Titanyum Alaşımlı Plakalar için Teknik Gereksinimler ve Referans Standartlar
1. Malzeme Sınıflandırması ve Sınıfları
Titanyum alaşımlı plakalar, mikroyapılarına ve alaşım bileşimlerine göre genel olarak dört kategoriye ayrılır. Ti-5Al-2.5Sn (Sınıf 6) gibi alfa alaşımları, öncelikle alüminyum ve kalay gibi alfa stabilizatörleri içerir. Bu alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda mükemmel kaynaklanabilirlik ve sürünme direnci sunarak onları uçak gövdesi yapıları ve kriyojenik uygulamalar için uygun hale getirir. Ti-8Al-1Mo-1V (Sınıf 9) ve Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo dahil olmak üzere -alfaya yakın alaşımlar, alfa baskın yapısını korurken az miktarda beta stabilizatör içerir. Gaz türbini motor bileşenleri için geliştirilmiş yüksek sıcaklık stabilitesi sağlarlar.
Alfa-beta alaşımları en yaygın kullanılan kategoriyi temsil eder; Ti-6Al-4V (Sınıf 5) havacılık, tıp ve endüstriyel sektörlerde en güçlü alaşımdır. Bu alaşım, çift fazlı mikro yapısı sayesinde optimum güç, süneklik ve kırılma tokluğu dengesine ulaşır. Ekstra düşük geçiş değişkeni olan Ti-6Al-4V ELI (Sınıf 23), kritik uygulamalarda hasar toleransını artırmak için oksijen, demir ve hidrojen içeriğini kısıtlar. Ti-10V-2Fe-3Al ve Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn gibi beta alaşımları, ısıl işlemden önce şekillendirilebilirlik açısından özel avantajlarla birlikte, titanyum alaşımları arasında en yüksek mukavemet seviyelerini elde etmek için çözeltiye tabi tutulabilir ve yaşlandırılabilir.
2. Kimyasal Bileşim Gereksinimleri
Titanyum alaşımlı plakaların kimyasal bileşimi, tutarlı mekanik özellikler ve korozyon direnci sağlamak için sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir. Ti-6Al-4V (Sınıf 5) için alüminyum içeriği yüzde 5,50 ila 6,75 arasında değişirken vanadyum yüzde 3,50 ila 4,50 arasında değişir. Demir maksimum yüzde 0,30, oksijen yüzde 0,20, karbon yüzde 0,08, nitrojen yüzde 0,05 ve hidrojen yüzde 0,015 ile sınırlıdır. Tüm artık elemanların toplamı yüzde 0,40'ı geçmemelidir.
ELI sınıfı için alüminyum yüzde 5,50 ila 6,50, demir maksimum yüzde 0,25, oksijen yüzde 0,13 ve hidrojen yüzde 0,0125 ile sınırlandırılmıştır. Bu azaltılmış interstisyel seviyeler kırılma dayanıklılığını ve sünekliğini önemli ölçüde artırır; bu kalitenin cerrahi implantlar ve kritik havacılık yapısal bileşenleri için zorunlu olmasının nedeni budur. Ti-5Al-2.5Sn (Sınıf 6), yüzde 4,00 ila 6,00 arasında alüminyuma, yüzde 2,00 ila 3,00 arasında kalay, yüzde 0,50'ye kadar demir ve yüzde 0,020'ye kadar hidrojene izin verir. Oksijen sınırı yüzde 0,20'lik standart Ti-6Al-4V ile eşleşiyor.
3. Mekanik Özellik Gereksinimleri
Oda sıcaklığında, uzunlamasına yönde, Ti-6Al-4V levhanın minimum 895 MPa nihai gerilme mukavemetine, yüzde 0,2 ofsette 828 MPa minimum akma mukavemetine, minimum yüzde 10 uzamaya ve minimum yüzde 25 alan azalmasına ulaşması gerekir. ELI varyantı aynı uzama ve küçültme gereksinimlerini korur ancak biraz azaltılmış mukavemet seviyeleriyle: 860 MPa minimum nihai gerilme mukavemeti ve 795 MPa minimum akma mukavemeti. Ti-5Al-2.5Sn, 827 MPa minimum çekme mukavemeti, 759 MPa minimum akma mukavemeti ve eşleşen süneklik ölçümlerini gerektirir.
