Термічна обробка титану та титанових сплавів (1)
Термічна обробка – це процес, за допомогою якого контрольоване нагрівання та охолодження металів виконується в дуже точних умовах навколишнього середовища з метою зміни фізичних або механічних характеристик металу без зміни форми виробу. Якщо термічна обробка виконана неправильно, метал може не досягти бажаних властивостей, необхідних для відповідності специфікаціям інженерів.
Термічна обробка, як правило, пов’язана зі збільшенням міцності матеріалу, але вона також часто використовується для покращення оброблюваності, покращення формування, підвищення пластичності або стійкості до корозії. Тому це критичний процес, який забезпечує досягнення заданих характеристик металу.
Переваги термічної обробки титанових сплавів:
Зменшення залишкових напруг, що виникають під час виготовлення (зняття напруги)
Створення оптимального поєднання пластичності, оброблюваності, розмірної та структурної стабільності (відпал)
Підвищення міцності (обробка розчином і старіння)
Оптимізація спеціальних властивостей, таких як в’язкість до руйнування, міцність на втому та межа повзучості при високій температурі
Зняття напруги з титану
З титану та титанових сплавів можна зняти напругу без негативного впливу на міцність або пластичність.
Обробки для зняття напруги зменшують небажані залишкові напруги, які є результатом, по-перше, нерівномірного гарячого кування або деформації в результаті холодного формування та правки, по-друге, асиметричної механічної обробки листа або поковок і, по-третє, зварювання та охолодження виливків. Усунення таких напруг допомагає підтримувати стабільність форми та усуває несприятливі умови, такі як втрата межі текучості при стиску, широко відома як ефект Баушінгера.
Зняття напруги є, ймовірно, найпоширенішою термічною обробкою титану та титанових сплавів. Він використовується для зменшення небажаних залишкових напружень, які є результатом нерівномірної деформації гарячого кування, нерівномірного холодного формування та випрямлення, асиметричної механічної обробки листів (вирізів) або поковок, зварювання деталей, виготовлених за допомогою кованих, литих або порошкової металургії (P/M), і охолодження виливків.
Зняття напруги допомагає підтримувати стабільність форми, а також може усунути несприятливі умови, такі як втрата межі текучості при стиску - ефект Баушингера - який може бути особливо важким для титанових сплавів. Зняття напруги можна виконати без негативного впливу на міцність або пластичність.
Відпал
Відпал титану і титанових сплавів служить головним чином для підвищення в'язкості руйнування, пластичності при кімнатній температурі, розмірної і термічної стабільності, опору повзучості. Багато титанових сплавів вводять в експлуатацію в відпаленому стані. Оскільки поліпшення однієї чи кількох властивостей зазвичай досягається за рахунок деяких інших властивостей, цикл відпалу слід вибирати відповідно до мети обробки.
Загальні способи обробки відпалом:
Млиновий відпал — це обробка загального призначення, яка застосовується до всіх продуктів млина. Це не повний відпал і може залишити сліди холодної або теплої обробки в мікроструктурах сильно оброблених виробів, зокрема листів.
Дуплексний відпал змінює форми, розміри та розподіл фаз до тих, які необхідні для покращення опору повзучості або в’язкості до руйнування. У дуплексному відпалі сплаву Corona 5, наприклад, перший відпал відбувається поблизу трансуса, щоб глобулярізувати деформований матеріал і мінімізувати його об’ємну частку. Після цього відбувається другий відпал при більш низькій температурі, щоб осадити нові лінзоподібні (голчасті) частинки між глобулярними частинками. Таке утворення голчастої форми пов’язане з поліпшенням міцності на повзучість і в’язкості до руйнування.
Для підвищення в'язкості руйнування застосовують рекристалізаційний відпал і відпал. При рекристалізаційному відпалі сплав нагрівають до верхньої межі діапазону, витримують деякий час, а потім дуже повільно охолоджують. В останні роки рекристалізаційний відпал замінив відпал для руйнівних критичних компонентів планера.
(Бета) Відпал. Як і рекристалізаційний відпал, відпал покращує в’язкість до руйнування. Бета-відпал виконується при температурах, вищих за трансус сплаву, що відпалюється. Щоб запобігти надмірному росту зерна, температура прожарювання повинна бути лише трохи вищою за трансус. Час відпалу залежить від товщини зрізу і має бути достатнім для повного перетворення. Час перебування при температурі після трансформації має бути мінімальним, щоб контролювати ріст зерна. Більші секції слід охолоджувати вентилятором або гартувати водою, щоб запобігти утворенню фази на границях зерен.
