المتطلبات الفنية والمعايير المرجعية لألواح سبائك التيتانيوم
1. تصنيف المواد ودرجاتها
يتم تصنيف ألواح سبائك التيتانيوم على نطاق واسع إلى أربع فئات بناءً على بنيتها المجهرية وتكوين السبائك. تحتوي سبائك ألفا، مثل Ti-5Al-2.5Sn (الدرجة 6)، بشكل أساسي على مثبتات ألفا مثل الألومنيوم والقصدير. توفر هذه السبائك قابلية لحام ممتازة ومقاومة للزحف عند درجات حرارة مرتفعة، مما يجعلها مناسبة لهياكل هياكل الطائرات والتطبيقات المبردة. تشتمل سبائك ألفا القريبة، بما في ذلك Ti-8Al-1Mo-1V (الدرجة 9) وTi-6Al-2Sn-4Zr-2Mo، على كميات صغيرة من مثبتات بيتا مع الحفاظ على بنية سائدة ألفا. إنها توفر استقرارًا محسنًا لدرجات الحرارة العالية لمكونات محرك توربينات الغاز.
تمثل سبائك ألفا- بيتا الفئة الأكثر استخدامًا، حيث تمثل Ti-6Al-4V (الدرجة 5) السبائك الأساسية في قطاعات الطيران والقطاعات الطبية والصناعية. تحقق هذه السبيكة التوازن الأمثل بين القوة والليونة وصلابة الكسر من خلال بنيتها المجهرية ثنائية الطور. يعمل المتغير الخلالي المنخفض جدًا، Ti-6Al-4V ELI (الدرجة 23)، على تقييد محتوى الأكسجين والحديد والهيدروجين لتعزيز تحمل الضرر للتطبيقات المهمة. يمكن معالجة سبائك بيتا مثل Ti-10V-2Fe-3Al وTi-15V-3Cr-3Al-3Sn بالمحلول وتعتيقها لتحقيق أعلى مستويات القوة بين سبائك التيتانيوم، مع مزايا خاصة في القابلية للتشكيل قبل المعالجة الحرارية.
2. متطلبات التركيب الكيميائي
يجب التحكم بإحكام في التركيب الكيميائي لألواح سبائك التيتانيوم لضمان الخواص الميكانيكية المتسقة ومقاومة التآكل. بالنسبة لـ Ti-6Al-4V (الدرجة 5)، يتراوح محتوى الألومنيوم من 5.50 إلى 6.75 بالمائة، بينما يتراوح الفاناديوم من 3.50 إلى 4.50 بالمائة. يقتصر الحديد على 0.30 بالمائة كحد أقصى، والأكسجين إلى 0.20 بالمائة، والكربون إلى 0.08 بالمائة، والنيتروجين إلى 0.05 بالمائة، والهيدروجين إلى 0.015 بالمائة. يجب ألا يتجاوز إجمالي جميع العناصر المتبقية 0.40 بالمائة.
بالنسبة لدرجة ELI، يقتصر الألومنيوم على 5.50 إلى 6.50 بالمائة، والحديد إلى 0.25 بالمائة كحد أقصى، والأكسجين إلى 0.13 بالمائة، والهيدروجين إلى 0.0125 بالمائة. تعمل هذه المستويات المنخفضة من الخلالي على تحسين صلابة الكسر والمرونة بشكل كبير، ولهذا السبب فإن هذا المستوى إلزامي للزرعات الجراحية والمكونات الهيكلية الفضائية الهامة. يسمح Ti-5Al-2.5Sn (الدرجة 6) باستخدام الألومنيوم بنسبة تتراوح بين 4.00 و6.00 بالمائة، والقصدير بين 2.00 و3.00 بالمائة، والحديد حتى 0.50 بالمائة والهيدروجين حتى 0.020 بالمائة. يتطابق حد الأكسجين مع معيار Ti-6Al-4V عند 0.20 بالمائة.
3. متطلبات الملكية الميكانيكية
في درجة حرارة الغرفة في الاتجاه الطولي، يجب أن تحقق لوحة Ti-6Al-4V الحد الأدنى من قوة الشد النهائية البالغة 895 ميجا باسكال، والحد الأدنى من قوة الخضوع عند 0.2 بالمائة إزاحة 828 ميجا باسكال، والحد الأدنى للاستطالة 10 بالمائة، والحد الأدنى من تقليل المساحة بنسبة 25 بالمائة. يحافظ متغير ELI على نفس متطلبات الاستطالة والتخفيض ولكن مع مستويات قوة منخفضة قليلاً: 860 ميجا باسكال الحد الأدنى لقوة الشد النهائية و795 ميجا باسكال الحد الأدنى لقوة الخضوع. يتطلب Ti-5Al-2.5Sn الحد الأدنى لقوة الشد 827 ميجا باسكال، والحد الأدنى لقوة الخضوع 759 ميجا باسكال، ومقاييس الليونة المطابقة.
