טכנולוגיית עיבוד תרמו-מכני עבור -סגסוגות טיטניום

-סגסוגות טיטניום הפכו לאחד הנקודות החמות למחקר בחומרי סגסוגת טיטניום בשל יכולת העיבוד המצוינת שלהן בחום ובקור, תכונות מכניות מתכווננות ויציבות בטווח טמפרטורות רחב. בשילוב של עיוות פלסטי עם טיפול בחום, עיבוד תרמי-מכאני (TMP) יכול לייעל ביעילות את המיקרו-מבנה של -טיטניום תכונות מדוייקות של סגסוגות טיטניום ולהשיג את התכונות המדויקות של סגסוגות טיטניום. יישומים-בביצועים גבוהים של -סגסוגות טיטניום.

 

 

ניתוח המאפיינים של סגסוגות טיטניום בטא

 

 

הליבה טמונה בהשפעה הסינרגטית של "התפתחות מיקרו-מבני המושרה על ידי דפורמציה- ושל "טיפול בחום-שלבי משקעים מבוקרים", המווסתת במדויק את התנהגותם של פגמי גביש במהלך דפורמציה ותהליך טרנספורמציה/משקעים פאזה במהלך טיפול בחום כדי לייעל את מבנה המיקרו ותכונותיו של החומר.

 

1.1דפורמציה-העשרה המושרה של פגמי קריסטל ועידון גרגרים

דפורמציה פלסטית מייצרת מספר רב של נקעים ב-סגסוגות טיטניום. עם הגידול בכמות העיוות, החלקה והסתבכות של נקע יוצרים תתי-מבנים, אשר מעודנים עוד יותר לתתי-גרגרים שוות-צירים או גרגרים מתגבשים מחדש באמצעות התאוששות/התגבשות דינמית. גרגירים עדינים יכולים לשפר את החוזק באמצעות חיזוק גבול הדגן ולהפחית את ריכוז הלחץ כדי לשפר את הקשיחות (אפקט חיזוק גרגר -עדין). טמפרטורת הדפורמציה קובעת את מורפולוגיה של המיקרו-מבנה: דפורמציה באזור ה-פאזה נוטה לקבל גרגירים אחידים ועדינים, בעוד שהדפורמציה באזור + כפול-פאזה יוצר מבנה דו-פאזי מורכב ומעודן.

 

1.2ויסות סינרגטי של שלבי טרנספורמציה ושלבי משקעים

על ידי שליטה בקצב הקירור ותהליך ההזדקנות, השינוי של -שלב ל--שלב ו-ω- מווסת:

השלב -הוא שלב ההתחזקות העיקרי. פגמי גביש המוכנסים על ידי דפורמציה מספקים אתרי גרעין, ומאפשרים לו לזרז בצורה מפוזרת ועדינה, מה שמפריע לתנועת הנקע כדי להשיג חיזוק משקעים. ההזדקנות-בטמפרטורה נמוכה יוצרת שלב - אצילי/למלרי, בעוד שהזדקנות-בטמפרטורה גבוהה יוצרת שלב -כדורי (איזון חוזק וקשיחות).

למרות ששלב ω- משפר משמעותית את החוזק, הוא מפחית בחדות את הקשיחות, ולכן יש צורך להימנע או לעכב אותו על ידי שליטה בקצב הקירור והרכב הסגסוגת.

 

1.3הרפיית מתח ואופטימיזציה של יציבות מיקרו-מבנית

תהליך החימום של טיפול בחום מקדם דיפוזיה אטומית, תוך מימוש השמדת נקע וסילוק מתח שיורי, אשר מונע עיוות וסדקים במהלך עיבוד/שירות עוקבים. הוא מייצב את מבנה הגרגר העדין-הנגרמת-, משפר את היציבות התרמית שלו ומונע צמיחת גרגרים בשירות-בטמפרטורה גבוהה. אפקט זה מאפשר את ביצועי העיבוד של החומר, יציבות הממדים וחיי השירות, מה שהופך אותו למתאים לתנאי עבודה-בטמפרטורה גבוהה ו-לחץ גבוה כגון תעופה וחלל.

 

 

2.1 מסלולי תהליכי ליבה

דפורמציה באזור -פאזה + התיישנות: חום לאזור -פאזה (50-150 מעלות מעל -טמפרטורת הטרנסוס), דפורמציה, ואז קירור במהירות לטמפרטורת החדר, ובצע טיפול הזדקנות. תהליך זה משיג גרגירים מזוקקים באופן אחיד ושלבים מפוזרים -, והוא מתאים לרכיבים מבניים בעלי חוזק- גבוה וקשיחות גבוהה.

