عمليات المعالجة الحرارية لسبائك التيتانيوم: التلدين ومعالجة المحاليل والتعمير

المعالجة الحرارية هي الاستخدام المتحكم لدرجة الحرارة ومعدل التبريد لتغيير البنية الداخلية للمعدن بحيث تتوافق خواصه الميكانيكية مع الوظيفة التي يتعين عليه القيام بها. في التيتانيوم، فإن التحول من مرحلة بيتا ذات درجة الحرارة العالية إلى مرحلة ألفا السداسية، وطريقة تقسيم عناصر السبائك فيما بينها، يمنح المعالج الحراري نافذة عمل واسعة ولكن حساسة. إن مكون التيتانيوم الذي يتم تسخينه في جو خاطئ، أو يتم إخماده بسرعة كبيرة أو يتقادم عند درجة حرارة خاطئة يمكن أن يفقد الليونة، أو يكتسب جلدًا هشًا غنيًا بالأكسجين- أو يتشوه بدرجة لا يمكن شفاؤها.

ما تفعله المعالجة الحرارية للتيتانيوم

يتم تصنيف سبائك التيتانيوم حسب المراحل الموجودة في درجة حرارة الغرفة. سبائك ألفا مثل الدرجة 1 إلى الدرجة 4 هي الدرجات النقية تجاريًا وهي أحادية الطور في درجة حرارة الغرفة. تستجيب سبائك ألفا- بيتا، والتي تعد الدرجة 5 (UNS R56400) منها الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، بقوة لمعالجة المحاليل والشيخوخة. تحتفظ سبائك بيتا بجسم شبه مستقر -طور مكعب مركزي ويمكن تعتيقها إلى قوة عالية. يتم استخدام المعالجة الحرارية لأربعة أغراض متميزة: تخفيف الضغط المتبقي، والتليين لمزيد من التشكيل، وتطوير القوة من خلال الترسيب، وتثبيت الأبعاد قبل المعالجة النهائية.

تخفيف التوتر والتليين

تخفيف التوتر هو العلاج الأخف والأكثر شيوعًا. فهو يزيل الإجهاد المتبقي الناتج عن اللحام أو التشغيل الآلي أو الثني أو التقويم دون تغيير القوة بشكل كبير، ويتم إجراؤه عادةً في نطاق حوالي 480 إلى 595 درجة مئوية للدرجات النقية تجاريًا. التلدين بإعادة البلورة، عادة في درجة حرارة حوالي 700 إلى 800 درجة مئوية لسبائك ألفا{6}}بيتا، يستعيد الليونة لمزيد من التشكيل البارد ويتبعه تبريد الهواء.

النقاط العملية التي تحدد النجاح هي:

يدعم:يتم دعم الأجزاء على تركيبات مصممة لتمدد التيتانيوم، وهو منخفض مقارنة بالألمنيوم ولكنه لا يزال كافيًا لتشويه المقاطع الرقيقة.

نقع الوقت:يتم حسابه من لحظة وصول الحمل بالكامل، وليس الفرن، إلى درجة الحرارة، ويتم الاحتفاظ به لفترة قصيرة بقدر ما تسمح به المواصفات.

تبريد:تبريد الهواء لتخفيف الضغط والتليين، مع تحديد سمك القسم لمدى بطء فقدان الأجزاء السريعة للحرارة.

علاج الحل والشيخوخة

يتم إجراء معالجة المحاليل لسبائك ألفا-بيتا أسفل ناقل بيتا، والذي تبلغ درجة حرارته للصف الخامس حوالي 995 درجة مئوية، يليها إخماد سريع. يحتفظ الإخماد ببنية شبه مستقرة يتم تعتيقها بعد ذلك عند درجة حرارة منخفضة لترسيب مرحلة ألفا الدقيقة وزيادة القوة. الممارسة النموذجية للصف الخامس هي معالجة المحاليل في نطاق 900 إلى 970 درجة مئوية، وتبريد الماء، ثم التعتيق بين حوالي 480 و595 درجة مئوية لبضع ساعات، مما يرفع قوة الشد أعلى بكثير من الحالة الملدنة وينتج الصلابة في الثلاثينات المنخفضة على مقياس روكويل سي.

معدل التبريد مهم بقدر درجة الحرارة. يسمح التبريد البطيء من درجة حرارة معالجة المحلول بالانتشار وينتج بنية أكثر خشونة ذات قوة أقل، لذا فإن وقت النقل من الفرن إلى خزان التسقية هو متغير يمكن التحكم فيه وقد تتطلب الأقسام الكبيرة قابلية صلابة أعلى أو سبيكة مختلفة بدلاً من التبريد الأكثر قوة.

التحكم في الغلاف الجوي والفراغ والتلوث

يتأكسد التيتانيوم بسهولة. فوق 400 درجة مئوية تقريبًا، ينتشر الأكسجين والنيتروجين إلى السطح ويشكلان حالة ألفا، وهي طبقة صلبة غنية بالأكسجين-تتشقق تحت الحمل. وبالتالي فإن أفران التفريغ، أو الأفران التي تحتوي على الأرجون أو الهيليوم-عالية النقاء، تعد معيارًا لأي معالجة حرارية أعلى من نطاق تخفيف الضغط. تعد مستويات الفراغ التي تتراوح من 10 إلى 100 ميكروباسكال نموذجية للتليين اللامع.