بالنسبة لخدمة درجات الحرارة المرتفعة، يجب أن تثبت لوحة Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo الحد الأدنى من قوة الشد البالغة 620 ميجا باسكال عند 315 درجة مئوية، مع التحقق من مقاومة الزحف عند 425 درجة مئوية. تمثل صلابة الكسر معلمة حاسمة للتصميم الذي يتحمل الضرر. يجب أن تحقق لوحة Ti-6Al-4V ELI صلابة كسر المستوى K_IC بما لا يقل عن 75 ميجا باسكال من الجذر التربيعي للمتر، بينما يتطلب Ti-5Al-2.5Sn 55 ميجا باسكال من الجذر التربيعي للمتر كحد أدنى. تبلغ متطلبات طاقة التأثير Charpy V-notch 20 جول و16 جول على التوالي.
4. تفاوتات الأبعاد والتشطيب السطحي
يختلف تحمل السماكة حسب سماكة اللوحة. بالنسبة للألواح التي يصل حجمها إلى 6.35 ملم، يكون التسامح القياسي زائد أو ناقص 0.13 ملم، مع تشديد التفاوت الدقيق إلى زائد أو ناقص 0.08 ملم. بين 6.35 و25.4 ملم، يصبح التسامح القياسي زائد أو ناقص 0.25 ملم، مع دقة عند زائد أو ناقص 0.13 ملم. بالنسبة للوحات التي يتجاوز حجمها 25.4 ملم إلى 50.8 ملم، يكون التسامح القياسي زائد أو ناقص 0.38 ملم وتفاوت الدقة زائد أو ناقص 0.25 ملم.
يكون التسامح مع العرض زائد 6.35 ملم مع عدم وجود ناقص في ظل الظروف القياسية، ويتم تشديده إلى زائد 3.18 ملم من أجل الدقة. يزيد تفاوت الطول عن 25 ملمًا قياسيًا، بالإضافة إلى دقة 13 ملمًا. يجب ألا يتجاوز التسطيح 3.2 ملم لكل متر بموجب المتطلبات القياسية، أو 1.6 ملم لكل متر للوحة الدقيقة. يقتصر حدبة الحافة على 3.2 ملم لكل 3 أمتار، ودقة 1.6 ملم لكل 3 أمتار.
تعتمد متطلبات تشطيب السطح على طريقة المعالجة. يجب أن تحقق الألواح المدلفنة على الساخن - خشونة سطحية لا تتجاوز 6.3 ميكرومتر. تتطلب الصفائح المدرفلة على البارد أو المخللة كيميائيًا أن لا يتجاوز Ra 3.2 ميكرومتر. دقة الصفائح الأرضية - تتطلب رع لا يتجاوز 1.6 ميكرومتر.
5. المتطلبات المعدنية
البنية المجهرية لصفيحة سبائك التيتانيوم ألفا-بيتا في حالة التلدين في المطحنة-يجب أن تتكون من مرحلة ألفا أولية متساوية المحاور موزعة داخل مصفوفة بيتا المحولة. لا يُسمح بمرحلة ألفا المستمرة لحدود الحبوب لأنها تقلل من الليونة ومقاومة التعب. يجب أن يكون حجم الحبوب ASTM 5 أو أقل، مع تحقيق الإنتاج النموذجي لمعايير ASTM 6 إلى 8. يجب إزالة حالة ألفا، تلك الطبقة السطحية المخصبة بالأكسجين الصلب -والتي تكونت أثناء معالجة درجات الحرارة العالية-، بالكامل. يتطلب التحقق تحديد ملفات تعريف الصلابة-الدقيقة التي توضح عدم وجود ارتفاع في الصلابة على السطح، أو فحص المعادن الذي يؤكد عدم وجود طبقة ألفا{11}}مستقرة.
