Quali sono i requisiti per spegnere le leghe di titanio

Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate in aerospaziale, dispositivi medici e produzione di fascia alta a causa della loro elevata resistenza specifica, resistenza alla corrosione e biocompatibilità. Tuttavia, i loro processi di trattamento termico sono molto più complessi di quelli per i metalli tradizionali, in particolare il processo di tempra, che richiede un controllo preciso della temperatura, della velocità di raffreddamento e della trasformazione microstrutturale per ottenere prestazioni ottimali.

Temperatura di tempra: la "linea critica" per bilanciare la resistenza e la duttilità

La temperatura di tempra è un parametro chiave che determina la microstruttura e le proprietà meccaniche delle leghe di titanio. A seconda del tipo in lega (, o +), il controllo della temperatura dovrebbe seguire diversi principi:

+ leghe di titanio (EG, TC4):La temperatura di tempra è in genere impostata nella regione di fase + in alto. Ad esempio, la temperatura di tempra per la lega TC4 è di 980-1010 gradi. Questo intervallo di temperatura garantisce una sufficiente dissoluzione della fase pur mantenendo una piccola quantità di fase non insulta come fase di rafforzamento. Se la temperatura supera la temperatura di trasformazione (ad es. 980-1000 gradi per TC4), i grani si corneranno rapidamente, con conseguente riduzione della tenacità dopo l'estinzione. Ad esempio, una certa forgiatura aeronautica ha sperimentato una temperatura di tempra superiore al limite specificato di 10 gradi, causando un aumento della dimensione del grano da 25 μm a 80μm e una riduzione del 30% della tenacità della frattura.

-Ingo di titanio di tipo (come TB2):Devono essere riscaldati sopra la regione monofase. Ad esempio, la temperatura di tempra per la lega TB2 è di 800-850 gradi. L'estinzione ad alta temperatura produce una singola fase metastabile, fornendo siti di nucleazione per le successive precipitazioni di fase durante l'invecchiamento. Tuttavia, il tempo di detenzione deve essere strettamente controllato per prevenire una crescita eccessiva dei grani.

-Il tipo di leghe di titanio:In genere non sono estinti perché la loro microstruttura ricotta è già altamente stabile e le spegnere possono facilmente indurre una trasformazione martensitica, portando alla fragilità.

Metodo di raffreddamento: una corsa contro il tempo per "controllo della trasformazione di fase"

La velocità di raffreddamento influisce direttamente sul percorso di trasformazione delle fasi e la distribuzione residua di sollecitazione nelle leghe di titanio. Il mezzo di raffreddamento appropriato deve essere selezionato in base al tipo in lega e alla dimensione della parte:

Acqua e raffreddamento dell'olio:Adatto per parti a parete sottile (spessore inferiore o uguale a 25 mm) di tipo e+ - leghe di titanio. Il raffreddamento dell'acqua può ottenere velocità di raffreddamento di 1000 gradi /s, attraversando rapidamente la zona di trasformazione di → ′ di martensite e impedendo la decomposizione della fase in una struttura grossolana +. Ad esempio, dopo il raffreddamento dell'acqua, la microstruttura a temperatura ambiente della lega TC4 è ′ martensite con una piccola quantità di fase residua e, dopo l'invecchiamento, la resistenza può raggiungere 1200 MPa.

Raffreddamento dell'aria e del gas:Utilizzato per la stabilizzazione di parti di sezione spessa (spessore> 50 mm) o leghe di tipo. Le velocità di raffreddamento dell'aria di circa 10-50 gradi /s possono ridurre lo stress termico, ma è necessario un successivo trattamento per l'invecchiamento per perfezionare la dimensione del grano. Ad esempio, la microstruttura della lega TB2 dopo il raffreddamento dell'aria è una fase metastabile. Dopo l'invecchiamento a 550 gradi per 8 ore, la fase di nanoscala precipita, aumentando la resistenza del 20%.

