ข้อกำหนดทางเทคนิคและมาตรฐานอ้างอิงสำหรับแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม

ข้อกำหนดทางเทคนิคและมาตรฐานอ้างอิงสำหรับแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม

1. การจำแนกประเภทและเกรดวัสดุ

แผ่นโลหะผสมไทเทเนียมแบ่งกว้าง ๆ ออกเป็นสี่ประเภทตามโครงสร้างจุลภาคและองค์ประกอบของโลหะผสม อัลฟ่าอัลลอยด์ เช่น Ti-5Al-2.5Sn (เกรด 6) มีสารเพิ่มความคงตัวอัลฟ่าเป็นหลัก เช่น อลูมิเนียมและดีบุก โลหะผสมเหล่านี้มีความสามารถในการเชื่อมและการต้านทานการคืบคลานที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูง ทำให้เหมาะสำหรับโครงสร้างเฟรมเครื่องบินและการใช้งานด้วยความเย็นจัด อัลลอยด์อัลฟ่าใกล้เคียง- รวมถึง Ti-8Al-1Mo-1V (เกรด 9) และ Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo รวมสารเพิ่มความคงตัวเบต้าจำนวนเล็กน้อยในขณะที่ยังคงรักษาโครงสร้างที่เน้นอัลฟ่าไว้ ซึ่งช่วยเพิ่มเสถียรภาพที่อุณหภูมิสูงให้กับส่วนประกอบเครื่องยนต์กังหันแก๊ส

โลหะผสมอัลฟ่า-เป็นโลหะผสมประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดย Ti-6Al-4V (เกรด 5) เป็นโลหะผสมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การแพทย์ และอุตสาหกรรม โลหะผสมนี้ให้ความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความแข็งแรง ความเหนียว และความเหนียวแตกหักผ่านโครงสร้างจุลภาคแบบสองเฟส Ti-6Al-4V ELI (เกรด 23) รุ่นคั่นระหว่างหน้าที่ต่ำเป็นพิเศษ จะจำกัดปริมาณออกซิเจน เหล็ก และไฮโดรเจน เพื่อเพิ่มความทนทานต่อความเสียหายสำหรับการใช้งานที่สำคัญ โลหะผสมเบต้า เช่น Ti-10V-2Fe-3Al และ Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn สามารถผ่านการบำบัดด้วยสารละลายและบ่มเพื่อให้ได้ระดับความแข็งแกร่งสูงสุดในบรรดาโลหะผสมไทเทเนียม โดยมีข้อได้เปรียบเป็นพิเศษในด้านความสามารถในการขึ้นรูปก่อนการอบชุบด้วยความร้อน

2. ข้อกำหนดองค์ประกอบทางเคมี

องค์ประกอบทางเคมีของแผ่นโลหะผสมไทเทเนียมต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อให้มั่นใจถึงคุณสมบัติทางกลที่สม่ำเสมอและความต้านทานการกัดกร่อน สำหรับ Ti-6Al-4V (เกรด 5) ปริมาณอลูมิเนียมอยู่ในช่วง 5.50 ถึง 6.75 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่วานาเดียมมีตั้งแต่ 3.50 ถึง 4.50 เปอร์เซ็นต์ เหล็กจำกัดอยู่ที่ 0.30 เปอร์เซ็นต์ ออกซิเจน 0.20 เปอร์เซ็นต์ คาร์บอน 0.08 เปอร์เซ็นต์ ไนโตรเจน 0.05 เปอร์เซ็นต์ และไฮโดรเจน 0.015 เปอร์เซ็นต์ รวมธาตุคงเหลือทั้งหมดต้องไม่เกินร้อยละ 0.40

สำหรับเกรด ELI อลูมิเนียมจำกัดไว้ที่ 5.50 ถึง 6.50 เปอร์เซ็นต์ เหล็กสูงสุด 0.25 เปอร์เซ็นต์ ออกซิเจน 0.13 เปอร์เซ็นต์ และไฮโดรเจน 0.0125 เปอร์เซ็นต์ ระดับสิ่งของคั่นกลางที่ลดลงเหล่านี้ช่วยเพิ่มความทนทานต่อการแตกหักและความเหนียวได้อย่างมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเกรดนี้จึงจำเป็นสำหรับการปลูกถ่ายการผ่าตัดและส่วนประกอบโครงสร้างการบินและอวกาศที่สำคัญ Ti-5Al-2.5Sn (เกรด 6) อนุญาตให้ใช้อะลูมิเนียมได้ระหว่าง 4.00 ถึง 6.00 เปอร์เซ็นต์ ดีบุกระหว่าง 2.00 ถึง 3.00 เปอร์เซ็นต์ โดยมีเหล็กไม่เกิน 0.50 เปอร์เซ็นต์ และไฮโดรเจนไม่เกิน 0.020 เปอร์เซ็นต์ ขีดจำกัดออกซิเจนตรงกับมาตรฐาน Ti-6Al-4V ที่ 0.20 เปอร์เซ็นต์

