عملیات حرارتی تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم (1)

عملیات حرارتی فرآیندی است که طی آن گرمایش و خنک‌سازی کنترل شده فلزات در شرایط محیطی بسیار دقیق به منظور تغییر خصوصیات فیزیکی یا مکانیکی فلز بدون تغییر شکل محصول انجام می‌شود. اگر عملیات حرارتی به درستی انجام نشود، فلز ممکن است به خواص مطلوب مورد نیاز برای مطابقت با مشخصات طراحی مهندسین دست پیدا نکند.
عملیات حرارتی معمولاً با افزایش استحکام مواد مرتبط است، اما اغلب برای بهبود ماشین‌کاری، بهبود شکل‌پذیری، افزایش شکل‌پذیری یا افزایش مقاومت در برابر خوردگی استفاده می‌شود. بنابراین، این یک فرآیند حیاتی است که تضمین می کند که ویژگی های مشخص شده فلز به دست آمده است.

مزایای عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم:

کاهش تنش های پسماند ایجاد شده در حین ساخت (کاهش استرس)
تولید ترکیبی بهینه از شکل‌پذیری، ماشین‌کاری و پایداری ابعادی و ساختاری (بازپخت)
افزایش قدرت (محلول درمان و پیری)

بهینه سازی خواص ویژه مانند چقرمگی شکست، استحکام خستگی و مقاومت خزشی در دمای بالا

کاهش استرس از تیتانیوم

تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم را می توان بدون تأثیر نامطلوب بر استحکام یا شکل پذیری، تنش زدایی کرد.

تیمارهای تنش‌زدایی تنش‌های پسماند نامطلوب را کاهش می‌دهند که اولاً از آهنگری گرم یا تغییر شکل غیریکنواخت ناشی از شکل‌دهی و صاف کردن سرد، دوم، ماشین‌کاری نامتقارن صفحه یا آهنگری، و سوم، جوشکاری و خنک‌سازی قطعات ریخته‌گری می‌شود. حذف چنین تنش‌هایی به حفظ پایداری شکل کمک می‌کند و شرایط نامطلوب را از بین می‌برد، مانند از دست دادن مقاومت فشاری که معمولاً به عنوان اثر بوشینگر شناخته می‌شود.

کاهش استرس احتمالاً رایج ترین عملیات حرارتی است که برای تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم انجام می شود. برای کاهش تنش‌های پسماند نامطلوب ناشی از تغییر شکل آهنگری گرم غیریکنواخت، شکل‌دهی و صاف کردن سرد غیریکنواخت، ماشین‌کاری نامتقارن صفحه (hogouts) یا آهنگری، جوشکاری قطعات فرفورژه، ریخته‌گری یا متالورژی پودر (P/M) و خنک سازی قطعات ریخته گری

تنش زدایی به حفظ پایداری شکل کمک می کند و همچنین می تواند شرایط نامطلوب مانند از دست دادن مقاومت فشاری - اثر Bauschinger - را که می تواند به ویژه در آلیاژهای تیتانیوم شدید باشد، از بین ببرد. تنش زدایی را می توان بدون تأثیر نامطلوب بر استحکام یا شکل پذیری انجام داد.

آنیل کردن

بازپخت تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم در درجه اول برای افزایش چقرمگی شکست، شکل‌پذیری در دمای اتاق، پایداری ابعادی و حرارتی و مقاومت در برابر خزش عمل می‌کند. بسیاری از آلیاژهای تیتانیوم در حالت آنیل شده در خدمت قرار می گیرند. از آنجایی که بهبود در یک یا چند ویژگی به طور کلی با هزینه برخی از ویژگی های دیگر به دست می آید، سیکل بازپخت باید با توجه به هدف درمان انتخاب شود.
درمان های رایج آنیلینگ عبارتند از:

بازپخت آسیاب یک درمان همه منظوره است که به تمام محصولات آسیاب داده می شود. این یک آنیل کامل نیست و ممکن است آثاری از کار سرد یا گرم در ریزساختار محصولات سخت کار شده، به ویژه ورق، باقی بگذارد.