Рішення для лікування та старіння
Широкий діапазон рівнів міцності можна отримати в - або сплавах шляхом обробки розчину та старіння. За винятком унікального сплаву Ti-2.5Cu, походження реакцій на термообробку титанових сплавів полягає в нестабільності високотемпературної фази при нижчих температурах.
Нагрівання ан-сплаву до температури обробки розчином дає більший коефіцієнт фази. Такий поділ фаз підтримується гартуванням; при подальшому старінні відбувається розкладання нестабільної фази, що забезпечує високу міцність. Комерційні сплави, як правило, постачаються в стані, обробленому розчином, і потребують лише старіння. Обробка розчином титанових сплавів, як правило, передбачає нагрівання до температур, що трохи перевищують або трохи нижче температури переходу.
(Бета) сплави зазвичай отримують від виробників у стані, обробленому розчином. Якщо потрібне повторне нагрівання, час замочування має становити лише стільки, скільки необхідно для повного розчинення. Температури обробки розчину для сплавів вище трансуса; оскільки друга фаза відсутня, ріст зерна може відбуватися швидко.
- (альфа-бета) сплави. Вибір температури обробки розчину для сплавів ґрунтується на поєднанні бажаних механічних властивостей після старіння. Зміна температури обробки розчину сплавів змінює кількість фази і, отже, змінює реакцію на старіння.
Щоб отримати високу міцність із достатньою пластичністю, необхідно обробити розчин при високій температурі в полі, зазвичай на 25-85 градусів (50-150 градусів F) нижче напруженості сплаву. Якщо потрібна висока міцність на руйнування або підвищена стійкість до корозії під напругою, може бути бажаним відпал або обробка розчином. Однак термічна обробка сплавів у діапазоні спричиняє значну втрату пластичності. Ці сплави, як правило, піддаються термічній обробці в розчині нижче рівня переходу для отримання оптимального балансу пластичності, в’язкості до руйнування, повзучості та властивостей розриву під напругою.
гасіння
Якщо сплави швидко охолоджуються шляхом загартування водою з бета-області, тенденція до утворення альфа-фази пригнічується, а бета-фаза зберігається. Деякі склади сплавів, однак, виявляють своєрідну трансформацію при гарту. Цей механізм мартенситного або зсувного перетворення до кінця не вивчений. Утворення цієї структури, так званого альфа-прости, викликає деяке спотворення решітки. Це спотворення та результуюча деформація створюють матеріал, який є твердим і в’язким і має кращі властивості втоми, ніж альфа. Цей процес загартування також є початковою точкою для відпустки.
Загартовування
Коли титан гартують при високій температурі, знову нагрівають до температури, нижчої за бета-трансформацію, витримують певний час і знову гартують, то кажуть, що він був відпущений. При відпуску існують три змінні: наявні фази, час витримки та температура відпуску.
Коли початкова структура містить альфа-штрих, відбуваються дві зміни: альфа-простий перетворюється на альфа, а за більш тривалий час альфа стає зубчастим. Результатом є втрата твердості та міцності та підвищення пластичності та ударопрочності. Альфа-бета-структури, однак, не дотримуються цієї моделі. Альфа переважно залишається незмінною; бета розкладається з утворенням більшої кількості альфа за рахунок бета-фази. При низьких температурах утворюється більше альфа; таким чином, низькі температури відпуску призводять до більшого зниження міцності та твердості та більшого збільшення пластичності, ніж високотемпературний відпуск протягом однакових інтервалів часу.
Ізотермічне перетворення
Під час гарячого загартування сплаву з бета-області до температур в альфа-бета-полі та витримки протягом певного періоду часу, а потім подальшого загартування до кімнатної температури, матеріал перетворюється ізотермічно. Обробка таким чином викликає випадання альфа-фази з бета-фази. При високих температурах альфа спочатку осідає на границях зерен, а пізніше в самих бета-зернах.
Ця обробка при температурі трохи нижчій за температуру перетворення спочатку дає дуже твердий матеріал через утворення бета-прим. Якщо час витримки подовжується, твердість і міцність знижуються з супутнім збільшенням пластичності і в'язкості. При більш низьких температурах відбувається поступове підвищення твердості та крихкості, а протягом тривалого часу може бути отримана більш висока твердість, ніж при короткочасній обробці високою температурою.
(Продовження буде)
