Βασικά στοιχεία κραμάτων TC4
Το TC4 είναι η κινεζική ονομασία για το κράμα Ti-6Al-4V, το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό άλφα συν βήτα τιτανίου στον κόσμο. Περιέχει περίπου 6% αλουμίνιο ως σταθεροποιητή φάσης άλφα και περίπου 4% βανάδιο ως σταθεροποιητή φάσης βήτα και συνδυάζει πυκνότητα περίπου 4,43 g/cm³ με αντοχή εφελκυσμού συγκρίσιμη με πολλούς κραματοποιημένους χάλυβες. Η ισορροπία μεταξύ των δύο φάσεων δεν είναι σταθερή: η θερμική επεξεργασία και η παραμόρφωση αλλάζουν την αναλογία, το μέγεθος και τη μορφολογία του άλφα και του βήτα, και αυτές οι αλλαγές καθορίζουν τις μηχανικές ιδιότητες της τελικής πλάκας.
| Ονομαστική σύνθεση | Al 5,5–6,75%, V 3,5–4,5%, ισοζύγιο Ti |
| Τύπος κράματος | Άλφα συν βήτα κράμα τιτανίου |
| Θερμοκρασία beta transus | Περίπου 995 βαθμούς για τυπική χημεία |
| Εύρος τήξης | Περίπου 1604–1660 μοίρες |
| Πυκνότητα | 4,43 g/cm³ |
| Τυπικές ιδιότητες ανόπτησης πλακών | Ελάχιστη UTS 896 MPa, ελάχιστη απόδοση 828 MPa, ελάχιστη επιμήκυνση 10% |
Το beta transus αξίζει ένα σχόλιο, επειδή τα εγχειρίδια αναφέρουν τιμές από περίπου 940 μοίρες έως περίπου 1000 μοίρες. Η εξάπλωση είναι ένα φαινόμενο χημείας: επιπλέον οξυγόνο και αλουμίνιο ωθούν το transus προς τα πάνω, ενώ οι σταθεροποιητές βήτα το σπρώχνουν προς τα κάτω, έτσι δύο πλάκες ονομαστικά ίδιας ποιότητας μπορεί να διαφέρουν κατά δεκάδες μοίρες. Επομένως, κάθε πρόγραμμα θερμικής επεξεργασίας θα πρέπει να ρυθμίζεται έναντι του transus που μετράται για την πραγματική θερμότητα και όχι με ένα γενικό αριθμό.
Τι ελέγχει ο ρυθμός θέρμανσης
Κατά τη θέρμανση, το άλφα μετατρέπεται σε βήτα και ο ρυθμός με τον οποίο η πλάκα διασχίζει το πεδίο δύο φάσεων αποφασίζει πόσο από κάθε φάση υπάρχει όταν επιτευχθεί η θερμοκρασία. Η θέρμανση ταχείας αντίστασης, όπου η έξοδος ρεύματος και η ροή αερίου προσαρμόζονται για να οδηγήσουν τη θερμοκρασία της πλάκας, εμποδίζει τη μετατροπή της φάσης βήτα υψηλής θερμοκρασίας σε χονδρό άλφα κατά την άνοδο. Η αργή θέρμανση δίνει στον μετασχηματισμό χρόνο για να ολοκληρωθεί και παράγει μια πιο ισορροπημένη δομή. Επομένως, ο ρυθμός θέρμανσης και η θερμοκρασία διατήρησης συνεργάζονται και η σύγκριση των αποτελεσμάτων της δοκιμής είναι έγκυρη μόνο όταν καταγράφονται και τα δύο.
Τι ελέγχει ο ρυθμός ψύξης
Η ψύξη είναι ο ισχυρότερος μοχλός. Όταν η βήτα φάση ψύχεται, το προϊόν μετασχηματισμού εξαρτάται από το πόσο μακριά μπορούν να διαχυθούν τα άτομα πριν η θερμοκρασία πέσει εκτός του εύρους μετασχηματισμού.