بازپخت دوبلکس شکل، اندازه و توزیع فازها را به مواردی که برای بهبود مقاومت در برابر خزش یا چقرمگی شکست لازم است تغییر می‌دهد. به عنوان مثال، در آنیل دوبلکس آلیاژ Corona 5، اولین آنیل در نزدیکی ترانسوس قرار دارد تا تغییر شکل داده شده را کروی کند و کسر حجمی آن را به حداقل برساند. به دنبال آن یک بازپخت دوم با دمای پایین تر برای رسوب عدسی شکل جدید (سوزی) بین ذرات کروی انجام می شود. این شکل گیری سوزنی با بهبود قدرت خزشی و چقرمگی شکست همراه است.

بازپخت و بازپخت تبلور مجدد برای بهبود چقرمگی شکست استفاده می شود. در بازپخت کریستالیزاسیون مجدد، آلیاژ به انتهای بالایی محدوده حرارت داده می شود، برای مدتی نگه داشته می شود و سپس بسیار آهسته سرد می شود. در سال‌های اخیر، آنیل با تبلور مجدد جایگزین آنیل برای قطعات حیاتی بدنه هواپیما در شکستگی شده است.

(بتا) بازپخت. مانند بازپخت کریستالیزاسیون مجدد، بازپخت چقرمگی شکست را بهبود می بخشد. آنیل بتا در دماهای بالاتر از ترانسوس آلیاژ در حال بازپخت انجام می شود. برای جلوگیری از رشد بیش از حد دانه، دمای بازپخت باید کمی بالاتر از ترانسوس باشد. زمان بازپخت به ضخامت مقطع بستگی دارد و باید برای تبدیل کامل کافی باشد. زمان در دما پس از تبدیل باید به حداقل برسد تا رشد دانه کنترل شود. بخش های بزرگتر باید با فن خنک شوند یا با آب خاموش شوند تا از تشکیل فاز در مرز دانه ها جلوگیری شود.

راه حل درمان و پیری

طیف وسیعی از سطوح مقاومت را می توان در - یا آلیاژها با عملیات محلول و پیری به دست آورد. به استثنای آلیاژ منحصربه‌فرد Ti-2.5Cu، منشأ پاسخ‌های عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم در ناپایداری فاز با دمای بالا در دماهای پایین‌تر است.
حرارت دادن یک آلیاژ به دمای محلول، نسبت فاز بالاتری را تولید می کند. این پارتیشن بندی فازها با کوئنچ حفظ می شود. در پیری بعدی، تجزیه فاز ناپایدار رخ می دهد و استحکام بالایی را ارائه می دهد. آلیاژهای تجاری معمولاً در شرایط تیمار شده با محلول عرضه می شوند و فقط باید کهنه شوند. درمان با محلول آلیاژهای تیتانیوم معمولاً شامل حرارت دادن به دمای کمی بالاتر یا کمی کمتر از دمای ترانس است.
آلیاژهای (بتا) معمولاً از تولیدکنندگان در شرایط تیمار شده با محلول به دست می‌آیند. در صورت نیاز به گرم کردن مجدد، زمان خیساندن باید فقط تا زمانی باشد که برای به دست آوردن محلول کامل لازم است. دماهای محلول درمانی برای آلیاژها بالاتر از transus است. چون فاز دومی وجود ندارد، رشد دانه می تواند به سرعت ادامه یابد.
- آلیاژهای (آلفا بتا). انتخاب دمای محلول برای آلیاژها بر اساس ترکیبی از خواص مکانیکی مورد نظر پس از پیری است. تغییر در دمای محلول - آلیاژها، مقدار فاز را تغییر می دهد و در نتیجه واکنش به پیری را تغییر می دهد.
برای به دست آوردن استحکام بالا با شکل پذیری کافی، لازم است که محلول را در دمای بالا در مزرعه، معمولاً 25 تا 85 درجه (50 تا 150 درجه فارنهایت) زیر ترانسوس آلیاژ، درمان کنید. اگر چقرمگی شکست بالا یا مقاومت بهبود یافته در برابر خوردگی تنشی مورد نیاز باشد، آنیل کردن یا درمان محلول ممکن است مطلوب باشد. با این حال، عملیات حرارتی - آلیاژهای در محدوده باعث از دست دادن قابل توجهی در شکل پذیری می شود. این آلیاژها معمولاً تحت عملیات حرارتی محلول در زیر ترانسوس قرار می‌گیرند تا تعادل مطلوبی از شکل‌پذیری، چقرمگی شکست، خزش و پارگی تنش حاصل شود.

