طراحی قطعات آلیاژ تیتانیوم: استحکام، سختی و ماشین کاری

از درجه شروع کنید، نه از هندسه

قطعات آلیاژ تیتانیوم به مراتب بیشتر از خرابی در سرویس با قیمت تمام می شوند و علت معمولاً طرحی است که مواد را نادیده می گیرد تا طرحی که بار را نادیده می گیرد. تیتانیوم و آلیاژهای آن دارای استحکام ویژه بالا، مقاومت در برابر خوردگی فوق‌العاده و چگالی در حدود 4.43 تا 4.51 گرم بر سانتی‌متر مکعب هستند، اما همچنین رسانایی حرارتی پایین، مدول الاستیک پایین نسبت به فولاد، تمایل شدید به سنگ‌زنی و قیمت خرید چندین برابر فولاد ضد زنگ در همان شکل را به همراه دارند. یک طراحی قابل اجرا، قبل از انتشار اولین طرح، همه این حقایق را در نظر می گیرد.

تصمیم شروع، انتخاب درجه است. 2 و درجه 4 از لحاظ تجاری خالص دارای قطعات خوردگی-و خدمات شیمیایی. درجه 5 (Ti-6Al-4V) بالاترین استحکام را از گریدهای فرفورژه معمولی با حداقل استحکام کششی 895 مگاپاسکال و حداقل استحکام تسلیم 828 مگاپاسکال در شرایط آنیل شده، در حداقل کشیدگی 10 درصد ارائه می‌کند. درجه 9 (Ti-3Al-2.5V) با حداقل کشش 620 مگاپاسکال و حداقل تسلیم 483 مگاپاسکال در حداقل کشیدگی 15 درصد بین این دو قرار می گیرد و شکل گیری و جوش دادن آن آسان تر از درجه 5 است. درجه 12 مقاومت بهتری در محیط های شیمیایی با کاهش ملایم ارائه می دهد. میله و بیلت به ASTM B348، ورق و صفحه به ASTM B265، لوله به ASTM B337 یا ASTM B338 سفارش داده می شود.

قدرت، سفتی و تمرکز استرس

ویژگی تعیین کننده طراحی تیتانیوم شکاف بین استحکام و سفتی است. استحکام تسلیم درجه 5 بیش از 800 مگاپاسکال است، با این حال مدول الاستیک آن تنها حدود 114 گیگا پاسکال است که تقریباً نصف فولاد است. بنابراین یک قطعه تیتانیومی تقریباً دو برابر یک قطعه فولادی مشابه هندسی در همان بار منحرف می شود و سفتی و نه استحکام اغلب بر طراحی حاکم است.

ابتدا برای سفتی طراحی کنید، سپس استحکام را بررسی کنید. افزایش ضخامت بخش اصلاح ضعیفی است زیرا باعث افزایش جرم نیز می شود که معمولاً دلیل انتخاب تیتانیوم است.

به جای اضافه کردن ضخامت دیوار، از بخش های بسته، فلنج ها، دنده ها یا فرم های پوسته برای افزایش لحظه دوم منطقه استفاده کنید.

از تغییرات ناگهانی بخش و گوشه های داخلی تیز خودداری کنید. تیتانیوم نسبتاً حساس است و یک عامل تمرکز تنش که در فولاد قابل تحمل است می تواند عمر خستگی را به نصف کاهش دهد.

سفتی موضعی را متعادل نگه دارید. یک باس سفت و سخت در کنار یک تار نازک، فشار را در تار متمرکز می کند و در اثر ارتعاش، ترک اولیه ایجاد می کند.

به یاد داشته باشید که مدول پایین باعث می‌شود که قطعات تیتانیومی در حین ماشین‌کاری مستعد کمانش و به هم خوردن صدا باشند، که باید به جای طراحی، در فیکسچر کار کرد.

رفتار حرارتی و پایداری ابعادی

تیتانیوم تقریباً بین 8.6 تا 9.2 میکرومتر بر متر در درجه سانتیگراد منبسط می شود، نزدیک به فولاد ضد زنگ اما به طور قابل توجهی کمتر از آلومینیوم، و استحکام آن تا حدود 300 درجه سانتیگراد برای گریدهای خالص تجاری و بالاتر برای گریدهای آلیاژی باقی می ماند. سه پیامد برای طراحی به دنبال دارد.

در مجموعه‌هایی که تیتانیوم را با آلومینیوم یا فولاد مخلوط می‌کنند، انبساط دیفرانسیل را در حداکثر دمای سرویس محاسبه کنید و در جایی که عدم تطابق تجمع می‌یابد، فاصله، سوراخ‌های شکاف‌دار یا بست سازگار را فراهم کنید.

تلورانس های ماشینکاری باید اعوجاج را در نظر بگیرند. رسانایی حرارتی کم تیتانیوم به این معنی است که گرما در لبه برش و در دیواره‌های نازک متمرکز می‌شود و قطعات می‌توانند پس از رها شدن فیکسچر حرکت کنند.

تنش پسماند وارد شده توسط ماشینکاری یا جوشکاری باید قبل از ماشینکاری نهایی در ابعاد بحرانی با بازپخت فشاری{0}}کاهش شود، در غیر این صورت ممکن است قطعه در طول زمان در تحمل باقی نماند.