| Διαδρομή ψύξης | Κατά προσέγγιση ρυθμός ψύξης | Προϊόν μετασχηματισμού | Επίδραση στο πιάτο |
|---|---|---|---|
| Ψύξη φούρνου | Κάτω από 0,1 μοίρες /δευτ | Ελεγχόμενη διάχυση ελασματοειδή άλφα συν βήτα | Χαμηλότερη αντοχή, υψηλότερη ολκιμότητα και σκληρότητα |
| Αερόψυξη | Περίπου 1–10 μοίρες /δευτ | Ισοδυναμεί με το φυλλωτό άλφα συν βήτα | Ισορροπημένη αντοχή και ολκιμότητα |
| Ενδιάμεση γρήγορη ψύξη | Περίπου 20–400 μοίρες / s | Μικτό προϊόν που περιέχει τεράστια άλφα | Η αντοχή αυξάνεται, η ολκιμότητα πέφτει |
| Πολύ γρήγορη ψύξη, σβήσιμο νερού | Πάνω από περίπου 400 μοίρες / s | Εξαγωνικός άλφα πρώτος μαρτενσίτης | Υψηλότερη αντοχή, μειωμένη ολκιμότητα, κίνδυνος παραμόρφωσης |
Οι ευρέως αναφερόμενες μελέτες ρυθμού ψύξης για το Ti-6Al-4V αναφέρουν αυτές τις τρεις αγωγές: πάνω από περίπου 400 μοίρες/δευτερόλεπτο, η φάση βήτα μετατρέπεται σχεδόν εξ ολοκλήρου σε άλφα πρώτο μαρτενσίτη, μεταξύ περίπου 20 και 400 βαθμών/δευτερόλεπτο, το προϊόν είναι ένα μείγμα που περιλαμβάνει τεράστια άλφα και κάτω από περίπου 20 μοίρες/δευτερόλεπτο, ο μετασχηματισμός είναι άλφα και ελεγχόμενη διάχυση. Η λεπτή πλάκα επιτυγχάνει υψηλούς ρυθμούς ψύξης πολύ πιο εύκολα από την παχιά πλάκα, επομένως το πάχος της πλάκας πρέπει να αποτελεί μέρος του αρχείου επεξεργασίας. ένα τμήμα που σβήνει σε 200 μοίρες /s σε ένα πάχος μπορεί να διαχειρίζεται τους ρυθμούς ψύξης του αέρα μόνο σε άλλο.
Από τη μικροδομή στις μηχανικές ιδιότητες
Ο μαρτενσίτης στο τιτάνιο δεν είναι ο ίδιος με τον μαρτενσίτη στον χάλυβα. Το Alpha prime είναι ένα προϊόν εξαγωνικού μετασχηματισμού χωρίς διάχυση που είναι ισχυρό αλλά σχετικά εύθραυστο και συνήθως είναι μόνο ένα ενδιάμεσο βήμα, επειδή η πλάκα παλαιώνεται στη συνέχεια για να αφήσει το διασκορπισμένο άλφα να κατακρημνιστεί από το διατηρημένο βήτα και να αποκαταστήσει έναν χρήσιμο συνδυασμό αντοχής και ολκιμότητας. Αυτή είναι η βάση της κλασικής οδού για το TC4: επεξεργασία διαλύματος στο πεδίο δύο φάσεων, σβήσιμο, μετά γήρανση σε χαμηλότερη θερμοκρασία για αύξηση της αντοχής, διατηρώντας παράλληλα αποδεκτή την επιμήκυνση. Όπου απαιτείται μέγιστη σκληρότητα, προτιμάται η ανόπτηση δομή άλφα συν βήτα που παράγεται από αργή ψύξη.
Υψηλότερη θερμοκρασία διαλύματος και ταχύτερη απόσβεση: πιο μετασταθερή βήτα κατακράτηση, περισσότερος μαρτενσίτης κατά την ψύξη, μεγαλύτερη αντοχή μετά τη γήρανση.
Πιο αργή θέρμανση στην ίδια θερμοκρασία: πιο πλήρης μεταμόρφωση πριν από την απόσβεση, λιγότερο διατηρημένο βήτα και χαμηλότερη αντοχή μετά τη γήρανση.
Μεγαλύτερη ή θερμότερη γήρανση: μεγαλύτερη κατακρήμνιση άλφα, υψηλότερη αντοχή, χαμηλότερη ολκιμότητα και κίνδυνος υπεργήρανσης εάν πιεστεί πολύ μακριά.
Πιο παχύρρευστη πλάκα: πιο αργή ψύξη στο τμήμα, πιο αδύναμη απόκριση στο σβήσιμο, επομένως οι ιδιότητες ποικίλλουν μεταξύ επιφάνειας και κέντρου.
