Технические требования и стандарты для пластин из титановых сплавов
1. Классификация и марки материалов.
Пластины из титановых сплавов подразделяются на четыре категории в зависимости от их микроструктуры и состава легирования. Альфа-сплавы, такие как Ti-5Al-2,5Sn (марка 6), содержат в основном альфа-стабилизаторы, такие как алюминий и олово. Эти сплавы обладают превосходной свариваемостью и сопротивлением ползучести при повышенных температурах, что делает их пригодными для конструкций планера и криогенных применений. Сплавы, близкие к -альфа, включая Ti-8Al-1Mo-1V (класс 9) и Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, содержат небольшое количество бета-стабилизаторов, сохраняя при этом альфа-доминантную структуру. Они обеспечивают повышенную высокотемпературную стабильность компонентов газотурбинных двигателей.
Альфа-бета-сплавы представляют собой наиболее широко используемую категорию, при этом Ti-6Al-4V (класс 5) является основным сплавом в аэрокосмической, медицинской и промышленной отраслях. Этот сплав обеспечивает оптимальный баланс прочности, пластичности и вязкости разрушения благодаря своей двухфазной микроструктуре. Вариант со сверхнизким межузельным содержанием, Ti-6Al-4V ELI (класс 23), ограничивает содержание кислорода, железа и водорода, чтобы повысить устойчивость к повреждениям для критически важных применений. Бета-сплавы, такие как Ti-10V-2Fe-3Al и Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, можно подвергать обработке и старению на раствор для достижения самого высокого уровня прочности среди титановых сплавов с особыми преимуществами в формуемости перед термообработкой.
2. Требования к химическому составу
Химический состав пластин из титанового сплава должен строго контролироваться, чтобы обеспечить постоянство механических свойств и коррозионной стойкости. Для Ti-6Al-4V (марка 5) содержание алюминия колеблется от 5,50 до 6,75 процента, а ванадия — от 3,50 до 4,50 процента. Железо ограничено максимум 0,30 процента, кислород — 0,20 процента, углерод — 0,08 процента, азот — 0,05 процента и водород — 0,015 процента. Сумма всех остаточных элементов не должна превышать 0,40 процента.
Для класса ELI содержание алюминия ограничено 5,50–6,50 процента, железа — максимум 0,25 процента, кислорода — 0,13 процента и водорода — 0,0125 процента. Эти пониженные уровни промежутков значительно улучшают вязкость разрушения и пластичность, поэтому этот класс является обязательным для хирургических имплантатов и критически важных компонентов аэрокосмической отрасли. Ti-5Al-2,5Sn (класс 6) допускает содержание алюминия от 4,00 до 6,00 процентов, олова от 2,00 до 3,00 процента, железа до 0,50 процента и водорода до 0,020 процента. Предел содержания кислорода соответствует стандарту Ti-6Al-4V и составляет 0,20 процента.
3. Требования к механическим свойствам
При комнатной температуре в продольном направлении пластина Ti-6Al-4V должна достигать минимального предела прочности на разрыв 895 МПа, минимального предела текучести при смещении 0,2 процента 828 МПа, минимального удлинения 10 процентов и минимального уменьшения площади 25 процентов. Вариант ELI предъявляет те же требования к удлинению и сокращению, но с немного сниженным уровнем прочности: минимальный предел прочности при растяжении 860 МПа и минимальный предел текучести 795 МПа. Для Ti-5Al-2,5Sn требуется минимальный предел прочности на разрыв 827 МПа, минимальный предел текучести 759 МПа и соответствующие показатели пластичности.
Для эксплуатации при повышенных температурах пластина Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo должна демонстрировать минимальную прочность на разрыв 620 МПа при 315 градусах Цельсия, а сопротивление ползучести проверено при 425 градусах Цельсия. Вязкость разрушения представляет собой критический параметр для конструкции, устойчивой к повреждениям. Пластина ELI из Ti-6Al-4V должна достигать вязкости разрушения при плоской деформации K_IC не менее 75 МПа, квадратный корень из метра, тогда как для Ti-5Al-2,5Sn требуется минимум 55 МПа, квадратный корень из метра. Требуемая энергия удара по Шарпи с V-образным надрезом составляет 20 и 16 джоулей соответственно.
4. Допуски на размеры и качество поверхности.
Допуск по толщине зависит от толщины пластины. Для пластин толщиной до 6,35 мм стандартный допуск составляет плюс-минус 0,13 миллиметра, а прецизионный допуск ужесточен до плюс-минус 0,08 миллиметра. В диапазоне от 6,35 до 25,4 миллиметров стандартный допуск составляет плюс-минус 0,25 миллиметра, а точность составляет плюс-минус 0,13 миллиметра. Для пластин диаметром от 25,4 до 50,8 мм стандартный допуск составляет плюс-минус 0,38 миллиметра, а прецизионный допуск составляет плюс-минус 0,25 миллиметра.