خاموش کردن

اگر آلیاژها با خاموش کردن آب از ناحیه تمام بتا به سرعت سرد شوند، تمایل فاز آلفا به شکل گیری سرکوب می شود و فاز بتا حفظ می شود. با این حال، برخی از ترکیبات آلیاژی، تغییر شکل عجیبی را در خاموش کردن نشان می دهند. این مکانیسم تبدیل مارتنزیتی یا برشی مانند به طور کامل درک نشده است. تشکیل این ساختار، به اصطلاح آلفا اول، باعث ایجاد اعوجاج شبکه می شود. این اعوجاج و کرنش حاصل از آن ماده ای را تولید می کند که سخت و سخت است و خواص خستگی بهتری نسبت به آلفا دارد. این فرآیند خاموش کردن نیز نقطه اولیه برای تلطیف است.

معتدل کردن

هنگامی که تیتانیوم از دمای بالا خاموش می شود، دوباره تا دمای زیر ترانوس بتا گرم می شود، برای مدت طولانی نگهداری می شود و دوباره خاموش می شود، گفته می شود که حرارت داده شده است. سه متغیر در اعتدال وجود دارد: فازهای موجود، زمان نگهداری و دمای تلطیف.

هنگامی که ساختار اولیه حاوی آلفا اول باشد، دو تغییر رخ می دهد: آلفا اول به آلفا تبدیل می شود و در زمان های طولانی تر آلفا دندانه دار می شود. نتیجه از دست دادن سختی و استحکام و افزایش شکل پذیری و ضربه است. اما ساختارهای آلفا-بتا از این الگو پیروی نمی کنند. آلفا در درجه اول بدون تغییر باقی می ماند. بتا تجزیه می شود و آلفای بیشتری را به هزینه فاز بتا تشکیل می دهد. در دماهای پایین، آلفای بیشتری تشکیل خواهد شد. بنابراین، دماهای تلطیف پایین منجر به کاهش بیشتر در استحکام و سختی و افزایش بیشتر در شکل‌پذیری نسبت به دمای بالا در بازه‌های زمانی یکسان می‌شود.

تبدیل همدما

با خاموش کردن گرم یک آلیاژ از ناحیه تمام بتا به دماهای میدان آلفا-بتا و نگهداری برای مدت زمان و سپس خاموش کردن بیشتر تا دمای اتاق، مواد به صورت همدما تبدیل می‌شوند. درمان به این روش باعث رسوب فاز آلفا از بتا می شود. در دماهای بالا، آلفا ابتدا در مرز دانه ها و بعد در درون خود دانه های بتا رسوب می کند.
این عملیات زمانی که در دماهایی درست زیر دمای تبدیل قرار می گیرد، در ابتدا به دلیل تشکیل بتا پرایم، ماده بسیار سختی به دست می دهد. اگر زمان نگهداری طولانی شود، سختی و استحکام با افزایش شکل پذیری و چقرمگی کاهش می یابد. در دماهای پایین تر، سختی و شکنندگی تدریجی افزایش می یابد و در زمان های طولانی سختی بالاتری نسبت به تیمارهای کوتاه مدت در دمای بالا به دست می آید.

(ادامه دارد)