بقع بيتا، وهي مناطق محلية لإثراء مثبتات بيتا-، محظورة في تطبيقات الفضاء الجوية المهمة. ويتم اكتشافها من خلال فحص الحفر الماكرو- باستخدام الكواشف المناسبة. يتم تصنيف محتوى التضمين وفقًا لمعيار ASTM E45 الطريقة A، مع الحد الأقصى للمستويات المسموح بها من A2 وB2 وC2 وD2 لشوائب أكسيد رقيقة وثقيلة وسيليكات وكروية على التوالي.
6.-متطلبات الاختبار غير المدمرة
يعد اختبار الموجات فوق الصوتية إلزاميًا لجميع اللوحات التي يبلغ سمكها 6.35 ملم وأكثر، ويتم إجراؤها وفقًا لمعايير AMS-STD-2154 من الفئة A. لا يُقبل أي مؤشر يتجاوز ما يعادل ثقبًا مسطحًا بقطر 3.2 ملم. ينطبق اختبار اختراق الصبغة على جميع الأسطح النهائية وفقًا لمعيار ASTM E1417، مع عدم وجود مؤشرات خطية يتجاوز طولها 3.2 ملم. يتم حجز اختبار التصوير الشعاعي للمناطق الملحومة أو الإصلاحية وفقًا لمعيار ASTM E1742. قد يحل اختبار التيار الدوامي محل اختبار الموجات فوق الصوتية على الألواح الرقيقة التي يقل سمكها عن 6.35 ملم، باتباع إجراءات ASTM E426 مع الحساسية التي يتم تحديدها بالاتفاق بين المشتري والمورد.
7. شروط المعالجة الحرارية
تتم معالجة الصفيحة الملدنة-بدرجة حرارة 704 إلى 760 درجة مئوية متبوعة بالتبريد بالهواء. يوفر هذا الشرط خصائص متوازنة للتطبيقات العامة. يتضمن التلدين المزدوج معالجة المحلول عند درجة حرارة 954 درجة مئوية مع إخماد الماء، يليها تبريد الهواء بدرجة حرارة 538 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تحسين صلابة الكسر للتصميمات المقاومة للضرر. تحقق اللوحة المعالجة بالمحلول والعتيقة أقصى قدر من القوة من خلال المعالجة عند 927 درجة مئوية مع إخماد الماء، ثم التعتيق عند 538 درجة مئوية لمدة 4 إلى 8 ساعات. يؤدي التلدين بيتا عند 1010 درجة مئوية مع تبريد الهواء، يليه التثبيت عند 760 درجة مئوية، إلى إنتاج بنية بيتا مجهرية محولة مُحسَّنة لمقاومة الزحف في تطبيقات محركات الطيران. تخفيف الإجهاد عند 538 إلى 649 درجة مئوية يتبع عمليات التصنيع أو التشكيل.
يجب أن تتم جميع عمليات المعالجة الحرارية في فراغ عند 10 إلى سالب 3 ملي بار أو أفضل، أو في جو من الأرجون عالي النقاء. يجب إزالة أي حالة ألفا تشكلت أثناء المعالجة الحرارية بالكامل قبل الفحص النهائي.
8. المعايير المرجعية
المواصفات الأساسية للوحة سبائك التيتانيوم هي ASTM B265، والتي تغطي شريط وصفائح وألواح التيتانيوم وسبائك التيتانيوم. تحدد هذه المواصفة القياسية حدود التركيب الكيميائي، ومتطلبات الخاصية الميكانيكية، وتفاوتات الأبعاد، وأحكام الجودة العامة. يوفر ASTM B348 للقضبان والقضبان مراجع اختبار ميكانيكية تكميلية.
بالنسبة لمنهجية الاختبار الميكانيكي، تحكم ASTM E8 وE8M اختبار التوتر للمواد المعدنية. يتبع التحقق من الصلابة ASTM E18 لصلابة Rockwell أو ASTM E10 لصلابة Brinell. يستخدم تقييم محتوى التضمين ASTM E45، المكيف لسبائك التيتانيوم. قياس حجم الحبوب يتبع ASTM E112. يكتشف تحديد ملفات تعريف الصلابة الدقيقة - وفقًا لمعيار ASTM E384 حالة ألفا المتبقية. إعداد العينات المعدنية والنقش يتبعان ASTM E3 وASTM E407 على التوالي.
تتضمن معايير الاختبار غير المدمرة ASTM E1417 لاختبار اختراق السوائل، وASTM E1742 للفحص الشعاعي، وASTM E426 لاختبار التيار الدوامي الكهرومغناطيسي للمنتجات الرقيقة. تم العثور على إرشادات إعداد السطح وإزالة الترسبات في ASTM B600.
