Keperluan Teknikal dan Piawaian Rujukan untuk Plat Aloi Titanium
1. Pengelasan dan Gred Bahan
Plat aloi titanium secara meluas dikelaskan kepada empat kategori berdasarkan struktur mikro dan komposisi pengaloiannya. Aloi alfa, seperti Ti-5Al-2.5Sn (Gred 6), mengandungi terutamanya penstabil alfa seperti aluminium dan timah. Aloi ini menawarkan kebolehkimpalan dan rintangan rayapan yang sangat baik pada suhu tinggi, menjadikannya sesuai untuk struktur kerangka udara dan aplikasi kriogenik. Berhampiran-aloi alfa, termasuk Ti-8Al-1Mo-1V (Gred 9) dan Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, menggabungkan sejumlah kecil penstabil beta sambil mengekalkan struktur dominan alfa. Ia memberikan kestabilan suhu tinggi yang lebih baik untuk komponen enjin turbin gas.
Aloi alpha-beta mewakili kategori yang paling banyak digunakan, dengan Ti-6Al-4V (Gred 5) merupakan aloi kuda kerja merentas sektor aeroangkasa, perubatan dan perindustrian. Aloi ini mencapai keseimbangan kekuatan, kemuluran dan keliatan patah yang optimum melalui struktur mikro dwi fasanya. Varian interstisial yang lebih rendah, Ti-6Al-4V ELI (Gred 23), mengehadkan kandungan oksigen, besi dan hidrogen untuk meningkatkan toleransi kerosakan untuk aplikasi kritikal. Aloi beta seperti Ti-10V-2Fe-3Al dan Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn boleh dirawat dengan penyelesaian dan berumur untuk mencapai tahap kekuatan tertinggi antara aloi titanium, dengan kelebihan tertentu dalam kebolehbentukan sebelum rawatan haba.
2. Keperluan Komposisi Kimia
Komposisi kimia plat aloi titanium mesti dikawal ketat untuk memastikan sifat mekanikal yang konsisten dan rintangan kakisan. Untuk Ti-6Al-4V (Gred 5), kandungan aluminium berjulat antara 5.50 hingga 6.75 peratus, manakala vanadium berjulat dari 3.50 hingga 4.50 peratus. Besi dihadkan kepada 0.30 peratus maksimum, oksigen kepada 0.20 peratus, karbon kepada 0.08 peratus, nitrogen kepada 0.05 peratus, dan hidrogen kepada 0.015 peratus. Jumlah semua elemen baki mestilah tidak melebihi 0.40 peratus.
Untuk gred ELI, aluminium dihadkan kepada 5.50 hingga 6.50 peratus, besi kepada 0.25 peratus maksimum, oksigen kepada 0.13 peratus, dan hidrogen kepada 0.0125 peratus. Tahap interstisial yang berkurangan ini meningkatkan keliatan dan kemuluran patah dengan ketara, itulah sebabnya gred ini diwajibkan untuk implan pembedahan dan komponen struktur aeroangkasa yang kritikal. Ti-5Al-2.5Sn (Gred 6) membenarkan aluminium antara 4.00 dan 6.00 peratus, timah antara 2.00 dan 3.00 peratus, dengan besi sehingga 0.50 peratus dan hidrogen sehingga 0.020 peratus. Had oksigen sepadan dengan standard Ti-6Al-4V pada 0.20 peratus.
3. Keperluan Harta Mekanikal
Pada suhu bilik dalam arah membujur, plat Ti-6Al-4V mesti mencapai kekuatan tegangan muktamad minimum 895 MPa, kekuatan hasil minimum pada 0.2 peratus mengimbangi 828 MPa, pemanjangan minimum 10 peratus, dan pengurangan minimum keluasan 25 peratus. Varian ELI mengekalkan keperluan pemanjangan dan pengurangan yang sama tetapi dengan tahap kekuatan yang berkurangan sedikit: 860 kekuatan tegangan muktamad minimum MPa dan kekuatan hasil minimum 795 MPa. Ti-5Al-2.5Sn memerlukan kekuatan tegangan minimum 827 MPa, kekuatan hasil minimum 759 MPa dan metrik kemuluran yang sepadan.