3. ข้อกำหนดด้านทรัพย์สินทางกล

ที่อุณหภูมิห้องในทิศทางตามยาว เพลต Ti-6Al-4V จะต้องมีความต้านทานแรงดึงสูงสุดขั้นต่ำที่ 895 MPa, ความแข็งแรงของผลผลิตขั้นต่ำที่ 0.2 เปอร์เซ็นต์ออฟเซ็ตที่ 828 MPa, การยืดตัวขั้นต่ำ 10 เปอร์เซ็นต์ และลดพื้นที่ขั้นต่ำ 25 เปอร์เซ็นต์ ตัวแปร ELI ยังคงรักษาข้อกำหนดในการยืดตัวและการลดเหมือนเดิม แต่มีระดับความแข็งแรงลดลงเล็กน้อย: ความต้านทานแรงดึงสูงสุดขั้นต่ำ 860 MPa และความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำ 795 MPa Ti-5Al-2.5Sn ต้องการความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำ 827 MPa, ความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำ 759 MPa และหน่วยวัดความเหนียวที่ตรงกัน

สำหรับการให้บริการที่อุณหภูมิสูง เพลต Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo จะต้องแสดงความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำ 620 MPa ที่ 315 องศาเซลเซียส โดยมีการตรวจสอบความต้านทานการคืบที่ 425 องศาเซลเซียส ความทนทานต่อการแตกหักถือเป็นตัวแปรสำคัญสำหรับการออกแบบที่ทนทานต่อความเสียหาย แผ่น ELI Ti-6Al-4V ต้องมีความทนทานต่อการแตกหักของความเครียดระนาบ K_IC อย่างน้อย 75 MPa รากที่สองของเมตร ในขณะที่ Ti-5Al-2.5Sn ต้องใช้รากที่สองของเมตรขั้นต่ำ 55 MPa ความต้องการพลังงานกระแทกแบบ Charpy V-notch คือ 20 จูล และ 16 จูล ตามลำดับ

4. ความคลาดเคลื่อนมิติและการตกแต่งพื้นผิว

ความทนทานต่อความหนาแตกต่างกันไปตามความหนาของแผ่น สำหรับเพลตที่มีขนาดสูงสุด 6.35 มิลลิเมตร ค่าเผื่อมาตรฐานคือบวกหรือลบ 0.13 มิลลิเมตร โดยมีพิกัดความเผื่อที่แม่นยำเพิ่มขึ้นเป็นบวกหรือลบ 0.08 มิลลิเมตร ระหว่าง 6.35 ถึง 25.4 มิลลิเมตร ค่าเผื่อมาตรฐานจะกลายเป็นบวกหรือลบ 0.25 มิลลิเมตร โดยมีความแม่นยำที่บวกหรือลบ 0.13 มิลลิเมตร สำหรับเพลตที่มีขนาดเกิน 25.4 มม. ถึง 50.8 มม. ค่าเผื่อมาตรฐานคือบวกหรือลบ 0.38 มม. และค่าเผื่อความแม่นยำคือบวกหรือลบ 0.25 มม.

ความทนทานต่อความกว้างคือบวก 6.35 มม. โดยไม่มีลบภายใต้เงื่อนไขมาตรฐาน และปรับให้แน่นขึ้นเป็น 3.18 มม. เพื่อความแม่นยำ ค่าเผื่อความยาวคือบวกมาตรฐาน 25 มม. บวกความแม่นยำ 13 มม. ความเรียบต้องไม่เกิน 3.2 มิลลิเมตรต่อเมตรภายใต้ข้อกำหนดมาตรฐาน หรือ 1.6 มิลลิเมตรต่อเมตรสำหรับแผ่นความแม่นยำ Edge camber ถูกจำกัดไว้ที่ 3.2 มิลลิเมตรต่อความแม่นยำ 3 เมตร และ 1.6 มิลลิเมตรต่อความแม่นยำ 3 เมตร