Πρακτικές οδηγίες θερμικής επεξεργασίας για πλάκες
Η ανακούφιση από το στρες συνήθως εκτελείται στην περιοχή από 600 έως 650 μοίρες, η ανόπτηση της δομής άλφα συν βήτα περίπου 700 έως 800 μοίρες και η επεξεργασία διαλύματος στο πεδίο δύο φάσεων περίπου 940 έως 970 μοίρες ακολουθούμενη από σβήσιμο και γήρανση σε περίπου 480 έως 600 βαθμούς. Πάνω από περίπου 600 βαθμούς στον αέρα, η πλάκα σχηματίζει ένα σκληρό επιφανειακό στρώμα εμπλουτισμένο με οξυγόνο, επομένως η ατμόσφαιρα του κλιβάνου, η ροή αερίου και ο χρόνος στη θερμοκρασία πρέπει να ελέγχονται και το στρώμα συνήθως αφαιρείται χημικά ή μηχανικά πριν από τη λειτουργία. Η ομοιομορφία θερμοκρασίας σε όλη την πλάκα είναι εξίσου σημαντική με το ονομαστικό σημείο ρύθμισης, επειδή μια κλίση παράγει μια δομική κλίση και, μαζί με αυτήν, παραμόρφωση κατά τη διάρκεια της απόσβεσης και υπολειπόμενες τάσεις στο τελικό τμήμα.
Συχνές Ερωτήσεις
Ε: Τι σημαίνει στην πραγματικότητα η beta transus του TC4;
Είναι η θερμοκρασία πάνω από την οποία το κράμα είναι πλήρως βήτα φάση. Για το τυπικό Ti-6Al-4V είναι περίπου 995 μοίρες, αλλά το οξυγόνο και το αλουμίνιο το ανεβάζουν και οι σταθεροποιητές βήτα το χαμηλώνουν, επομένως η θερμική επεξεργασία θα πρέπει να βασίζεται στη μετρούμενη τιμή για τη θερμότητα.
Ε: Γιατί η ταχύτερη ψύξη κάνει πιο δυνατή την πλάκα TC4;
Η γρήγορη ψύξη καταστέλλει τη διάχυση, έτσι το βήτα είτε μετασχηματίζεται σε σκληρό άλφα πρώτο μαρτενσίτη είτε διατηρείται ως μετασταθερό βήτα που αργότερα καθιζάνει λεπτό άλφα κατά τη γήρανση, και τα δύο αυξάνουν την αντοχή.
Ε: Η γρήγορη ψύξη μειώνει ποτέ την απόδοση;
Ναί. Το πολύ γρήγορο σβήσιμο μειώνει την ολκιμότητα και την αντοχή σε θραύση, εισάγει παραμόρφωση και υπολειπόμενη τάση και μπορεί να δημιουργήσει μια δομή που είναι δύσκολο να επεξεργαστεί, επομένως ο ρυθμός ψύξης πρέπει να ταιριάζει με το εξάρτημα και τις προδιαγραφές.
Ε: Είναι το πάχος της πλάκας σημαντικό για τα αποτελέσματα;
Είναι καθοριστικό, γιατί το πάχος καθορίζει τον πραγματικό ρυθμό ψύξης που επιτυγχάνεται στο τμήμα. Δύο πλάκες με το ίδιο χρονοδιάγραμμα κλιβάνου μπορεί να καταλήξουν με αρκετά διαφορετικές δομές εάν το πάχος τους διαφέρει.
Ε: Τι θα συμβεί εάν το TC4 θερμανθεί πάνω από το βήτα transus;
Η δομή γίνεται πλήρως βήτα και, κατά την ψύξη, σχηματίζονται χοντρές ελασματώδεις ή μαρτενσιτικές δομές, οι οποίες συνήθως μειώνουν την ολκιμότητα και την απόδοση κόπωσης, επομένως η επεξεργασία βήτα προορίζεται για συγκεκριμένους σκοπούς.
Ε: Πώς αντιμετωπίζεται το εμπλουτισμένο με οξυγόνο επιφανειακό στρώμα;
Ελέγχεται με τον περιορισμό του χρόνου σε υψηλή θερμοκρασία στον αέρα και με τη χρήση προστατευτικής ατμόσφαιρας, στη συνέχεια αφαιρείται με τουρσί ή μηχανική κατεργασία πριν η πλάκα τεθεί σε λειτουργία.
