Obróbka cieplna tytanu i stopów tytanu (1）

Obróbka cieplna to proces, podczas którego kontrolowane ogrzewanie i chłodzenie metali odbywa się w bardzo ściśle określonych warunkach środowiskowych, w celu zmiany fizycznych lub mechanicznych właściwości metalu bez zmiany kształtu produktu. Jeśli obróbka cieplna nie zostanie przeprowadzona prawidłowo, metal może nie osiągnąć pożądanych właściwości niezbędnych do spełnienia specyfikacji projektowej inżyniera.
Obróbka cieplna jest zwykle kojarzona ze zwiększeniem wytrzymałości materiału, ale jest również często stosowana w celu poprawy obrabialności, poprawy odkształcalności, zwiększenia ciągliwości lub zwiększenia odporności na korozję. Dlatego jest to proces krytyczny, który zapewnia osiągnięcie określonych właściwości metalu.

Zalety obróbki cieplnej stopów tytanu:

Redukcja naprężeń szczątkowych powstających podczas produkcji (odprężanie)
Wytwarzanie optymalnej kombinacji ciągliwości, obrabialności oraz stabilności wymiarowej i strukturalnej (wyżarzanie)
Zwiększenie siły (obróbka roztworowa i starzenie)

Optymalizuj specjalne właściwości, takie jak odporność na pękanie, wytrzymałość zmęczeniowa i wytrzymałość na pełzanie w wysokiej temperaturze

Odprężanie tytanu

Tytan i stopy tytanu można odprężać bez negatywnego wpływu na wytrzymałość i plastyczność.

Zabiegi odprężające zmniejszają niepożądane naprężenia własne, które powstają w wyniku, po pierwsze, nierównomiernego kucia na gorąco lub odkształcenia w wyniku formowania na zimno i prostowania, po drugie, asymetrycznej obróbki blachy lub odkuwek, a po trzecie, spawania i chłodzenia odlewów. Usunięcie takich naprężeń pozwala zachować stabilność kształtu i eliminuje niekorzystne warunki, takie jak utrata granicy plastyczności przy ściskaniu, powszechnie znana jako efekt Bauschingera.

Odprężanie jest prawdopodobnie najczęstszą obróbką cieplną tytanu i stopów tytanu. Służy do zmniejszania niepożądanych naprężeń szczątkowych, które wynikają z nierównomiernego odkształcenia kucia na gorąco, nierównomiernego formowania na zimno i prostowania, asymetrycznej obróbki blach (hogouts) lub odkuwek, spawania części kutych, odlewanych lub metalurgii proszków (P/M) oraz chłodzenie odlewów.

odprężanie pomaga zachować stabilność kształtu, a także może wyeliminować niekorzystne warunki, takie jak utrata granicy plastyczności przy ściskaniu – efekt Bauschingera – które mogą być szczególnie dotkliwe w przypadku stopów tytanu. Odprężanie można przeprowadzić bez negatywnego wpływu na wytrzymałość i plastyczność.

Wyżarzanie

Wyżarzanie tytanu i stopów tytanu służy przede wszystkim zwiększeniu odporności na pękanie, ciągliwości w temperaturze pokojowej, stabilności wymiarowej i termicznej oraz odporności na pełzanie. Wiele stopów tytanu jest wprowadzanych do użytku w stanie wyżarzonym. Ponieważ poprawę jednej lub większej liczby właściwości uzyskuje się zazwyczaj kosztem innych, cykl wyżarzania powinien być wybrany w zależności od celu obróbki.
Typowe metody wyżarzania to:

Wyżarzanie w młynie jest obróbką ogólnego przeznaczenia stosowaną dla wszystkich produktów młyna. Nie jest to wyżarzanie pełne i może pozostawiać ślady obróbki na zimno lub na ciepło w mikrostrukturach produktów mocno obrobionych, zwłaszcza blach.

Wyżarzanie dupleksowe zmienia kształty, rozmiary i rozkład faz na te wymagane dla poprawy odporności na pełzanie lub odporności na pękanie. Na przykład w wyżarzaniu dupleksowym stopu Corona 5 pierwsze wyżarzanie odbywa się w pobliżu transusu, aby nadać odkształceniu kulistość i zminimalizować jego udział objętościowy. Następnie następuje drugie wyżarzanie w niższej temperaturze w celu wytrącenia nowego soczewkowego (iglastego) pomiędzy cząstkami kulistymi. To powstawanie igieł wiąże się z poprawą wytrzymałości na pełzanie i odporności na pękanie.

Wyżarzanie rekrystalizujące i wyżarzanie stosuje się w celu poprawy odporności na pękanie. Podczas wyżarzania rekrystalizującego stop jest podgrzewany do górnej granicy zakresu, utrzymywany przez pewien czas, a następnie bardzo powoli chłodzony. W ostatnich latach wyżarzanie rekrystalizujące zastąpiło wyżarzanie elementów płatowca, w przypadku których pękanie jest krytyczne.

(Beta) Wyżarzanie. Podobnie jak wyżarzanie rekrystalizujące, wyżarzanie poprawia odporność na pękanie. Wyżarzanie beta przeprowadza się w temperaturach powyżej transusu wyżarzanego stopu. Aby zapobiec nadmiernemu rozrostowi ziaren, temperatura wyżarzania powinna być tylko nieznacznie wyższa od temperatury transus. Czasy wyżarzania zależą od grubości przekroju i powinny wystarczyć do całkowitej przemiany. Czas utrzymywania temperatury po transformacji powinien być ograniczony do minimum, aby kontrolować wzrost ziarna. Większe przekroje należy chłodzić wentylatorem lub hartować wodą, aby zapobiec tworzeniu się fazy na granicach ziaren.