ข้อกำหนดการตกแต่งพื้นผิวขึ้นอยู่กับวิธีการประมวลผล แผ่นรีดร้อน-ต้องมีค่าความหยาบผิว Ra ไม่เกิน 6.3 ไมโครเมตร แผ่นรีดเย็น-หรือแผ่นดองด้วยสารเคมีต้องใช้ Ra ไม่เกิน 3.2 ไมโครเมตร แผ่นกราวด์ที่มีความแม่นยำ-ต้องการ Ra ไม่เกิน 1.6 ไมโครเมตร

5. ข้อกำหนดทางโลหการ

โครงสร้างจุลภาคของแผ่นโลหะผสมไทเทเนียมอัลฟ่า-เบต้าในสภาวะการอบอ่อน-ของโรงสีจะต้องประกอบด้วยเฟสอัลฟ่าหลักที่เท่ากันซึ่งกระจายอยู่ภายในเมทริกซ์เบตาที่ถูกแปลงสภาพ ไม่อนุญาตให้ใช้เฟสอัลฟ่าขอบเขตเกรนแบบต่อเนื่องเนื่องจากจะทำให้ความเหนียวและความต้านทานต่อความล้าลดลง ขนาดของเกรนต้องเป็น ASTM 5 หรือละเอียดกว่า โดยการผลิตโดยทั่วไปบรรลุ ASTM 6 ถึง 8 กรณีอัลฟ่าซึ่งเป็นชั้นผิวที่มีออกซิเจนแข็ง- ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการประมวลผลที่อุณหภูมิสูง- จะต้องถูกกำจัดออกทั้งหมด การตรวจสอบต้องใช้การทำโปรไฟล์ความแข็งระดับไมโคร-ซึ่งไม่มีการเพิ่มความแข็งที่พื้นผิว หรือการตรวจสอบทางโลหะวิทยาเพื่อยืนยันว่าไม่มีชั้นอัลฟา-ที่คงตัวเหลืออยู่

เกล็ดเบต้าซึ่งเป็นบริเวณที่มีการเสริมสมรรถนะความเสถียรแบบเบต้า-เฉพาะที่ เป็นสิ่งต้องห้ามในการใช้งานด้านการบินและอวกาศที่สำคัญ ตรวจพบได้ผ่านการตรวจสอบการกัดแบบมาโคร-โดยใช้รีเอเจนต์ที่เหมาะสม เนื้อหาที่รวมอยู่ได้รับการจัดอันดับตาม ASTM E45 วิธี A โดยมีระดับสูงสุดที่อนุญาตคือ A2, B2, C2 และ D2 สำหรับการรวมออกไซด์แบบบาง หนัก ซิลิเกต และทรงกลมตามลำดับ

6. ข้อกำหนดการทดสอบแบบไม่ทำลาย-

การทดสอบอัลตราโซนิคเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับเพลตทั้งหมดที่มีขนาด 6.35 มิลลิเมตรขึ้นไป ซึ่งดำเนินการตามเกณฑ์ AMS-STD-2154 Class A ไม่ยอมรับข้อบ่งชี้ที่เกินกว่าเทียบเท่ากับรูก้นแบนขนาด 3.2 มม. การทดสอบสารแทรกซึมของสีย้อมใช้กับพื้นผิวสำเร็จรูปทั้งหมดตามมาตรฐาน ASTM E1417 โดยไม่มีข้อบ่งชี้เชิงเส้นที่มีความยาวเกิน 3.2 มิลลิเมตร การทดสอบด้วยรังสีเอกซ์สงวนไว้สำหรับพื้นที่เชื่อมหรือซ่อมแซมตามมาตรฐาน ASTM E1742 การทดสอบกระแสเอ็ดดี้อาจใช้แทนการทดสอบอัลตราโซนิกบนแผ่นบางที่มีขนาดต่ำกว่า 6.35 มิลลิเมตร ตามขั้นตอน ASTM E426 โดยมีความไวที่กำหนดโดยข้อตกลงระหว่างผู้ซื้อและซัพพลายเออร์

