דרישות טכניות ותקנים מוזכרים עבור לוחות סגסוגת טיטניום

דרישות טכניות ותקנים מוזכרים עבור לוחות סגסוגת טיטניום

1. סיווג חומרים וציונים

לוחות סגסוגת טיטניום מסווגים באופן נרחב לארבע קטגוריות בהתבסס על מבנה המיקרו והרכב הסגסוגת שלהם. סגסוגות אלפא, כגון Ti-5Al-2.5Sn (דרגה 6), מכילות בעיקר מייצבי אלפא כמו אלומיניום ופח. סגסוגות אלו מציעות יכולת ריתוך מעולה ועמידות בזחילה בטמפרטורות גבוהות, מה שהופך אותן למתאימות למבני שלדות אוויר ויישומים קריוגניים. סגסוגות אלפא ליד-, כולל Ti-8Al-1Mo-1V (דרגה 9) ו-Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, משלבות כמויות קטנות של מייצבי בטא תוך שמירה על מבנה אלפא דומיננטי. הם מספקים יציבות משופרת בטמפרטורה גבוהה עבור רכיבי מנוע טורבינת גז.

סגסוגות אלפא-בטא מייצגות את הקטגוריה הנפוצה ביותר, כאשר Ti-6Al-4V (דרגה 5) היא סגסוגת סוס העבודה במגזרי תעופה וחלל, רפואי ותעשייתי. סגסוגת זו משיגה איזון אופטימלי של חוזק, משיכות וקשיחות שבר באמצעות המיקרו-מבנה הדו-פאזי שלה. גרסת הביניים הנמוכה במיוחד, Ti-6Al-4V ELI (דרגה 23), מגבילה תכולת חמצן, ברזל ומימן כדי לשפר את סבילות הנזק עבור יישומים קריטיים. סגסוגות בטא כגון Ti-10V-2Fe-3Al ו-Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn ניתנות לטיפול ולהתיישן כדי להשיג את רמות החוזק הגבוהות ביותר מבין סגסוגות טיטניום, עם יתרונות מיוחדים בכושר הצורה לפני טיפול בחום.

2. דרישות הרכב כימי

ההרכב הכימי של לוחות סגסוגת טיטניום חייב להיות בשליטה הדוקה כדי להבטיח תכונות מכניות עקביות ועמידות בפני קורוזיה. עבור Ti-6Al-4V (דרגה 5), תכולת האלומיניום נעה בין 5.50 ל-6.75 אחוז, בעוד ונדיום נע בין 3.50 ל-4.50 אחוז. ברזל מוגבל ל-0.30 אחוז מקסימום, חמצן ל-0.20 אחוז, פחמן ל-0.08 אחוז, חנקן ל-0.05 אחוז ומימן ל-0.015 אחוז. סך כל היסודות השיוריים לא יעלה על 0.40 אחוז.

עבור דרגת ELI, אלומיניום מוגבל ל-5.50 עד 6.50 אחוז, ברזל ל-0.25 אחוז מקסימום, חמצן ל-0.13 אחוז ומימן ל-0.0125 אחוז. רמות ביניים מופחתות אלו משפרות באופן משמעותי את קשיחות השבר ואת המשיכות, וזו הסיבה שדרגה זו היא חובה עבור שתלים כירורגיים ורכיבים מבניים קריטיים בתעופה וחלל. Ti-5Al-2.5Sn (דרגה 6) מאפשרת אלומיניום בין 4.00 ל-6.00 אחוז, בדיל בין 2.00 ל-3.00 אחוז, עם ברזל עד 0.50 אחוז ומימן עד 0.020 אחוז. מגבלת החמצן תואמת ל-Ti-6Al-4V הסטנדרטי ב-0.20 אחוז.

3. דרישות נכס מכני

בטמפרטורת החדר בכיוון האורך, לוחית Ti-6Al-4V חייבת להשיג חוזק מתיחה מינימלי של 895 MPa, חוזק תפוקה מינימלי ב-0.2 אחוז היסט של 828 MPa, התארכות מינימלית של 10 אחוזים, והפחתת שטח מינימלית של 25 אחוזים. גרסת ה-ELI שומרת על אותן דרישות התארכות והפחתה, אך עם רמות חוזק מופחתות מעט: 860 חוזק מתיחה אולטימטיבי מינימלי של MPa וחוזק תפוקה מינימלי של 795 MPa. Ti-5Al-2.5Sn דורש חוזק מתיחה מינימלי של 827 MPa, חוזק תפוקה מינימלי של 759 MPa ומדדי משיכות תואמים.