Yüksek sıcaklıkta servis için, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo plakasının 315 santigrat derecede minimum 620 MPa gerilme mukavemeti göstermesi ve 425 santigrat derecede doğrulanmış sürünme direnci göstermesi gerekir. Kırılma tokluğu, hasara dayanıklı tasarım için kritik bir parametreyi temsil eder. Ti-6Al-4V ELI plakası en az 75 MPa karekök metrelik K_IC düzlemsel gerinim kırılma dayanıklılığına ulaşmalıdır, Ti-5Al-2.5Sn ise minimum 55 MPa metre karekök gerektirir. Charpy V-çentik darbe enerjisi gereksinimleri sırasıyla 20 joule ve 16 joule'dür.
4. Boyutsal Toleranslar ve Yüzey İşlemi
Kalınlık toleransı plaka kalınlığına göre değişir. 6,35 milimetreye kadar olan plakalar için standart tolerans artı veya eksi 0,13 milimetredir ve hassas tolerans artı veya eksi 0,08 milimetreye sıkılır. 6,35 ila 25,4 milimetre arasında standart tolerans artı veya eksi 0,25 milimetre olur ve hassasiyet artı veya eksi 0,13 milimetre olur. 25,4 milimetreden 50,8 milimetreye kadar olan plakalar için standart tolerans artı veya eksi 0,38 milimetre, hassas tolerans ise artı veya eksi 0,25 milimetredir.
Genişlik toleransı standart koşullar altında eksi olmadan artı 6,35 milimetredir; hassasiyet için artı 3,18 milimetreye kadar sıkılmıştır. Uzunluk toleransı artı 25 milimetre standart, artı 13 milimetre hassasiyettir. Düzlük, standart gereksinimler kapsamında metre başına 3,2 milimetreyi veya hassas plaka için metre başına 1,6 milimetreyi aşmamalıdır. Kenar bombesi standart olarak 3 metre başına 3,2 milimetre ve 3 metre hassasiyet başına 1,6 milimetre ile sınırlıdır.
Yüzey bitirme gereksinimleri işleme yöntemine bağlıdır. Sıcak-haddelenmiş plakaların Ra 6,3 mikrometreyi aşmayan bir yüzey pürüzlülüğüne ulaşması gerekir. Soğuk-haddelenmiş veya kimyasal olarak asitlenmiş plakalar, Ra'nın 3,2 mikrometreyi aşmamasını gerektirir. Hassas-zemin plakaları Ra'nın 1,6 mikrometreyi aşmamasını gerektirir.
5. Metalurjik Gereksinimler
Öğütülmüş-tavlanmış durumdaki alfa-beta titanyum alaşımlı plakanın mikro yapısı, dönüştürülmüş bir beta matris içinde dağıtılmış eş eksenli birincil alfa fazından oluşmalıdır. Sünekliği ve yorulma direncini azalttığı için sürekli tane sınırı alfa fazına izin verilmez. Tane büyüklüğü ASTM 5 veya daha ince olmalı ve tipik üretim ASTM 6 ila 8'e ulaşmalıdır. Yüksek sıcaklıkta işleme sırasında oluşan sert oksijen-zenginleştirilmiş yüzey katmanı olan alfa durumu tamamen kaldırılmalıdır. Doğrulama, yüzeyde sertlik artışı olmadığını gösteren mikro-sertlik profili oluşturmayı veya alfa stabilize katman kalmadığını doğrulayan metalografik incelemeyi gerektirir.
Beta-dengeleyici zenginleştirmenin yerelleştirilmiş bölgeleri olan beta lekeleri, kritik havacılık ve uzay uygulamalarında yasaktır. Uygun reaktifler kullanılarak makro-aşındırma incelemesi yoluyla tespit edilirler. Katılım içeriği, ince, ağır, silikat ve küresel oksit kalıntıları için sırasıyla izin verilen maksimum A2, B2, C2 ve D2 seviyeleriyle ASTM E45 Yöntem A'ya göre derecelendirilmiştir.