Untuk perkhidmatan suhu tinggi, plat Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo mesti menunjukkan kekuatan tegangan minimum 620 MPa pada 315 darjah Celsius, dengan rintangan rayapan disahkan pada 425 darjah Celsius. Keliatan patah mewakili parameter kritikal untuk reka bentuk tahan kerosakan. Plat Ti-6Al-4V ELI mesti mencapai keliatan patah terikan satah K_IC sekurang-kurangnya 75 MPa punca kuasa dua meter, manakala Ti-5Al-2.5Sn memerlukan 55 MPa punca kuasa dua meter minimum. Keperluan tenaga impak V-notch Charpy ialah 20 joule dan 16 joule masing-masing.
4. Toleransi Dimensi dan Kemasan Permukaan
Toleransi ketebalan berbeza mengikut ketebalan plat. Untuk plat sehingga 6.35 milimeter, toleransi standard ialah tambah atau tolak 0.13 milimeter, dengan toleransi ketepatan diketatkan kepada tambah atau tolak 0.08 milimeter. Antara 6.35 dan 25.4 milimeter, toleransi standard menjadi tambah atau tolak 0.25 milimeter, dengan ketepatan pada tambah atau tolak 0.13 milimeter. Untuk plat yang melebihi 25.4 milimeter sehingga 50.8 milimeter, toleransi standard adalah tambah atau tolak 0.38 milimeter dan toleransi ketepatan adalah tambah atau tolak 0.25 milimeter.
Toleransi lebar ditambah 6.35 milimeter tanpa tolak dalam keadaan standard, diketatkan kepada tambah 3.18 milimeter untuk ketepatan. Toleransi panjang ditambah standard 25 milimeter, ditambah ketepatan 13 milimeter. Kerataan tidak boleh melebihi 3.2 milimeter semeter di bawah keperluan standard, atau 1.6 milimeter semeter untuk plat ketepatan. Kamber tepi dihadkan kepada 3.2 milimeter setiap 3 meter standard, dan 1.6 milimeter setiap 3 meter ketepatan.
Keperluan kemasan permukaan bergantung pada kaedah pemprosesan. Plat bergolek-panas mesti mencapai kekasaran permukaan Ra tidak melebihi 6.3 mikrometer. Plat sejuk-digulung atau acar secara kimia memerlukan Ra tidak melebihi 3.2 mikrometer. Ketepatan-plat tanah memerlukan Ra tidak melebihi 1.6 mikrometer.
5. Keperluan Metalurgi
Struktur mikro alfa-plat aloi titanium beta dalam kilang-keadaan sepuhlindap mestilah terdiri daripada fasa alfa primer sama yang diedarkan dalam matriks beta yang diubah. Fasa alfa sempadan butiran berterusan tidak dibenarkan kerana ia merendahkan kemuluran dan rintangan lesu. Saiz butiran mestilah ASTM 5 atau lebih halus, dengan pengeluaran tipikal mencapai ASTM 6 hingga 8. Sarung alfa, lapisan permukaan diperkaya dengan oksigen keras-yang terbentuk semasa pemprosesan suhu tinggi-, mesti dialih keluar sepenuhnya. Pengesahan memerlukan-profil kekerasan mikro yang tidak menunjukkan lonjakan kekerasan pada permukaan, atau pemeriksaan metalografi yang mengesahkan tiada lapisan terstabil alfa-yang kekal.
Bintik beta, yang merupakan kawasan setempat bagi-pengayaan penstabil beta, dilarang dalam aplikasi aeroangkasa kritikal. Ia dikesan melalui-pemeriksaan etsa makro menggunakan reagen yang sesuai. Kandungan kemasukan dinilai mengikut Kaedah ASTM E45 A, dengan tahap maksimum yang dibenarkan iaitu A2, B2, C2 dan D2 untuk kemasukan nipis, berat, silikat dan globular oksida masing-masing.