لا يقتصر التحكم في الفرن على الغلاف الجوي فقط. يجب معايرة قياس الحرارة وفقًا لمعيار AMS 2750، ويجب وضع المزدوجات الحرارية على الأجزاء وليس داخل الفرن فقط، ويجب أن تكون الأحمال مؤهلة بحيث تمثل درجة الحرارة المسجلة أبرد المواقع وأكثرها سخونة. أي تلوث من النحاس أو النحاس الأصفر أو الرصاص أو-منخفض الذوبان في المنطقة الساخنة سوف ينتشر إلى التيتانيوم ويجب استبعاده.

المعلمات النموذجية حسب الصف

المعلمات المذكورة أعلاه هي نطاقات إرشادية تستخدم في الممارسة العامة؛ أرقام التحكم هي تلك الموجودة في مواصفات المواد والعمليات المعمول بها، ويجب أن تتبع دورة المعالجة الحرارية المعتمدة لجزء معين تلك الوثيقة.

التشويه والتشطيب والأخطاء الشائعة

يتم التحكم في التشوه من خلال التصميم الداعم والتسخين الموحد، وعند الضرورة، التقويم الميكانيكي أو التحجيم الساخن بعد المعالجة. يعد الاستقامة بعد المحلول ودورة العمر أمرًا غير مرغوب فيه لأنه يعيد الضغط إلى جزء عالي القوة، لذلك يجب التخطيط لتسلسل المعالجة والمعالجة والتشطيب قبل القطع الأول.

المعالجة الحرارية في الهواء، والتي تنتج حالة ألفا يجب إزالتها عن طريق التخليل أو التصنيع؛ إذا لم تتم إزالته، فإن عمر التعب ينخفض ​​بشكل حاد.

حساب وقت النقع من وحدة التحكم في الفرن وليس من المزدوجة الحرارية المتصلة بالحمل.

تأخير الإخماد، مما يقلل القوة بهدوء دون أي تحذير واضح.

تقادم السبيكة مرتين عند درجات حرارة تزيد بشكل تراكمي عن-عمر السبيكة.

حذف فحوصات ما بعد المعالجة للهيدروجين والصلابة على الأجزاء التي تم تصنيعها قبل المعالجة.

التعليمات

س: متى تكون المعالجة الحرارية ضرورية لأجزاء التيتانيوم؟
عندما يكون هناك جزء متراكم من الإجهاد المتبقي من اللحام أو التشغيل الآلي، فإنه يحتاج إلى تليينه لمزيد من التشكيل، أو يجب أن يكتسب قوة أعلى من خلال معالجة المحاليل والشيخوخة. يتم استخدام التلدين أيضًا لتثبيت الأبعاد قبل المعالجة النهائية.

س: هل يمكن معالجة التيتانيوم حرارياً في الهواء؟
فقط لتخفيف الضغط الناتج عن درجات الحرارة المنخفضة، وحتى في هذه الحالة يفضل توفير جو وقائي. تؤدي أي معالجة تزيد درجة حرارتها عن 400 درجة مئوية تقريبًا في الهواء إلى إنشاء حالة ألفا{2}}معززة بالأكسجين ويجب إزالتها، لذلك يتم استخدام أفران التفريغ أو أفران الغاز الخامل للتليين والتعتيق.

س: ما هو نقل بيتا ولماذا يهم؟
إنها درجة الحرارة التي تصبح عندها السبيكة في طور بيتا بالكامل، أي حوالي 995 درجة مئوية للصف الخامس. تحتفظ معالجة المحلول الموجود تحتها ببعض طور ألفا وتعطي أفضل مزيج من القوة والليونة، بينما تنتج المعالجة فوقها حبيبات خشنة وليونة أقل.

س: كيف يؤثر معدل التبريد على الخصائص؟
يحافظ التبريد المائي السريع على البنية شبه المستقرة اللازمة للشيخوخة ويعطي قوة عالية. يسمح الإخماد البطيء بالانتشار أثناء التبريد، مما ينتج عنه بنية أكثر خشونة وقوة أقل، وفي المقاطع السميكة، استجابة غير كاملة للشيخوخة.

س: لماذا يصبح الجزء المعالج بالحرارة أكثر صلابة ولكنه أكثر هشاشة؟
عادةً ما يكون ذلك بسبب تقادم الجزء لفترة طويلة جدًا، أو تعرضه لدرجات حرارة عالية جدًا، أو تلوثه بالأكسجين أثناء العلاج. يؤدي التقدم في العمر-إلى خشونة الراسب، وتؤدي حالة ألفا إلى هشاشة السطح، لكن الاثنين يحتاجان إلى تصحيحات مختلفة.

س: كيف يتم التحقق من العلاج؟
عن طريق الحمل المزدوجات الحرارية ومسوحات الأفران التي تمت معايرتها وفقًا لمعيار AMS 2750، وعن طريق اختبار الصلابة والشد للكوبونات المعالجة بالحمل، وعند الاقتضاء عن طريق فحص المعادن لحالة ألفا وعن طريق قياس الهيدروجين.