Raffreddamento in scena:Per parti di forma complessa, viene impiegato un processo in scena che combina un raffreddamento rapido in una zona ad alta temperatura e il raffreddamento lento in una zona a bassa temperatura. Ad esempio, una lama del motore dell'aeromobile viene prima raffreddata ad acqua a 600 gradi e quindi si è raffreddata lentamente in un forno ad aria a temperatura ambiente, prevenendo le crepe mantenendo l'uniformità della microstruttura.

Controllo della microstruttura: trasformazione da "fase instabile" a "indurimento delle precipitazioni"

Lo scopo principale della tempra è ottenere fasi metastabili (come la martensite e la fase metastabile) per fornire una base per le fasi di rafforzamento delle precipitazioni durante l'invecchiamento. Il controllo della microstruttura si concentra sui seguenti punti chiave:

Ottimizzazione della microstruttura originale:Prima di spegnere, è necessaria la ricottura di ricristallizzazione per eliminare l'indurimento del lavoro e ottenere una struttura a equiax o basket. Ad esempio, dopo la ricottura a 750 gradi per 2 ore, la dimensione del grano originale della lega TC4 è controllata a 10-15 μm. Dopo l'estinzione, la larghezza dei titoli di martensite ′ è inferiore o uguale a 0,5 μm e la dimensione della fase di precipitazione è ancora più fine dopo l'invecchiamento.

Evitare la struttura acicolare:Se la microstruttura originale è costituita da fasi grossolane e aciculari ai livelli 7-9, è probabile che Widmanstätten si formi dopo l'estinzione, con conseguente riduzione della plasticità. Ad esempio, l'allungamento di una forgiatura è sceso dal 15% all'8% dopo l'estinzione a causa della scarsa microstruttura originale.

Controllo del contenuto di idrogeno:L'assorbimento di idrogeno nelle leghe di titanio può causare abbracci per idrogeno, che richiede ricottura della deidrogenazione del vuoto (700-750 gradi /2h) prima di tempra. Ad esempio, dopo il trattamento di deidrogenazione, la tenacità di impatto della lega TC4 con un contenuto di idrogeno dello 0,2% aumenta da 15 J/cm² a 35 J/cm².

TABOOS di processo: "linee rosse" intoccabili

Evita il raffreddamento lento:Se le leghe di tipo sono naturalmente raffreddate in aria, la fase si decompone in grezze + lamelle, con conseguente resistenza insufficiente. Ad esempio, dopo la lega TB2 di raffreddamento dell'aria a temperatura ambiente, la resistenza alla trazione è di soli 800 MPa, molto più bassa degli 1100 MPa dopo il raffreddamento dell'acqua.

Evita ripetuta spegnimento:L'estinzione multipla esacerba il grano di grano. Ad esempio, dopo tre temci in lega TC4, la dimensione del grano aumenta da 25 μm a 120 μm e la resistenza alla frattura diminuisce del 40%.

Prevenire la contaminazione da ossidazione:Il riscaldamento di tempra deve essere eseguito sotto vuoto o protezione del gas inerte per impedire agli strati di ossido di superficie di influenzare la successiva elaborazione. Ad esempio, una parte del dispositivo medico ha subito deviazioni di durezza superficiale fino a 50 HV a causa dell'ossidazione nel forno di riscaldamento.

L'estinzione in lega di titanio è un campo interdisciplinare all'intersezione tra scienze dei materiali, termodinamica e pratica ingegneristica. Il suo nucleo sta nel raggiungere un equilibrio tra resistenza, plasticità e tenacità attraverso un controllo preciso della temperatura, della velocità e della microstruttura. Con l'ascesa di nuove tecnologie come leghe di titanio stampato in 3D e materiali a gradiente funzionalmente, i processi di tempra si stanno evolvendo dal controllo macroscopico alla progettazione microstrutturale.