עבור שירות בטמפרטורה מוגברת, לוחית Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo חייבת להפגין חוזק מתיחה מינימלי של 620 MPa ב-315 מעלות צלזיוס, עם עמידות לזחילה מאומתת ב-425 מעלות צלזיוס. קשיחות השבר מייצגת פרמטר קריטי לתכנון עמיד בפני נזקים. לוחית Ti-6Al-4V ELI חייבת להשיג קשיחות שבר מתיחה מישורית K_IC של לפחות 75 MPa שורש מרובע של מטר, בעוד Ti-5Al-2.5Sn דורש 55 MPa שורש ריבועי של מטר מינימום. דרישות אנרגיית ההשפעה של Charpy V-notch הן 20 ג'אול ו-16 ג'אול בהתאמה.

4. סובלנות מידות וגימור פני השטח

סובלנות עובי משתנה לפי עובי הצלחת. עבור צלחות עד 6.35 מילימטרים, הסובלנות הסטנדרטית היא פלוס מינוס 0.13 מילימטר, עם סובלנות דיוק מהודקת לפלוס מינוס 0.08 מילימטר. בין 6.35 ל-25.4 מילימטרים, הסובלנות הסטנדרטית הופכת לפלוס מינוס 0.25 מילימטרים, עם דיוק של פלוס מינוס 0.13 מילימטר. עבור לוחות העולים על 25.4 מילימטרים עד 50.8 מילימטרים, סובלנות סטנדרטית היא פלוס מינוס 0.38 מילימטר וסובלנות דיוק היא פלוס מינוס 0.25 מילימטר.

סובלנות הרוחב היא פלוס 6.35 מילימטרים ללא מינוס בתנאים סטנדרטיים, מהודקת לפלוס 3.18 מילימטרים לצורך דיוק. סובלנות האורך היא בתוספת 25 מילימטרים סטנדרטית, בתוספת דיוק של 13 מילימטרים. השטיחות לא תעלה על 3.2 מילימטרים למטר לפי דרישות התקן, או 1.6 מילימטרים למטר עבור לוח דיוק. קמבר קצה מוגבל ל-3.2 מילימטרים ל-3 מטר סטנדרטיים, ודיוק של 1.6 מילימטרים ל-3 מטר.

דרישות גימור פני השטח תלויות בשיטת העיבוד. צלחות מגולגלות חם- חייבות להשיג חספוס פני השטח Ra שלא יעלה על 6.3 מיקרומטר. צלחות מגולגלות קרות-או כבושות כימית דורשות ש-Ra לא יעלה על 3.2 מיקרומטר. לוחות קרקע מדויקים- דורשים Ra שלא יעלה על 1.6 מיקרומטר.

5. דרישות מתכות

המיקרו-מבנה של צלחת סגסוגת אלפא-בטא טיטניום במצב חישול-של הטחנה חייב להיות מורכב מפאזה אלפא ראשונית שווה ציר המופצת בתוך מטריצת בטא שעברה טרנספורמציה. שלב אלפא גבול גרגר מתמשך אינו מותר מכיוון שהוא פוגע בגמישות ובהתנגדות לעייפות. גודל הגרגיר חייב להיות ASTM 5 או עדין יותר, כאשר ייצור טיפוסי משיג ASTM 6 עד 8. יש להסיר לחלוטין את מקרה האלפא, שכבת פני השטח המועשרת בחמצן קשה- שנוצרה במהלך עיבוד בטמפרטורה- גבוהה. האימות דורש פרופיל קשיות מיקרו-שלא מראה על פני השטח נקודת קשיות, או בדיקה מטאלוגרפית המאשרת שלא נותרה שכבה מיוצבת אלפא-.

