarjenje, da se med kroglastimi delci izloči nova leča (igličasta). Ta tvorba iglic je povezana z izboljšanjem trdnosti lezenja in lomne žilavosti.
Rekristalizacijsko žarjenje in žarjenje se uporabljata za izboljšanje lomne žilavosti. Pri rekristalizacijskem žarjenju se zlitina segreje do zgornje meje - območja, nekaj časa zadrži in nato zelo počasi ohladi. V zadnjih letih je rekristalizacijsko žarjenje nadomestilo žarjenje za komponente letalskega ogrodja, kritične za zlome.
(Beta) Žarjenje. Tako kot rekristalizacijsko žarjenje tudi žarjenje izboljša lomno žilavost. Beta žarjenje poteka pri temperaturah nad transusom zlitine, ki jo žarimo. Da preprečimo prekomerno rast zrn, naj bo temperatura za žarjenje le malo višja od transusa. Časi žarjenja so odvisni od debeline odseka in morajo zadostovati za popolno transformacijo. Čas pri temperaturi po transformaciji je treba zmanjšati na minimum, da nadzorujemo rast zrn. Večje odseke je treba ohladiti z ventilatorjem ali pogasiti z vodo, da se prepreči nastanek faze na mejah zrn.
Rešitev Zdravljenje in staranje
Z obdelavo v raztopini in staranjem je mogoče doseči širok razpon stopenj trdnosti v - ali zlitinah. Z izjemo edinstvene zlitine Ti-2.5Cu je izvor toplotne obdelave odzivov titanovih zlitin v nestabilnosti visokotemperaturne faze pri nižjih temperaturah.
Segrevanje zlitine - na temperaturo obdelave raztopine povzroči višje razmerje faz. To razdelitev faz se vzdržuje s kaljenjem; pri poznejšem staranju pride do razgradnje nestabilne faze, ki zagotavlja visoko trdnost. Komercialne zlitine so na splošno dobavljene v stanju, obdelanem z raztopino, in jih je treba samo starati. Obdelava titanovih zlitin v raztopini na splošno vključuje segrevanje na temperature, ki so nekoliko višje ali nekoliko nižje od transusne temperature.
(Beta) zlitine so običajno pridobljene od proizvajalcev v stanju, obdelanem z raztopino. Če je potrebno ponovno segrevanje, naj bodo časi namakanja le toliko, kolikor je potrebno za popolno raztopino. Temperature obdelave raztopine za zlitine so nad transusom; ker ni prisotne druge faze, lahko rast zrn poteka hitro.
- (alfa-beta) zlitine. Izbira temperature obdelave raztopine za - zlitine temelji na kombinaciji želenih mehanskih lastnosti po staranju. Sprememba temperature obdelave raztopine zlitin spremeni količino faze in posledično spremeni odziv na staranje.
Za pridobitev visoke trdnosti z ustrezno duktilnostjo je treba raztopino obdelati pri temperaturi, ki je visoka v polju, običajno 25 do 85 stopinj (50 do 150 stopinj F) pod transusom zlitine. Če je potrebna visoka lomna žilavost ali izboljšana odpornost proti napetostni koroziji, je lahko zaželeno žarjenje ali obdelava z raztopino. Vendar pa toplotna obdelava zlitin v območju povzroči znatno izgubo duktilnosti. Te zlitine so običajno toplotno obdelane v raztopini pod transusom, da se doseže optimalno ravnotežje med duktilnostjo, lomno žilavostjo, lezenjem in lastnostmi pretrganja zaradi napetosti.
Kaljenje
Če zlitine hitro ohladimo s kaljenjem v vodi iz vsega beta območja, se težnja alfa faze po tvorbi zatre, beta faza pa se ohrani. Nekatere sestave zlitin pa kažejo posebno transformacijo pri kaljenju. Ta mehanizem martenzitne ali strižne transformacije ni popolnoma razumljen. Tvorba te strukture, tako imenovanega praštevila alfa, povzroči nekaj popačenja mreže. To popačenje in posledična deformacija proizvajata material, ki je trd in žilav ter ima boljše lastnosti utrujanja kot alfa. Ta postopek kaljenja je tudi začetna točka za kaljenje.
Kaljenje
Ko titan pogasimo pri povišani temperaturi, ga ponovno segrejemo na temperaturo pod beta transusom, zadržimo nekaj časa in ponovno pogasimo, pravimo, da je bil popuščen. Pri popuščanju obstajajo tri spremenljivke: prisotne faze, zadrževani čas in temperatura popuščanja.
Ko začetna struktura vsebuje praštevilo alfa, se pojavita dve spremembi: primarno število alfa se preoblikuje v alfa, pri daljših časih pa postane alfa nazobčana. Rezultat je izguba trdote in trdnosti ter povečanje duktilnosti in udarnosti. Alfa-beta strukture pa ne sledijo temu vzorcu. Alfa predvsem ostane nespremenjena; beta razpade, da nastane več alfe na račun beta faze. Pri nizkih temperaturah bo nastalo več alfe; tako nizke temperature popuščanja povzročijo večje zmanjšanje trdnosti in trdote ter večje povečanje duktilnosti kot popuščanje pri visokih temperaturah v enakih časovnih intervalih.
Izotermna transformacija
Pri vročem kaljenju zlitine iz celotne beta regije na temperature v alfa-beta polju in zadrževanju nekaj časa ter nato nadaljnjem kaljenju na sobno temperaturo, se material transformira izotermno. Obdelava na ta način povzroči precipitacijo alfa faze iz beta. Pri visokih temperaturah se alfa obori najprej na mejah zrn in kasneje znotraj samih beta zrn.
Ta obdelava, ko se drži pri temperaturah tik pod temperaturo transformacije, najprej daje zelo trd material zaradi tvorbe beta prime. Če se čas držanja podaljša, se zmanjšata trdota in trdnost s spremljajočim povečanjem duktilnosti in žilavosti. Pri nižjih temperaturah pride do postopnega naraščanja trdote in krhkosti, pri daljšem času pa se lahko doseže večja trdota kot pri kratkotrajnih obdelavah z visoko temperaturo.
(nadaljevanje)
