Requisits tècnics i estàndards de referència per a plaques d'aliatge de titani
1. Classificació del material i qualificacions
Les plaques d'aliatge de titani es classifiquen àmpliament en quatre categories segons la seva microestructura i composició d'aliatge. Els aliatges alfa, com ara Ti-5Al-2,5Sn (grau 6), contenen principalment estabilitzadors alfa com l'alumini i l'estany. Aquests aliatges ofereixen una excel·lent soldabilitat i resistència a la fluència a temperatures elevades, cosa que els fa adequats per a estructures de fusteria i aplicacions criogèniques. Els aliatges propers-alfa, inclosos Ti-8Al-1Mo-1V (grau 9) i Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, incorporen petites quantitats d'estabilitzadors beta mentre mantenen una estructura dominant alfa. Proporcionen una estabilitat millorada a alta temperatura per als components del motor de la turbina de gas.
Els aliatges alfa-beta representen la categoria més utilitzada, amb Ti{-6Al-4V (grau 5) com l'aliatge de cavall de batalla dels sectors aeroespacial, mèdic i industrial. Aquest aliatge aconsegueix un equilibri òptim de resistència, ductilitat i resistència a la fractura a través de la seva microestructura de doble fase. La variant intersticial extra baixa, Ti-6Al-4V ELI (grau 23), restringeix el contingut d'oxigen, ferro i hidrogen per millorar la tolerància al dany per a aplicacions crítiques. Els aliatges beta com el Ti-10V-2Fe-3Al i el Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn es poden tractar amb solució i envellir per aconseguir els nivells de resistència més alts entre els aliatges de titani, amb avantatges particulars en la conformabilitat abans del tractament tèrmic.
2. Requisits de composició química
La composició química de les plaques d'aliatge de titani s'ha de controlar estretament per garantir propietats mecàniques consistents i resistència a la corrosió. Per al Ti-6Al-4V (grau 5), el contingut d'alumini oscil·la entre el 5,50 i el 6,75 per cent, mentre que el vanadi oscil·la entre el 3,50 i el 4,50 per cent. El ferro es limita al 0,30% màxim, l'oxigen al 0,20%, el carboni al 0,08%, el nitrogen al 0,05% i l'hidrogen al 0,015%. El total de tots els elements residuals no ha de superar el 0,40 per cent.
Per al grau ELI, l'alumini està restringit al 5,50 al 6,50 per cent, el ferro al 0,25 per cent màxim, l'oxigen al 0,13 per cent i l'hidrogen al 0,0125 per cent. Aquests nivells intersticials reduïts milloren significativament la duresa i la ductilitat de la fractura, per això aquest grau és obligatori per als implants quirúrgics i els components estructurals aeroespacials crítics. Ti-5Al-2.5Sn (grau 6) permet l'alumini entre el 4,00 i el 6,00 per cent, l'estany entre el 2,00 i el 3,00 per cent, amb ferro fins a un 0,50 per cent i hidrogen fins a un 0,020 per cent. El límit d'oxigen coincideix amb el Ti-6Al-4V estàndard al 0,20 per cent.
3. Requisits de propietat mecànica
A temperatura ambient en la direcció longitudinal, la placa Ti-6Al-4V ha d'aconseguir una resistència màxima a la tracció mínima de 895 MPa, una resistència a la fluència mínima amb un desplaçament del 0,2 per cent de 828 MPa, un allargament mínim del 10 per cent i una reducció mínima de l'àrea del 25 per cent. La variant ELI manté els mateixos requisits d'allargament i reducció, però amb nivells de resistència lleugerament reduïts: 860 resistència a la tracció màxima mínima MPa i límit elàstic mínim de 795 MPa. Ti-5Al-2.5Sn requereix una resistència a la tracció mínima de 827 MPa, una resistència elàstica mínima de 759 MPa i mètriques de ductilitat coincidents.
Per a un servei a temperatura elevada, la placa Ti-6Al{-2Sn-4Zr-2Mo ha de demostrar una resistència a la tracció mínima de 620 MPa a 315 graus centígrads, amb una resistència a la fluència verificada a 425 graus centígrads. La tenacitat a la fractura representa un paràmetre crític per al disseny tolerant als danys. La placa ELI Ti-6Al-4V ha d'aconseguir una tenacitat a la fractura per deformació plana K_IC d'almenys 75 MPa d'arrel quadrada de metre, mentre que Ti-5Al-2.5Sn requereix un mínim de 55 MPa d'arrel quadrada de metre. Els requisits d'energia d'impacte Charpy V-notch són de 20 joules i 16 joules, respectivament.