כתמי בטא, שהם אזורים מקומיים של העשרת מייצב בטא-, אסורים ביישומי תעופה וחלל קריטיים. הם מזוהים באמצעות בדיקת מאקרו-תחריט באמצעות ריאגנטים מתאימים. תכולת ההכללה מדורגת לפי ASTM E45 שיטה A, עם רמות מרבית המותרות של A2, B2, C2 ו-D2 עבור תכלילים דקים, כבדים, סיליקטים וכדוריות תחמוצת כדוריות בהתאמה.

6. דרישות לא-לבדיקות הרסניות

בדיקת אולטרסאונד היא חובה עבור כל הלוחות בעובי 6.35 מילימטר ומעלה, הנערכת לפי קריטריון AMS-STD-2154 Class A. אין אינדיקציה העולה על המקבילה של חור בתחתית שטוחה של 3.2 מילימטר אינה מקובלת. בדיקת חודר צבע חלה על כל המשטחים המוגמרים לפי ASTM E1417, ללא אינדיקציות ליניאריות באורך של 3.2 מילימטרים. בדיקות רנטגן שמורות לאזורים מרותכים או תיקון לפי ASTM E1742. בדיקת זרם מערבולת עשויה להחליף בדיקה קולית על לוחות דקות מתחת ל-6.35 מילימטרים, בהתאם לנוהלי ASTM E426 עם רגישות שנקבעה בהסכם בין הרוכש והספק.

7. תנאי טיפול בחום

צלחת חישול-מעובדת ב-704 עד 760 מעלות צלזיוס ואחריה קירור אוויר. מצב זה מספק תכונות מאוזנות ליישומים כלליים. חישול דופלקס כולל טיפול בתמיסה ב-954 מעלות צלזיוס עם כיבוי מים, ואחריו קירור אוויר של 538 מעלות צלזיוס, משפר את קשיחות השברים עבור עיצובים עמידים בפני נזקים-. צלחת מטופלת ומיושנת בתמיסה משיגה חוזק מרבי באמצעות טיפול ב-927 מעלות צלזיוס עם מרווה מים, ולאחר מכן יישון ב-538 מעלות צלזיוס למשך 4 עד 8 שעות. חישול בטא ב-1010 מעלות צלזיוס עם קירור אוויר, ואחריו ייצוב ב-760 מעלות צלזיוס, מייצר מבנה מיקרו בטא שעבר טרנספורמציה המותאם לעמידות לזחילה ביישומי מנועי תעופה וחלל. הפגת מתח ב-538 עד 649 מעלות צלזיוס בעקבות פעולות עיבוד או גיבוש.

כל טיפול בחום חייב להתרחש בוואקום של 10 עד מינוס 3 מיליבר או יותר, או באווירת ארגון בטוהר- גבוה. כל מקרה אלפא שנוצר במהלך טיפול בחום חייב להיות מוסר לחלוטין לפני הבדיקה הסופית.

8. תקנים מוזכרים

המפרט העיקרי עבור צלחת סגסוגת טיטניום הוא ASTM B265, המכסה רצועות, יריעות וצלחת טיטניום וסגסוגת טיטניום. תקן זה מגדיר מגבלות של הרכב כימי, דרישות תכונה מכנית, סובלנות ממדים והוראות איכות כלליות. ASTM B348 עבור סורגים ובריטים מספק הפניות משלימות לבדיקות מכניות.

עבור מתודולוגיית בדיקה מכנית, ASTM E8 ו-E8M שולטים בבדיקות מתח של חומרים מתכתיים. אימות הקשיות פועל לפי ASTM E18 עבור קשיות Rockwell או ASTM E10 עבור קשיות Brinell. הערכת תוכן הכללה משתמשת ב-ASTM E45, המותאמת לסגסוגות טיטניום. מדידת גודל גרגר עוקבת אחר ASTM E112. פרופיל קשיות מיקרו- לפי ASTM E384 מזהה שאריות של מקרה אלפא. הכנת דגימות מטאלוגרפיות וחריטה פעלו לפי ASTM E3 ו- ASTM E407 בהתאמה.

תקני בדיקה לא-הרסניים כוללים ASTM E1417 לבדיקת חודר נוזלים, ASTM E1742 לבדיקה רדיוגרפית ו-ASTM E426 לבדיקת זרם מערבולת אלקטרומגנטי של מוצרים דקים. הנחיות להכנת משטח ולהסרת אבנית נמצאות ב-ASTM B600.