Допуск по ширине составляет плюс 6,35 мм без минуса в стандартных условиях, для точности увеличен до плюс 3,18 мм. Допуск по длине составляет плюс 25 миллиметров стандарта плюс точность 13 миллиметров. Плоскостность не должна превышать 3,2 миллиметра на метр по стандартным требованиям или 1,6 миллиметра на метр для прецизионного листа. Развал кромки ограничен стандартом 3,2 миллиметра на 3 метра и точностью 1,6 миллиметра на 3 метра.
Требования к качеству поверхности зависят от метода обработки. Горячекатаный-листовой прокат должен иметь шероховатость поверхности Ra не более 6,3 микрометра. Холоднокатаные-листы или листы, подвергнутые химическому травлению, требуют, чтобы Ra не превышал 3,2 микрометра. Для прецизионных-заземляющих пластин Ra не должен превышать 1,6 микрометра.
5. Металлургические требования
Микроструктура пластины из альфа-бета-титанового сплава в состоянии прокатного-отжига должна состоять из равноосной первичной альфа-фазы, распределенной внутри преобразованной бета-матрицы. Сплошная альфа-фаза по границам зерен не допускается, поскольку она ухудшает пластичность и сопротивление усталости. Размер зерна должен быть ASTM 5 или более мелким, при типичном производстве - от ASTM 6 до 8. Альфа-случай, т. е. твердый обогащенный кислородом поверхностный слой,-образующийся во время высоко-температурной обработки, должен быть полностью удален. Для проверки требуется микро-профилирование твердости, показывающее отсутствие скачков твердости на поверхности, или металлографическое исследование, подтверждающее отсутствие остатков альфа-стабилизированного слоя.
Бета-пятна, представляющие собой локализованные области обогащения бета--стабилизатором, запрещены в критически важных приложениях аэрокосмической промышленности. Их обнаруживают посредством макро-травления с использованием соответствующих реагентов. Содержание включений оценивается в соответствии с ASTM E45, метод A, с максимально допустимыми уровнями A2, B2, C2 и D2 для тонких, тяжелых, силикатных и глобулярных оксидных включений соответственно.
6. Требования к не-неразрушающему контролю
Ультразвуковой контроль является обязательным для всех пластин толщиной 6,35 мм и более и проводится в соответствии с критериями AMS-STD-2154 класса A. Никакие показания, превышающие эквивалент отверстия с плоским дном диаметром 3,2 мм, недопустимы. Капиллярное тестирование применяется ко всем готовым поверхностям в соответствии с ASTM E1417, без каких-либо линейных следов длиной более 3,2 миллиметра. Радиографические испытания предназначены для сварных или ремонтных участков согласно ASTM E1742. Вихретоковый контроль может заменить ультразвуковой контроль на тонких пластинах толщиной менее 6,35 мм в соответствии с процедурами ASTM E426 с чувствительностью, установленной по соглашению между покупателем и поставщиком.
7. Условия термообработки.
Отожженная пластина-обрабатывается при температуре от 704 до 760 градусов Цельсия с последующим охлаждением на воздухе. Это условие обеспечивает сбалансированные свойства для общего применения. Дуплексный отжиг включает обработку на раствор при температуре 954 градуса Цельсия с закалкой в воде с последующим охлаждением на воздухе при температуре 538 градусов Цельсия, что повышает вязкость разрушения для конструкций, -устойчивых к повреждениям. Обработанная раствором и состаренная пластина достигает максимальной прочности за счет обработки при 927 градусах Цельсия с закалкой в воде, а затем старения при 538 градусах Цельсия в течение 4-8 часов. Бета-отжиг при 1010 градусах Цельсия с воздушным охлаждением с последующей стабилизацией при 760 градусах Цельсия позволяет получить трансформированную бета-микроструктуру, оптимизированную для сопротивления ползучести в авиационных двигателях. Снятие напряжения при температуре от 538 до 649 градусов Цельсия следует за операциями механической обработки или формовки.
Вся термическая обработка должна происходить в вакууме при давлении от 10 до минус 3 миллибар или выше или в атмосфере аргона высокой-чистоты. Любой альфа-корпус, образовавшийся во время термообработки, должен быть полностью удален перед окончательной проверкой.
8. Ссылочные стандарты
Основной спецификацией пластин из титанового сплава является ASTM B265, охватывающая полосы, листы и пластины из титана и титановых сплавов. Этот стандарт определяет пределы химического состава, требования к механическим свойствам, допуски на размеры и общие положения о качестве. ASTM B348 для прутков и заготовок содержит дополнительные ссылки на механические испытания.