6.-Tahribatsız Muayene Gereksinimleri
AMS-STD-2154 Sınıf A kriterlerine göre 6,35 milimetre ve daha kalın tüm plakalar için ultrasonik test yapılması zorunludur. 3,2 milimetrelik düz tabanlı deliğin eşdeğerini aşan hiçbir gösterge kabul edilemez. Boya penetrant testi, uzunluğu 3,2 milimetreyi aşan hiçbir doğrusal gösterge olmaksızın, ASTM E1417'ye göre tüm bitmiş yüzeyler için geçerlidir. Radyografik testler ASTM E1742'ye göre kaynaklı veya tamir alanları için ayrılmıştır. Girdap akımı testi, alıcı ve tedarikçi arasındaki anlaşmayla belirlenen hassasiyetle ASTM E426 prosedürlerini takip ederek 6,35 milimetrenin altındaki ince plakalar üzerinde ultrasonik testin yerini alabilir.
7. Isıl İşlem Koşulları
Öğütülmüş{0}tavlanmış levha 704 ila 760 santigrat derecede işlenir ve ardından havayla soğutulur. Bu durum genel uygulamalar için dengeli özellikler sağlar. Dubleks tavlama, 954 santigrat derecede suyla söndürmeli solüsyon işlemini ve ardından 538 santigrat derece havayla soğutmayı içerir ve hasara-toleranslı tasarımlar için kırılma dayanıklılığını artırır. Çözeltiye tabi tutulmuş ve yaşlandırılmış plaka, 927 santigrat derecede suyla söndürme işlemiyle maksimum dayanıklılığa ulaşır, ardından 538 santigrat derecede 4 ila 8 saat yaşlandırılır. Hava soğutmalı 1010 santigrat derecede beta tavlaması ve ardından 760 santigrat derecede stabilizasyon, havacılık ve uzay motor uygulamalarında sürünme direnci için optimize edilmiş dönüştürülmüş bir beta mikro yapı üretir. 538 ila 649 santigrat derecede gerilim giderme, işleme veya şekillendirme operasyonlarını takip eder.
Tüm ısıl işlemler, 10 üzeri eksi 3 milibar veya daha iyi basınçta vakumda veya yüksek-saflıkta argon atmosferinde gerçekleştirilmelidir. Isıl işlem sırasında oluşan herhangi bir alfa durumu, son muayeneden önce tamamen giderilmelidir.
8. Referans Verilen Standartlar
Titanyum alaşımlı levhanın birincil spesifikasyonu, titanyum ve titanyum alaşımlı şerit, levha ve levhayı kapsayan ASTM B265'tir. Bu standart, kimyasal bileşim sınırlarını, mekanik özellik gerekliliklerini, boyut toleranslarını ve genel kalite hükümlerini tanımlar. Çubuklar ve kütükler için ASTM B348, tamamlayıcı mekanik test referansları sağlar.
Mekanik test metodolojisi açısından ASTM E8 ve E8M, metalik malzemelerin gerilim testini yönetir. Sertlik doğrulaması, Rockwell sertliği için ASTM E18'i veya Brinell sertliği için ASTM E10'u takip eder. Dahil edilen içerik değerlendirmesinde titanyum alaşımları için uyarlanmış ASTM E45 kullanılır. Tane boyutu ölçümü ASTM E112'ye uygundur. ASTM E384'e göre mikro-sertlik profili oluşturma, artık alfa durumunu tespit eder. Metalografik numune hazırlama ve dağlama sırasıyla ASTM E3 ve ASTM E407'yi takip eder.
Tahribatsız muayene standartları arasında sıvı penetrant testi için ASTM E1417, radyografik inceleme için ASTM E1742 ve ince ürünlerin elektromanyetik girdap akımı testi için ASTM E426 yer alır. Yüzey hazırlama ve kireç çözme kılavuzu ASTM B600'de bulunur.