4. Toleràncies dimensionals i acabat superficial
La tolerància del gruix varia segons el gruix de la placa. Per a plaques de fins a 6,35 mil·límetres, la tolerància estàndard és de més o menys 0,13 mil·límetres, amb una tolerància de precisió ajustada a més o menys 0,08 mil·límetres. Entre 6,35 i 25,4 mil·límetres, la tolerància estàndard passa a ser més o menys 0,25 mil·límetres, amb una precisió de més o menys 0,13 mil·límetres. Per a plaques de més de 25,4 mil·límetres fins a 50,8 mil·límetres, la tolerància estàndard és de més o menys 0,38 mil·límetres i la tolerància de precisió és de més o menys 0,25 mil·límetres.
La tolerància a l'amplada és més de 6,35 mil·límetres sense menys en condicions estàndard, ajustada a més de 3,18 mil·límetres per a la precisió. La tolerància de longitud és més de 25 mil·límetres estàndard, més 13 mil·límetres de precisió. La planitud no ha de superar els 3,2 mil·límetres per metre segons els requisits estàndard, o 1,6 mil·límetres per metre per a la placa de precisió. El camber de la vora està limitat a 3,2 mil·límetres per 3 metres estàndard i 1,6 mil·límetres per 3 metres de precisió.
Els requisits d'acabat superficial depenen del mètode de processament. Les plaques-laminades en calent han d'aconseguir una rugositat superficial Ra que no superi els 6,3 micròmetres. Les plaques-laminades en fred o decapades químicament requereixen que Ra no superi els 3,2 micròmetres. Les plaques de terra de precisió-demanen Ra que no superi els 1,6 micròmetres.
5. Requisits metal·lúrgics
La microestructura de la placa d'aliatge de titani alfa-beta a la condició de recuit del molí-ha de consistir en una fase alfa primària equieix distribuïda dins d'una matriu beta transformada. La fase alfa contínua del límit de gra no està permesa ja que degrada la ductilitat i la resistència a la fatiga. La mida del gra ha de ser ASTM 5 o més fina, amb una producció típica d'ASTM 6 a 8. S'ha d'eliminar completament el cas alfa, aquella capa superficial-enriquida amb oxigen dur que es forma durant el processament a-alta temperatura. La verificació requereix un perfil de micro-duresa que no mostri cap punt de duresa a la superfície o un examen metal·logràfic que confirmi que no hi ha restes de capa alfa-estabilitzada.
Les taques beta, que són regions localitzades d'enriquiment de l'estabilitzador beta-, estan prohibides en aplicacions aeroespacials crítiques. Es detecten mitjançant una inspecció de macro-gravat mitjançant reactius adequats. El contingut d'inclusió està classificat segons el Mètode A d'ASTM E45, amb els nivells màxims permesos d'A2, B2, C2 i D2 per a inclusions primes, pesades, de silicat i d'òxid globular respectivament.
6. Requisits de proves no-destructives
Les proves d'ultrasons són obligatòries per a totes les plaques de 6,35 mil·límetres o més de gruix, realitzades segons els criteris AMS-STD-2154 Classe A. No s'accepta cap indicació que superi l'equivalent a un forat de fons pla de 3,2 mil·límetres. Les proves de penetració de colorants s'apliquen a totes les superfícies acabades segons ASTM E1417, sense indicacions lineals que superin els 3,2 mil·límetres de longitud. Les proves radiogràfiques es reserven per a zones de soldadura o reparació segons ASTM E1742. Les proves de corrents de Foucault poden substituir les proves d'ultrasons en plaques primes per sota de 6,35 mil·límetres, seguint els procediments ASTM E426 amb la sensibilitat establerta per acord entre el comprador i el proveïdor.
7. Condicions de tractament tèrmic
La placa recoberta del molí{0} es processa entre 704 i 760 graus centígrads seguit d'un refredament per aire. Aquesta condició proporciona propietats equilibrades per a aplicacions generals. El recuit dúplex implica el tractament de la solució a 954 graus centígrads amb extinció d'aigua, seguit d'una refrigeració a l'aire de 538 graus centígrads, millorant la resistència a la fractura per als dissenys-tolerants a danys. La placa tractada amb solució i envellida aconsegueix la màxima resistència mitjançant el tractament a 927 graus centígrads amb apagada d'aigua, després envellint a 538 graus centígrads durant 4 a 8 hores. El recuit beta a 1010 graus centígrads amb refrigeració per aire, seguit de l'estabilització a 760 graus centígrads, produeix una microestructura beta transformada optimitzada per a la resistència a la fluència en aplicacions de motors aeroespacials. L'alleujament de tensió a 538 a 649 graus centígrads segueix les operacions de mecanitzat o conformat.
Tots els tractaments tèrmics s'han de fer al buit entre 10 i 3 mil·libars menys o millor, o en una atmosfera d'argó d'alta -puresa. Qualsevol cas alfa format durant el tractament tèrmic s'ha d'eliminar completament abans de la inspecció final.
8. Estàndards referenciats
L'especificació principal per a la placa d'aliatge de titani és ASTM B265, que cobreix la cinta, la làmina i la placa d'aliatge de titani i titani. Aquesta norma defineix límits de composició química, requisits de propietats mecàniques, toleràncies dimensionals i disposicions generals de qualitat. ASTM B348 per a barres i palangres proporciona referències de proves mecàniques addicionals.