6. Keperluan Ujian Tidak{1}}Merosakkan
Ujian ultrasonik adalah wajib untuk semua plat 6.35 milimeter dan lebih tebal, dijalankan mengikut kriteria AMS-STD-2154 Kelas A. Tiada petunjuk yang melebihi setara dengan lubang bawah rata 3.2 milimeter boleh diterima. Ujian penembus pewarna digunakan untuk semua permukaan siap setiap ASTM E1417, tanpa petunjuk linear melebihi 3.2 milimeter panjang. Ujian radiografi dikhaskan untuk kawasan dikimpal atau pembaikan setiap ASTM E1742. Ujian arus pusar boleh menggantikan ujian ultrasonik pada plat nipis di bawah 6.35 milimeter, mengikut prosedur ASTM E426 dengan sensitiviti yang ditetapkan melalui perjanjian antara pembeli dan pembekal.
7. Keadaan Rawatan Haba
Kilang-plat anil diproses pada 704 hingga 760 darjah Celsius diikuti dengan penyejukan udara. Keadaan ini menyediakan sifat seimbang untuk aplikasi umum. Penyepuhlindapan dupleks melibatkan rawatan penyelesaian pada suhu 954 darjah Celsius dengan pelindapkejutan air, diikuti dengan penyejukan udara 538 darjah Celsius, meningkatkan keliatan patah untuk reka bentuk yang tahan kerosakan-. Penyelesaian dirawat dan plat berumur mencapai kekuatan maksimum melalui rawatan pada 927 darjah Celsius dengan pelindapkejutan air, kemudian penuaan pada 538 darjah Celsius selama 4 hingga 8 jam. Penyepuhlindapan beta pada 1010 darjah Celcius dengan penyejukan udara, diikuti dengan penstabilan pada 760 darjah Celcius, menghasilkan struktur mikro beta berubah yang dioptimumkan untuk rintangan rayapan dalam aplikasi enjin aeroangkasa. Pelepasan tekanan pada 538 hingga 649 darjah Celsius selepas operasi pemesinan atau pembentukan.
Semua rawatan haba mesti berlaku dalam vakum pada 10 hingga tolak 3 milibar atau lebih baik, atau dalam-suasana argon ketulenan tinggi. Sebarang kes alfa yang terbentuk semasa rawatan haba mesti dikeluarkan sepenuhnya sebelum pemeriksaan akhir.
8. Piawaian Rujukan
Spesifikasi utama untuk plat aloi titanium ialah ASTM B265, meliputi jalur, kepingan dan plat aloi titanium dan titanium. Piawaian ini mentakrifkan had komposisi kimia, keperluan sifat mekanikal, toleransi dimensi, dan peruntukan kualiti am. ASTM B348 untuk bar dan bilet menyediakan rujukan ujian mekanikal tambahan.
Untuk metodologi ujian mekanikal, ASTM E8 dan E8M mengawal ujian ketegangan bahan logam. Pengesahan kekerasan mengikuti ASTM E18 untuk kekerasan Rockwell atau ASTM E10 untuk kekerasan Brinell. Penilaian kandungan kemasukan menggunakan ASTM E45, disesuaikan untuk aloi titanium. Pengukuran saiz bijian mengikut ASTM E112. Pemprofilan-kekerasan mikro setiap ASTM E384 mengesan kes alfa yang tinggal. Penyediaan sampel metalografik dan goresan mengikut ASTM E3 dan ASTM E407 masing-masing.
Piawaian ujian tidak{0}}memusnahkan termasuk ASTM E1417 untuk ujian penembus cecair, ASTM E1742 untuk pemeriksaan radiografik dan ASTM E426 untuk ujian arus pusar elektromagnet bagi produk nipis. Panduan penyediaan permukaan dan penyahkerak didapati dalam ASTM B600.