Что касается методологии механических испытаний, ASTM E8 и E8M регулируют испытания металлических материалов на растяжение. Проверка твердости соответствует стандарту ASTM E18 для твердости по Роквеллу или ASTM E10 для твердости по Бринеллю. Для оценки содержания включений используется ASTM E45, адаптированный для титановых сплавов. Измерение размера зерна соответствует ASTM E112. Профилирование микро-твердости в соответствии с ASTM E384 позволяет выявить остаточную альфа-зону. Металлографическая подготовка образцов и травление соответствуют ASTM E3 и ASTM E407 соответственно.
Стандарты не-неразрушающего контроля включают ASTM E1417 для контроля проникновения жидкостей, ASTM E1742 для радиографического контроля и ASTM E426 для электромагнитного вихретокового контроля тонких изделий. Рекомендации по подготовке поверхности и удалению окалины приведены в ASTM B600.
Спецификации аэрокосмических материалов предъявляют более строгие требования к критически важным для полета-приложениям. AMS 4907 покрывает пластину Ti-6Al-4V в отожженном состоянии. AMS 4911 касается пластин Ti-6Al-4V, обработанных раствором и состаренных. AMS 4930 определяет пластину Ti-6Al-4V со сверхнизким междоузлием. AMS 4940 применяется к пластинам Ti-5Al-2,5Sn. AMS 4943 охватывает пластины из бета-сплава Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. В стандарте AMS 4945 рассматривается пластина из почти альфа-сплава Ti-8Al-1Mo-1V. Критерии приемки ультразвукового контроля определены в AMS-STD-2154.
Устаревшие военные спецификации включают MIL-T-9046 для титановых листов, полос и пластин и MIL-T-9047 для прутков и поковок. Экологические испытания соответствуют стандарту MIL-STD-810.
Международные стандарты включают ISO 5832-3 для деформируемых хирургических имплантатов из сплава Ti-6Al-4V и ISO 5832-10 для имплантатов из сплава Ti-5Al-2,5Fe. Британские стандарты BS 2TA 2 и BS 2TA 11 охватывают листы и пластины Ti-6Al-4V. Немецкий стандарт DIN 17850 содержит технические характеристики деформируемых титановых сплавов. Японский стандарт JIS H4600 предназначен для листов, пластин и полос. Китайский национальный стандарт GB/T 3621 и военный стандарт GJB 2505A применяются к пластинам из титанового сплава авиационного класса.
9. Особые требования-применения
Применения в аэрокосмических конструкциях требуют данных о многоцикловой усталости,-анализе устойчивости к повреждениям и соблюдении требований неразрушающего контроля уровня А в соответствии с AMS 4907, AMS 4911 и AMS-STD-2154. Компоненты аэрокосмических двигателей требуют свойств растяжения при повышенных температурах, проверки сопротивления ползучести и испытаний на термическую стабильность в соответствии с AMS 4945 и ASTM E139.
Применения медицинских имплантатов требуют проведения испытаний на биосовместимость, включая анализы цитотоксичности и сенсибилизации, с использованием материалов класса ELI в соответствии со стандартами ISO 5832-3, ASTM F136 и ASTM F1472. Оборудование для химической обработки требует проверки коррозионной стойкости в конкретных технологических средах и демонстрации свариваемости в соответствии с ASTM B265, ASTM G28 и NACE MR0175 или ISO 15156. Морские и морские конструкции должны противостоять коррозии морской воды и демонстрировать совместимость с системами катодной защиты в соответствии с ASTM B265 и DNV-OS-B401. Ядерные приложения контролируют сечение поглощения нейтронов, радиационную стабильность и содержание микроэлементов в соответствии с нормами ASME по котлам и сосудам под давлением, раздел II, часть D.
10. Сертификация и документация
Каждая производственная партия должна сопровождаться Сертификатом заводских испытаний, документирующим результаты химического анализа, результаты испытаний механических свойств, отслеживаемость номера плавки и фактические измеренные размеры. Этот сертификат является обязательным согласно ASTM B265. В сертификатах не-неразрушающего контроля указываются результаты ультразвукового, проникающего или радиографического контроля с записями о квалификации оператора. Металлургические отчеты включают микрофотографии микроструктуры, измеренный размер зерен и рейтинг включений для критических применений. В сертификатах термообработки документируются параметры цикла, тип атмосферы и записи калибровки термопары. Полные отчеты о прослеживаемости устанавливают происхождение материала, практику плавки и полную историю обработки, что важно для соответствия нормативным требованиям в области аэрокосмической и медицинской техники.