7. สภาวะการรักษาความร้อน

แผ่นอบอ่อน-ของโรงสีได้รับการประมวลผลที่อุณหภูมิ 704 ถึง 760 องศาเซลเซียส ตามด้วยการระบายความร้อนด้วยอากาศ สภาวะนี้ให้คุณสมบัติที่สมดุลสำหรับการใช้งานทั่วไป การอบอ่อนสองทางเกี่ยวข้องกับการบำบัดสารละลายที่อุณหภูมิ 954 องศาเซลเซียสโดยใช้น้ำดับ ตามด้วยอุณหภูมิอากาศเย็น 538 องศาเซลเซียส ซึ่งช่วยเพิ่มความทนทานต่อการแตกหักสำหรับการออกแบบที่ทนทานต่อความเสียหาย- เพลตที่ผ่านการบำบัดด้วยสารละลายและบ่มจะมีความแข็งแรงสูงสุดโดยการบำบัดที่อุณหภูมิ 927 องศาเซลเซียส ด้วยการดับน้ำ จากนั้นบ่มที่อุณหภูมิ 538 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 4 ถึง 8 ชั่วโมง การอบอ่อนด้วยเบต้าที่อุณหภูมิ 1,010 องศาเซลเซียสด้วยการระบายความร้อนด้วยอากาศ ตามด้วยการคงตัวที่ 760 องศาเซลเซียส ทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคเบตาที่ได้รับการเปลี่ยนแปลงซึ่งปรับให้เหมาะสมสำหรับการต้านทานการคืบในการใช้งานเครื่องยนต์การบินและอวกาศ การคลายความเครียดที่อุณหภูมิ 538 ถึง 649 องศาเซลเซียสหลังการตัดเฉือนหรือการขึ้นรูป

การบำบัดความร้อนทั้งหมดจะต้องเกิดขึ้นในสุญญากาศที่ 10 ถึงลบ 3 มิลลิบาร์หรือดีกว่า หรือในบรรยากาศอาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูง- กรณีอัลฟ่าใดๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการอบชุบจะต้องถูกถอดออกทั้งหมดก่อนการตรวจสอบขั้นสุดท้าย

8. มาตรฐานอ้างอิง

ข้อกำหนดหลักสำหรับแผ่นโลหะผสมไทเทเนียมคือ ASTM B265 ซึ่งครอบคลุมแถบ แผ่น และแผ่นโลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียม มาตรฐานนี้กำหนดขีดจำกัดขององค์ประกอบทางเคมี ข้อกำหนดคุณสมบัติทางกล ความคลาดเคลื่อนของขนาด และข้อกำหนดด้านคุณภาพทั่วไป ASTM B348 สำหรับแท่งและแท่งเหล็กเป็นข้อมูลอ้างอิงการทดสอบสมบัติทางกลเพิ่มเติม

สำหรับวิธีการทดสอบทางกล ASTM E8 และ E8M จะควบคุมการทดสอบแรงดึงของวัสดุที่เป็นโลหะ การตรวจสอบความแข็งเป็นไปตาม ASTM E18 สำหรับความแข็ง Rockwell หรือ ASTM E10 สำหรับความแข็ง Brinell การประเมินเนื้อหาที่รวมเข้าใช้ ASTM E45 ซึ่งปรับให้เหมาะกับโลหะผสมไทเทเนียม การวัดขนาดเกรนเป็นไปตาม ASTM E112 การทำโปรไฟล์ความแข็งระดับไมโคร-ตาม ASTM E384 จะตรวจจับกรณีอัลฟ่าที่ตกค้าง การเตรียมและการกัดตัวอย่างโลหะวิทยาเป็นไปตาม ASTM E3 และ ASTM E407 ตามลำดับ

มาตรฐานการทดสอบแบบไม่ทำลาย-ประกอบด้วย ASTM E1417 สำหรับการทดสอบการแทรกซึมของของเหลว, ASTM E1742 สำหรับการตรวจด้วยภาพรังสี และ ASTM E426 สำหรับการทดสอบกระแสไหลวนแม่เหล็กไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์บางๆ คำแนะนำในการเตรียมพื้นผิวและการขจัดตะกรันมีอยู่ใน ASTM B600

ข้อมูลจำเพาะของวัสดุการบินและอวกาศมีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับการใช้งานที่สำคัญในการบิน- AMS 4907 ครอบคลุมเพลต Ti-6Al-4V ในสภาวะอบอ่อน AMS 4911 จัดการกับเพลต Ti-6Al-4V ที่ผ่านการบำบัดและมีอายุแล้ว AMS 4930 ระบุแผ่น Ti-6Al-4V คั่นระหว่างหน้าต่ำเป็นพิเศษ AMS 4940 ใช้กับเพลต Ti-5Al-2.5Sn AMS 4943 ครอบคลุมแผ่นโลหะผสมเบต้า Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn AMS 4945 กล่าวถึงแผ่นโลหะผสม Ti-8Al-1Mo-1V ใกล้อัลฟา เกณฑ์การยอมรับการตรวจสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงถูกกำหนดไว้ใน AMS-STD-2154