דפורמציה באזור + דו-פאזי- + יישון: חום לאזור + דו-פאזי- (בין -טמפרטורת הטרנסוס לטמפרטורת החדר), עיוות כדי לחדד את המבנה באמצעות ממשק הדו-פאזי- והתיישן לאחר הקירור. יש לו חוזק גבוה וביצועי עייפות מצוינים, והוא מתאים לרכיבים העמוסים-כגון להבי מנועי אוויר.

עבור סגסוגות עם דרישות מיוחדות, ניתן לאמץ תהליכים מרוכבים כגון דפורמציה-שלב יישון ועיבוד תרמו-מכני איזותרמי כדי לייעל את הביצועים.

 

2.2 בקרת פרמטרים של תהליך מפתח

1. טמפרטורת דפורמציה (רָאשִׁיפָּרָמֶטֶר)

-אזור שלב: נשלט ב--transus +50 מעלות ~ -transus +100 מעלות כדי להבטיח התגבשות דינמית ועידון גרגרים;

+ אזור דו-שלבי-: -טרנסוס -50 מעלות ~ -טרנסוס -100 מעלות, שמירה על 10%-30% -פאזה כדי לחדד את המבנה באמצעות סינרגיה דו-פאזית;

נקודת מפתח: טמפרטורה גבוהה מדי מובילה להתגבשות גרגרים, בעוד שטמפרטורה נמוכה מדי מגבירה את עמידות העיוותים ונוטה לגרום לסדקים.

 

2. כמות ושיעור דפורמציה

כמות דפורמציה: 30%-70%. עיוות גדול מדי נוטה להיסדק, בעוד עיוות קטן מדי קשה לעדן את המבנה;

קצב דפורמציה: מהירות- בינונית (0.1-10 שניות⁻¹) כדי למנוע צמיחת גרגרים הנגרמת על ידי חימום אדיאבטי; עבור סגסוגות שקשה לעיוות-, ניתן להפחית את הקצב או לאמץ עיוות צעד.

3. קצב קירור ופרמטרים של יישון

 

קירור: קירור מהיר (קירור מים/קירור שמן) לקבלת תמיסה מוצקה על-רוויה, הנחת היסוד לחיזוק ההזדקנות; קירור איטי מדי יפחית את החוזק;

התיישנות: טמפרטורה נמוכה (350-450 מעלות, 1-4 שעות) יוצרת שלבים - עגולים עדינים עם אפקט מחזק משמעותי; טמפרטורה בינונית-גבוהה (450-600 מעלות, 4-8 שעות) משיגה שלבים דמויי מוט כדוריים/קצרים, איזון חוזק וקשיחות; קירור אוויר לאחר ההזדקנות מספיק כדי למנוע מתח שיורי.

 

 

 

תרשים שלב מפורט של הרכב שלב סגסוגת טיטניום לעומת ריכוז של -אלמנטים מייצבים וטמפרטורה

 

 

מימד השוואה	סגסוגות טיטניום-גבוהות -	בינוני-יציבות -סגסוגות טיטניום	יציבות-נמוכה -סגסוגות טיטניום
סגסוגות נציגות	Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, Ti-10V-2Fe-3Al	Ti-6Al-4V ELI, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr	Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, Ti-2Al-1.5Mn
מאפייני ליבה	תוכן גבוה של -אלמנטים מייצבים, שמירה על שלב -יציב בטמפרטורת החדר, ו--שלב קשה לזירז	תוכן מתון של -אלמנטים מייצבים, בעלי יכולת עיוות טובה ופעילות טרנספורמציה של שלב, בשימוש הנפוץ ביותר	תוכן נמוך של -אלמנטים מייצבים, -יציבות שלב גרועה ונוטה ל-→ טרנספורמציה של פאזה בטמפרטורת החדר
מנגנון תגובה ל-TMP	דפורמציה באזור -פאזה משיגה התגבשות דינמית (גרגרים עדינים), והזדקנות ב-500-650 מעלות מזרזת כמות קטנה של שלבים מפוזרים ותרכובות TiAl, עם חיזוק סינרגטי של "דפורמציה + הזדקנות"	דפורמציה באזור + דו-שלבי-מכתש -שלבים ומעשיר -נקעים שלבים; לאחר קירור מהיר + יישון, מספר רב של שלבי - מפוזרים אצילי/למלריים מפוזרים, עם חיזוק דגנים סינרגטיים- וחיזוק משקעים	פגמי קריסטל הנגרמים על ידי דפורמציה מאיצים את שינוי הפאזה, ומספר רב של -שלבים יכולים לזרז על ידי קירור אוויר ללא טיפול הזדקנות נוסף