Havacılık ve Uzay Malzemesi Spesifikasyonları, uçuş-kritik uygulamaları için daha sıkı gereksinimler sağlar. AMS 4907, tavlanmış durumdaki Ti-6Al-4V plakayı kapsar. AMS 4911, solüsyonla işlenmiş ve yaşlandırılmış Ti-6Al-4V plakayı ele alır. AMS 4930, ekstra düşük geçişli Ti-6Al-4V plakayı belirtir. AMS 4940, Ti-5Al-2.5Sn plakası için geçerlidir. AMS 4943, Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn beta alaşımlı plakayı kapsar. AMS 4945, Ti-8Al-1Mo-1V alfaya yakın alaşımlı plakayı ele alır. Ultrasonik muayene kabul kriterleri AMS-STD-2154'te tanımlanmıştır.
Eski askeri spesifikasyonlar arasında titanyum levha, şerit ve levha için MIL-T-9046 ve çubuklar ve dövme malzemeler için MIL-T-9047 yer alır. Çevre testleri MIL-STD-810'a uygundur.
Uluslararası standartlar, işlenmiş Ti-6Al-4V alaşımlı cerrahi implantlar için ISO 5832-3'ü ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımlı implantlar için ISO 5832-10'u içerir. İngiliz Standartları BS 2TA 2 ve BS 2TA 11, Ti-6Al-4V levha ve plakayı kapsar. Alman DIN 17850, dövme titanyum alaşımları için teknik özellikler sağlar. Japon JIS H4600 levhalara, plakalara ve şeritlere yöneliktir. Çin ulusal standardı GB/T 3621 ve askeri standart GJB 2505A, havacılık sınıfı titanyum alaşımlı levhalar için geçerlidir.
9. Uygulamaya-Özel Gereksinimler
Havacılık ve uzay yapısal uygulamaları, yüksek-döngülü yorulma verileri, hasar tolerans analizi ve AMS 4907, AMS 4911 ve AMS-STD-2154'e göre A Düzeyi NDT uyumluluğu gerektirir. Havacılık ve uzay motor bileşenleri, AMS 4945 ve ASTM E139'a göre yüksek sıcaklıkta çekme özellikleri, sürünme direnci doğrulaması ve termal stabilite testi gerektirir.
Tıbbi implant uygulamaları, ISO 5832-3, ASTM F136 ve ASTM F1472'ye göre zorunlu ELI sınıfı malzeme ile sitotoksisite ve duyarlılık analizleri dahil olmak üzere biyouyumluluk testlerini zorunlu kılar. Kimyasal işleme ekipmanı, ASTM B265, ASTM G28 ve NACE MR0175 veya ISO 15156'ya göre belirli proses ortamlarında korozyon direncinin doğrulanmasını ve kaynaklanabilirliğinin kanıtlanmış olmasını gerektirir. Denizcilik ve açık deniz yapıları deniz suyu korozyonuna dayanıklı olmalı ve ASTM B265 ve DNV-OS-B401'e göre katodik koruma sistemleriyle uyumluluk göstermelidir. Nükleer uygulamalar, ASME Kazan ve Basınçlı Kap Kodu Bölüm II Kısım D'ye göre nötron absorpsiyon kesitini, radyasyon stabilitesini ve eser element içeriğini kontrol eder.
10. Sertifikasyon ve Dokümantasyon
Her üretim partisine, kimyasal analiz sonuçlarını, mekanik özellik testi sonuçlarını, ısı numarası izlenebilirliğini ve ölçülen gerçek boyutları belgeleyen bir Değirmen Test Sertifikası eşlik etmelidir. Bu sertifika ASTM B265'e göre zorunludur. Tahribatsız-muayene sertifikaları ultrasonik, penetrant veya radyografik sonuçları operatör yeterlilik kayıtlarıyla birlikte rapor eder. Metalurji raporları, mikroyapı fotomikrograflarını, ölçülen tane boyutunu ve kritik uygulamalara yönelik katılım derecelendirmelerini içerir. Isıl işlem sertifikaları döngü parametrelerini, atmosfer tipini ve termokupl kalibrasyon kayıtlarını belgelendirir. Tam izlenebilirlik raporları, havacılık ve tıbbi cihaz mevzuatına uygunluk için gerekli olan malzeme menşeini, eritme uygulamasını ve eksiksiz işleme geçmişini belirler.