Per a la metodologia d'assaig mecànic, ASTM E8 i E8M regeixen les proves de tensió de materials metàl·lics. La verificació de la duresa segueix ASTM E18 per a la duresa Rockwell o ASTM E10 per a la duresa Brinell. L'avaluació del contingut d'inclusió utilitza ASTM E45, adaptat per a aliatges de titani. La mesura de la mida del gra segueix ASTM E112. El perfil de micro-duresa segons ASTM E384 detecta el cas alfa residual. La preparació de mostres metal·logràfiques i el gravat segueixen ASTM E3 i ASTM E407 respectivament.
Els estàndards de proves no-destructives inclouen ASTM E1417 per a proves de penetrants líquids, ASTM E1742 per a examen radiogràfic i ASTM E426 per a proves electromagnètiques de corrent de Foucault de productes prims. La guia de preparació de superfícies i descalcificació es troba a ASTM B600.
Les especificacions de material aeroespacial proporcionen requisits més estrictes per a aplicacions-crítiques de vol. L'AMS 4907 cobreix la placa de Ti-6Al-4V en estat recuit. AMS 4911 aborda la placa Ti-6Al-4V tractada amb solució i envellida. AMS 4930 especifica una placa intersticial Ti-6Al-4V extra baixa. AMS 4940 s'aplica a la placa Ti-5Al-2.5Sn. AMS 4943 cobreix la placa d'aliatge beta Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 adreça la placa d'aliatge Ti-8Al-1Mo-1V gairebé alfa. Els criteris d'acceptació de la inspecció per ultrasons es defineixen a AMS-STD-2154.
Les especificacions militars heretades inclouen MIL-T-9046 per a làmines, tires i plaques de titani, i MIL-T-9047 per a barres i forja. Les proves ambientals segueixen MIL-STD-810.
Els estàndards internacionals inclouen la ISO 5832-3 per als implants quirúrgics d'aliatge Ti-6Al-4V forjats i la ISO 5832-10 per als implants d'aliatge Ti-5Al-2.5Fe. Els estàndards britànics BS 2TA 2 i BS 2TA 11 cobreixen xapa i placa Ti-6Al-4V. La norma alemanya DIN 17850 proporciona especificacions tècniques per a aliatges de titani forjat. JIS H4600 japonès adreça fulls, plaques i tires. L'estàndard nacional xinès GB/T 3621 i l'estàndard militar GJB 2505A s'apliquen a la placa d'aliatge de titani de grau aeri.
9. Aplicació-Requisits específics
Les aplicacions estructurals aeroespacials exigeixen dades de fatiga de cicle elevat-, anàlisi de tolerància a danys i compliment de nivell A d'END segons AMS 4907, AMS 4911 i AMS-STD-2154. Els components del motor aeroespacial requereixen propietats de tracció a temperatura elevada, verificació de resistència a la fluència i proves d'estabilitat tèrmica segons AMS 4945 i ASTM E139.
Les aplicacions d'implants mèdics exigeixen proves de biocompatibilitat que inclouen assajos de citotoxicitat i sensibilització, amb material de grau ELI obligatori segons ISO 5832-3, ASTM F136 i ASTM F1472. Els equips de processament químic requereixen una validació de resistència a la corrosió en medis de procés específics i una soldabilitat demostrada segons ASTM B265, ASTM G28 i NACE MR0175 o ISO 15156. Les estructures marines i en alta mar han de resistir la corrosió de l'aigua de mar i demostrar la compatibilitat amb els sistemes de protecció catòdica segons ASTM B265 i DSV{1}1}4{1}1}OSB. Les aplicacions nuclears controlen la secció transversal d'absorció de neutrons, l'estabilitat de la radiació i el contingut d'elements traça segons el codi de caldera i recipient a pressió ASME, secció II, part D.
10. Certificació i documentació
Cada lot de producció ha d'anar acompanyat d'un certificat de prova de molí que documenti els resultats de l'anàlisi química, els resultats de les proves de propietats mecàniques, la traçabilitat del nombre de calor i les dimensions reals mesurades. Aquest certificat és obligatori segons ASTM B265. Els certificats de proves no-destructives informen de resultats d'ultrasons, penetrants o radiogràfics amb registres de qualificació de l'operador. Els informes metal·lúrgics inclouen microfotografies de microestructura, mida de gra mesurada i classificacions d'inclusió per a aplicacions crítiques. Els certificats de tractament tèrmic documenten els paràmetres del cicle, el tipus d'atmosfera i els registres de calibratge del termopar. Els informes de traçabilitat complets estableixen l'origen del material, la pràctica de la fosa i l'historial complet de processament, que és essencial per al compliment de la normativa aeroespacial i de dispositius mèdics.