Leczenie roztworowe i starzenie się

Szeroki zakres poziomów wytrzymałości można uzyskać w przypadku - lub stopów poprzez obróbkę przesycającą i starzenie. Z wyjątkiem unikalnego stopu Ti-2.5Cu, reakcje stopów tytanu na obróbkę cieplną leżą w niestabilności fazy wysokotemperaturowej w niższych temperaturach.
Ogrzewanie stopu do temperatury obróbki przesycającej daje wyższy stosunek fazy. Ten podział faz jest utrzymywany przez hartowanie; podczas późniejszego starzenia następuje rozkład fazy niestabilnej, zapewniający wysoką wytrzymałość. Stopy handlowe zazwyczaj dostarczane są w stanie potraktowanym roztworem i wymagają jedynie starzenia. Obróbka rozpuszczająca stopów tytanu zazwyczaj obejmuje ogrzewanie do temperatur nieco wyższych lub nieco niższych od temperatury transusu.
Stopy (Beta) są zwykle otrzymywane od producentów w stanie potraktowanym roztworem. Jeżeli wymagane jest ponowne podgrzanie, czas namaczania powinien być taki długi, jak jest to konieczne do uzyskania całkowitego rozpuszczenia. Temperatury obróbki rozsycającej stopy znajdują się powyżej transusa; ponieważ nie ma drugiej fazy, wzrost ziarna może przebiegać szybko.
- Stopy (alfa-beta). Wybór temperatury przesycania stopów opiera się na kombinacji właściwości mechanicznych pożądanych po starzeniu. Zmiana temperatury przesycania stopów zmienia ilość fazy i w konsekwencji zmienia reakcję na starzenie.
Aby uzyskać wysoką wytrzymałość przy odpowiedniej plastyczności, konieczna jest obróbka przesycająca w wysokiej temperaturze w polu, zwykle od 25 do 85 stopni (50 do 150 stopni F) poniżej transusu stopu. Jeżeli wymagana jest wysoka odporność na pękanie lub zwiększona odporność na korozję naprężeniową, pożądane może być wyżarzanie lub obróbka przesycająca. Jednakże obróbka cieplna stopów z tego zakresu powoduje znaczną utratę plastyczności. Stopy te są zwykle poddawane obróbce cieplnej przesycającej poniżej transusa w celu uzyskania optymalnej równowagi pomiędzy ciągliwością, odpornością na pękanie, pełzaniem i właściwościami związanymi z pękaniem naprężeniowym.

Hartowanie

Jeśli stopy zostaną szybko schłodzone przez hartowanie w wodzie z całego obszaru beta, tendencja fazy alfa do tworzenia zostanie stłumiona, a faza beta zostanie zachowana. Jednakże niektóre kompozycje stopów wykazują szczególną przemianę podczas hartowania. Ten mechanizm transformacji martenzytycznej lub podobnej do ścinania nie jest całkowicie poznany. Powstawanie tej struktury, tzw. liczby pierwszej alfa, powoduje pewne zniekształcenie sieci. To odkształcenie i wynikające z niego odkształcenie dają materiał, który jest twardy i wytrzymały oraz ma lepsze właściwości zmęczeniowe niż materiał alfa. Ten proces hartowania jest także początkowym punktem odpuszczania.

Ruszenie

Kiedy tytan jest hartowany z podwyższonej temperatury, ponownie podgrzewany do temperatury poniżej beta transus, utrzymywany przez dłuższy czas i ponownie hartowany, mówi się, że został odpuszczony. W odpuszczaniu istnieją trzy zmienne: obecne fazy, czas utrzymywania i temperatura odpuszczania.

Kiedy początkowa struktura zawiera liczbę pierwotną alfa, zachodzą dwie zmiany: pierwotna alfa przekształca się w alfa, a po dłuższym czasie alfa staje się ząbkowana. Rezultatem jest utrata twardości i wytrzymałości oraz wzrost plastyczności i udarności. Struktury alfa-beta nie są jednak zgodne z tym wzorcem. Alfa zasadniczo pozostaje niezmieniona; beta rozkłada się, tworząc więcej alfa kosztem fazy beta. W niskich temperaturach utworzy się więcej alfa; zatem niskie temperatury odpuszczania powodują większy spadek wytrzymałości i twardości oraz większy wzrost ciągliwości niż odpuszczanie w wysokiej temperaturze w identycznych odstępach czasu.

Transformacja izotermiczna

Podczas hartowania na gorąco stopu z całego obszaru beta do temperatur w polu alfa-beta i utrzymywania przez pewien czas, a następnie dalszego hartowania do temperatury pokojowej, materiał ulega przemianie izotermicznej. Leczenie w ten sposób powoduje wytrącenie fazy alfa z beta. W wysokich temperaturach alfa wytrąca się najpierw na granicach ziaren, a później w samych ziarnach beta.
Ta obróbka, podczas utrzymywania w temperaturach tuż poniżej temperatury przemiany, daje początkowo bardzo twardy materiał w wyniku tworzenia się beta prime. Jeśli czas przetrzymywania wydłuża się, twardość i wytrzymałość zmniejszają się, czemu towarzyszy wzrost plastyczności i wytrzymałości. W niższych temperaturach następuje stopniowy wzrost twardości i kruchości, a przy dłuższym czasie można uzyskać wyższą twardość niż w wyniku krótkotrwałej obróbki wysokotemperaturowej.

(Ciąg dalszy)