ข้อกำหนดทางการทหารดั้งเดิมประกอบด้วย MIL-T-9046 สำหรับแผ่น แถบ และแผ่นไทเทเนียม และ MIL-T-9047 สำหรับแท่งและการตีขึ้นรูป การทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมเป็นไปตาม MIL-STD-810

มาตรฐานสากลประกอบด้วย ISO 5832-3 สำหรับการปลูกถ่ายโลหะผสม Ti-6Al-4V และ ISO 5832-10 สำหรับการปลูกถ่ายโลหะผสม Ti-5Al-2.5Fe British Standards BS 2TA 2 และ BS 2TA 11 ครอบคลุมแผ่นและแผ่น Ti-6Al-4V DIN 17850 ของเยอรมันมีข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับโลหะผสมไทเทเนียมดัดขึ้นรูป JIS H4600 ของญี่ปุ่นกล่าวถึงแผ่น แผ่น และแถบ มาตรฐานแห่งชาติของจีน GB/T 3621 และมาตรฐานทางการทหาร GJB 2505A ใช้กับแผ่นโลหะผสมไทเทเนียมเกรดการบิน

9. การสมัคร-ข้อกำหนดเฉพาะ

การใช้งานด้านโครงสร้างการบินและอวกาศต้องการข้อมูลความล้าของวงจร-สูง การวิเคราะห์ความทนทานต่อความเสียหาย และการปฏิบัติตาม NDT ระดับ A ตาม AMS 4907, AMS 4911 และ AMS-STD-2154 ส่วนประกอบเครื่องยนต์การบินและอวกาศต้องการคุณสมบัติแรงดึงที่อุณหภูมิสูง การตรวจสอบความต้านทานการคืบ และการทดสอบเสถียรภาพทางความร้อนตาม AMS 4945 และ ASTM E139

การใช้งานอุปกรณ์ปลูกฝังทางการแพทย์กำหนดให้มีการทดสอบความเข้ากันได้ทางชีวภาพ รวมถึงการทดสอบความเป็นพิษต่อเซลล์และอาการแพ้ โดยใช้วัสดุเกรด ELI ตามมาตรฐาน ISO 5832-3, ASTM F136 และ ASTM F1472 อุปกรณ์แปรรูปทางเคมีต้องมีการตรวจสอบความต้านทานการกัดกร่อนในตัวกลางกระบวนการเฉพาะ และแสดงให้เห็นความสามารถในการเชื่อมตามมาตรฐาน ASTM B265, ASTM G28 และ NACE MR0175 หรือ ISO 15156 โครงสร้างทางทะเลและนอกชายฝั่งจะต้องต้านทานการกัดกร่อนของน้ำทะเล และแสดงให้เห็นถึงความเข้ากันได้กับระบบป้องกันแคโทดตาม ASTM B265 และ DNV-OS-B401 การใช้งานนิวเคลียร์จะควบคุมหน้าตัดการดูดกลืนนิวตรอน ความคงตัวของรังสี และปริมาณธาตุตามรหัสหม้อไอน้ำและภาชนะรับความดัน ASME ส่วนที่ II ส่วน D

10. การรับรองและเอกสารประกอบ

ล็อตการผลิตแต่ละล็อตจะต้องมีใบรับรองการทดสอบโรงงานซึ่งบันทึกผลการวิเคราะห์ทางเคมี ผลการทดสอบคุณสมบัติทางกล การตรวจสอบย้อนกลับของจำนวนความร้อน และขนาดที่วัดได้จริง ใบรับรองนี้มีผลบังคับใช้ตามมาตรฐาน ASTM B265 ใบรับรองการทดสอบแบบไม่ทำลาย-จะรายงานผลอัลตราโซนิก การแทรกซึม หรือภาพรังสีพร้อมบันทึกคุณสมบัติผู้ปฏิบัติงาน รายงานทางโลหะวิทยาประกอบด้วยโฟโตไมโครกราฟโครงสร้างจุลภาค ขนาดเกรนที่วัดได้ และการจัดอันดับการรวมสำหรับการใช้งานที่สำคัญ ใบรับรองการรักษาความร้อนจะบันทึกพารามิเตอร์รอบการทำงาน ประเภทบรรยากาศ และบันทึกการสอบเทียบเทอร์โมคัปเปิล รายงานการตรวจสอบย้อนกลับฉบับสมบูรณ์จะระบุแหล่งที่มาของวัสดุ แนวทางปฏิบัติในการหลอม และประวัติการประมวลผลที่สมบูรณ์ ซึ่งจำเป็นสำหรับการปฏิบัติตามกฎระเบียบด้านการบินและอวกาศและอุปกรณ์ทางการแพทย์