מפרטי חומרי תעופה וחלל מספקים דרישות מחמירות יותר ליישומים קריטיים-לטיסה. AMS 4907 מכסה צלחת Ti-6Al-4V במצב חישול. AMS 4911 מתייחס לצלחת Ti-6Al-4V מטופלת בפתרון ומיושן. AMS 4930 מציין צלחת ביניים נמוכה במיוחד Ti-6Al-4V. AMS 4940 חל על צלחת Ti-5Al-2.5Sn. AMS 4943 מכסה צלחת סגסוגת בטא Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 נותנת מענה לצלחת סגסוגת כמעט אלפא Ti-8Al-1Mo-1V. קריטריונים לקבלת בדיקה אולטרסאונד מוגדרים ב-AMS-STD-2154.

מפרטים צבאיים מדור קודם כוללים MIL-T-9046 עבור יריעות טיטניום, רצועות וצלחת, ו-MIL-T-9047 עבור סורגים ופרזים. בדיקות סביבתיות עוקבות אחר MIL-STD-810.

התקנים הבינלאומיים כוללים ISO 5832-3 עבור שתלים כירורגיים מסגסוגת Ti-6Al-4V מחושלים, ו-ISO 5832-10 עבור שתלי סגסוגת Ti-5Al-2.5Fe. התקנים הבריטיים BS 2TA 2 ו-BS 2TA 11 מכסים גיליון וצלחת Ti-6Al-4V. DIN 17850 הגרמני מספק מפרט טכני עבור סגסוגות טיטניום מחושלות. היפנית JIS H4600 נותנת מענה לגליונות, צלחות ורצועות. התקן הלאומי הסיני GB/T 3621 והתקן הצבאי GJB 2505A חלים על לוח סגסוגת טיטניום בדרגת תעופה.

9. יישום-דרישות ספציפיות

יישומי מבנה תעופה וחלל דורשים נתוני עייפות- גבוהים, ניתוח סובלנות נזקים ותאימות NDT ברמה A לפי AMS 4907, AMS 4911 ו-AMS-STD-2154. רכיבי מנוע תעופה וחלל דורשים תכונות מתיחה בטמפרטורה מוגברת, אימות עמידות בזחילה ובדיקת יציבות תרמית לפי AMS 4945 ו-ASTM E139.

יישומי שתלים רפואיים מחייבים בדיקת תאימות ביולוגית כולל מבחני ציטוטוקסיות וסנסיטיזציה, כאשר חומר בדרגת ELI חובה לפי ISO 5832-3, ASTM F136 ו-ASTM F1472. ציוד לעיבוד כימי דורש אימות עמידות בפני קורוזיה במדיות תהליך ספציפי ויכולת ריתוך מוכחת לפי ASTM B265, ASTM G28 ו-NACE MR0175 או ISO 15156. מבנים ימיים וימיים חייבים לעמוד בפני קורוזיה של מי ים ולהפגין תאימות למערכות הגנה קתודיות לפי ASTM B265 ו-DNV{{1}.{1} יישומים גרעיניים שולטים בחתך ספיגת נויטרונים, יציבות קרינה ותכולת יסודות קורט לפי ASME דוד וקוד כלי לחץ סעיף II חלק ד.

10. הסמכה ותיעוד

כל מגרש ייצור חייב להיות מלווה בתעודת בדיקת טחנה המתעדת תוצאות ניתוח כימי, תוצאות בדיקת מאפיינים מכניים, עקיבות מספרי חום ומידות נמדדות בפועל. אישור זה הוא חובה לפי ASTM B265. תעודות בדיקה לא-הרסניות מדווחות על תוצאות קוליות, חודרות או רדיוגרפיות עם רישומי הסמכה למפעיל. דוחות מתכות כוללים צילומי מיקרו-מבנה, גודל גרגר נמדד ודירוגי הכללה עבור יישומים קריטיים. תעודות טיפול בחום מתעדות פרמטרים של מחזור, סוג האטמוספירה ורישומי כיול של צמד תרמי. דוחות עקיבות מלאים קובעים את מקור החומר, פרקטיקת ההתכה והיסטוריית העיבוד המלאה, אשר חיונית לעמידה בתקנות תעופה וחלל וציוד רפואי.