توفر مواصفات المواد الفضائية الجوية متطلبات أكثر صرامة لتطبيقات الطيران-المهمة. يغطي AMS 4907 لوحة Ti-6Al-4V في الحالة الصلبة. يعالج AMS 4911 المحلول المعالج والمسن للوحة Ti-6Al-4V. يحدد AMS 4930 لوحة Ti-6Al-4V الخلالية المنخفضة جدًا. ينطبق AMS 4940 على لوحة Ti-5Al-2.5Sn. يغطي AMS 4943 لوحة سبائك بيتا Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. يعالج AMS 4945 لوحة سبائك Ti-8Al-1Mo-1V القريبة من ألفا. تم تحديد معايير قبول الفحص بالموجات فوق الصوتية في AMS-STD-2154.
تتضمن المواصفات العسكرية القديمة MIL-T-9046 لألواح وشرائط وألواح التيتانيوم، وMIL-T-9047 للقضبان والمطروقات. يتبع الاختبار البيئي MIL-STD-810.
تتضمن المعايير الدولية ISO 5832-3 للغرسات الجراحية المصنوعة من سبائك Ti-6Al-4V، وISO 5832-10 للغرسات الجراحية المصنوعة من سبائك Ti-5Al-2.5Fe. تغطي المعايير البريطانية BS 2TA 2 وBS 2TA 11 لوح ولوحة Ti-6Al-4V. يوفر DIN 17850 الألماني المواصفات الفنية لسبائك التيتانيوم المطاوع. يعالج JIS H4600 الياباني الأوراق والألواح والشرائط. ينطبق المعيار الوطني الصيني GB/T 3621 والمعيار العسكري GJB 2505A على لوحة سبائك التيتانيوم المستخدمة في الطيران.
9. متطلبات التطبيق- المحددة
تتطلب التطبيقات الهيكلية الفضائية الجوية بيانات عالية-عن إجهاد الدورة، وتحليل مدى تحمل الضرر، والتوافق مع المستوى A NDT وفقًا لمعايير AMS 4907 وAMS 4911 وAMS-STD-2154. تتطلب مكونات محرك الفضاء الجوي خصائص شد بدرجة حرارة مرتفعة، والتحقق من مقاومة الزحف، واختبار الاستقرار الحراري وفقًا لمعايير AMS 4945 وASTM E139.
تتطلب تطبيقات الغرسات الطبية اختبار التوافق الحيوي بما في ذلك فحوصات السمية الخلوية والحساسية، مع إلزامية المواد من فئة ELI وفقًا لمعايير ISO 5832-3 وASTM F136 وASTM F1472. تتطلب معدات المعالجة الكيميائية التحقق من مقاومة التآكل في وسائط معالجة محددة وقابلية لحام مثبتة وفقًا لمعايير ASTM B265 وASTM G28 وNACE MR0175 أو ISO 15156. يجب أن تقاوم الهياكل البحرية والبحرية التآكل بمياه البحر وأن تثبت التوافق مع أنظمة الحماية الكاثودية وفقًا لمعيار ASTM B265 وDNV-OS-B401. تتحكم التطبيقات النووية في المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات، واستقرار الإشعاع، ومحتوى العناصر النزرة لكل غلاية ASME وأوعية الضغط من القسم الثاني من كود الجزء د.
10. التصديق والتوثيق
يجب أن تكون كل دفعة إنتاج مصحوبة بشهادة اختبار المطحنة التي توثق نتائج التحليل الكيميائي، ونتائج اختبار الخصائص الميكانيكية، وإمكانية تتبع رقم الحرارة، والأبعاد الفعلية المقاسة. هذه الشهادة إلزامية وفقًا لمعيار ASTM B265. تُبلغ شهادات الاختبار غير المدمرة- عن نتائج الموجات فوق الصوتية أو الاختراق أو التصوير الشعاعي مع سجلات تأهيل المشغل. تشتمل التقارير المعدنية على صور مجهرية ضوئية وحجم الحبوب المُقاس وتقييمات التضمين للتطبيقات المهمة. توثق شهادات المعالجة الحرارية معلمات الدورة ونوع الغلاف الجوي وسجلات معايرة المزدوجات الحرارية. تحدد تقارير التتبع الكاملة أصل المواد وممارسة الذوبان وتاريخ المعالجة الكامل، وهو أمر ضروري للامتثال التنظيمي للفضاء والأجهزة الطبية.