Spesifikasi Bahan Aeroangkasa menyediakan keperluan yang lebih ketat untuk-aplikasi kritikal penerbangan. AMS 4907 meliputi plat Ti-6Al-4V dalam keadaan anil. AMS 4911 menangani penyelesaian yang dirawat dan plat Ti-6Al-4V yang berumur. AMS 4930 menentukan plat Ti-6Al-4V interstisial rendah tambahan. AMS 4940 terpakai pada plat Ti-5Al-2.5Sn. AMS 4943 meliputi plat aloi beta Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 menangani plat aloi hampir alfa Ti-8Al-1Mo-1V. Kriteria penerimaan pemeriksaan ultrasonik ditakrifkan dalam AMS-STD-2154.
Spesifikasi tentera warisan termasuk MIL-T-9046 untuk kepingan, jalur dan plat titanium serta MIL-T-9047 untuk bar dan penempaan. Ujian alam sekitar mengikuti MIL-STD-810.
Piawaian antarabangsa termasuk ISO 5832-3 untuk implan pembedahan aloi Ti-6Al-4V tempa dan ISO 5832-10 untuk implan aloi Ti-5Al-2.5Fe. Piawaian British BS 2TA 2 dan BS 2TA 11 meliputi kepingan dan plat Ti-6Al-4V. DIN Jerman 17850 menyediakan spesifikasi teknikal untuk aloi titanium tempa. JIS H4600 Jepun menangani helaian, plat dan jalur. Standard kebangsaan Cina GB/T 3621 dan standard ketenteraan GJB 2505A digunakan pada plat aloi titanium gred penerbangan.
9. Permohonan-Keperluan Khusus
Aplikasi struktur aeroangkasa menuntut-data kelesuan kitaran tinggi, analisis toleransi kerosakan dan pematuhan NDT Tahap A bagi setiap AMS 4907, AMS 4911 dan AMS-STD-2154. Komponen enjin aeroangkasa memerlukan sifat tegangan suhu tinggi, pengesahan rintangan rayapan dan ujian kestabilan terma bagi setiap AMS 4945 dan ASTM E139.
Aplikasi implan perubatan mewajibkan ujian biokompatibiliti termasuk ujian sitotoksisiti dan pemekaan, dengan bahan gred ELI wajib mengikut ISO 5832-3, ASTM F136 dan ASTM F1472. Peralatan pemprosesan kimia memerlukan pengesahan rintangan kakisan dalam media proses tertentu dan menunjukkan kebolehkimpalan setiap ASTM B265, ASTM G28 dan NACE MR0175 atau ISO 15156. Struktur marin dan luar pesisir mesti menahan kakisan air laut dan menunjukkan keserasian dengan sistem perlindungan katodik setiap ASTM B265 dan DNV-OS{{011} Aplikasi nuklear mengawal keratan rentas penyerapan neutron, kestabilan sinaran dan kandungan unsur surih setiap Dandang ASME dan Kod Kapal Tekanan Bahagian II Bahagian D.
10. Pensijilan dan Dokumentasi
Setiap lot pengeluaran mesti disertakan dengan Sijil Ujian Kilang yang mendokumenkan keputusan analisis kimia, keputusan ujian sifat mekanikal, kebolehkesanan nombor haba dan dimensi yang diukur sebenar. Sijil ini adalah wajib bagi setiap ASTM B265. Sijil ujian tidak{2}}memusnahkan melaporkan keputusan ultrasonik, penembus atau radiografi dengan rekod kelayakan pengendali. Laporan metalurgi termasuk fotomikrograf mikrostruktur, saiz butiran yang diukur dan penilaian kemasukan untuk aplikasi kritikal. Sijil rawatan haba mendokumenkan parameter kitaran, jenis atmosfera dan rekod penentukuran termokopel. Laporan kebolehkesanan penuh mewujudkan asal bahan, amalan cair dan sejarah pemprosesan lengkap, yang penting untuk pematuhan kawal selia aeroangkasa dan peranti perubatan.