از طراحی تارهای تیتانیومی نازک که مستقیماً در مسیر گرما قرار می‌گیرند، خودداری کنید، مگر اینکه گرادیان حرارتی مدل‌سازی شده باشد. رسانایی کم یک طرف را گرم و طرف دیگر را خنک نگه می‌دارد و گرادیان حاصل باعث ایجاد انحراف می‌شود.

ماشینکاری و طراحی برای تولید

رسانایی تیتانیوم تقریباً یک مرتبه کمتر از فولاد است، بنابراین گرمای برش نمی تواند به تراشه و قطعه کار وارد شود. همان مدول کم به قطعه اجازه می دهد تا از ابزار دور شود. انتخاب‌های طراحی که قرار گرفتن در معرض ماشین‌کاری را کاهش می‌دهند بنابراین هزینه را مستقیماً کاهش می‌دهند.

در کف مغازه، تیتانیوم با ابزار تیز، کاربید یا سرامیکی مثبت، جریان خنک کننده سخاوتمندانه یا فشار زیاد، سرعت برش متوسط ​​و تغذیه ثابت برای جلوگیری از مالش و سخت شدن کار برش داده می شود. هرگز اجازه ندهید ابزار در برش ساکن شود. طرحی را مشخص کنید که امکان نگهداری سفت و سخت را فراهم می کند، زیرا لرزش عامل اصلی پرداخت ضعیف سطح و عمر کوتاه ابزار است.

خوردگی، کوپلینگ گالوانیکی و هیدروژن

تیتانیوم در برابر آب دریا، کلریدها، اسیدهای اکسید کننده و بیشتر جوهای صنعتی از طریق یک لایه اکسید غیرفعال مقاومت می کند، اما این فیلم محافظت جهانی نیست. اسید هیدروفلوئوریک، اسیدهای کاهنده گرم غلیظ و کلر خشک به تیتانیوم حمله می کند، و هندسه شکاف در سرویس کلرید راکد باید بازنگری شود، حتی اگر تیتانیوم در شکاف ها بهتر از فولاد ضد زنگ عمل کند.

تیتانیوم را از فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ و گرافیت در سرویس مرطوب جدا کنید یا نسبت مساحت را مدیریت کنید تا ناحیه آند تیتانیوم کوچک و ناحیه کاتد بزرگ باشد.

برای جلوگیری از خوردگی گالوانیکی در مفاصلی که در معرض اتمسفر دریایی قرار دارند، از اتصال دهنده های تیتانیوم با تیتانیوم یا سخت افزار جفت عایق استفاده کنید.

از آنجایی که پیکاپ هیدروژن تیتانیوم را شکننده می‌کند، دمای سرویس پایدار را در محیط‌های حاوی هیدروژن{0} یا مرطوب محدود کنید. حدود ترکیب 0.015٪ حداکثر هیدروژن برای گریدهای تجاری خالص کنترل مربوطه است.

ترشی یا آنودایز را مشخص کنید که در آن قطعه به شدت مورد استفاده قرار می گیرد یا با فشار تماسی بالا وارد سرویس می شود، زیرا آلودگی سطح و لکه های آهن عملکرد خوردگی را کاهش می دهد.

جوش پذیری، اتصال و درمان سطح

درجه 5 و سایر آلیاژهای آلفا{1}بتا نسبت به نمرات خالص تجاری دشوارتر هستند: آنها به محافظ گاز بی اثر در هر دو وجه، ورودی حرارتی دقیق و اغلب{2}}عملیات حرارتی پس از جوشکاری نیاز دارند و ناحیه جوش در مقایسه با فلز اصلی شکل پذیری خود را از دست می دهد. در جایی که جوشکاری در طراحی مرکزی است، درجه 9 یا درجه 2 خالص تجاری انتخاب اقتصادی تری است.

برای اتصالاتی که نباید جوش داده شوند، بست مکانیکی، لحیم کاری در اتمسفر کنترل شده، یا چسباندن چسب با سطحی که به درستی آماده شده است، گزینه های جایگزین هستند و هر کدام قوانین طراحی خود را در مورد فاصله لبه، الگوی سوراخ و آماده سازی سطح اعمال می کنند. درمان‌های سطحی که ارزش مشخص کردن را دارند عبارتند از: ترشی کردن برای حذف محفظه آلفای باقی‌مانده از کار یا جوشکاری گرم، آندایز کردن برای مقاومت در برابر سایش و شناسایی، ضربه زدن برای ایجاد تنش فشاری در فیله‌های بحرانی-، و نیترید کردن تنها در جایی که مقاومت به سایش از دست دادن مقاومت در برابر خوردگی را توجیه می‌کند.

هزینه و زندگی{0}}اقتصاد چرخه

قطعات تیتانیومی باید در طول عمر تجهیزات به جای هزینه اولیه توجیه شوند. حق بیمه مواد معمولاً از طریق حذف امتیاز خوردگی، تعمیر و نگهداری کمتر، فواصل بازرسی طولانی تر و در تجهیزات چرخشی یا رفت و برگشتی، کاهش بارهای مربوط به جرم-بازپرداخت می شود. قوانین عملی که حق بیمه را تحت کنترل نگه می‌دارند شامل استفاده از پایین‌ترین درجه که شرایط بار و خوردگی را برآورده می‌کند، یکپارچه‌سازی قطعات برای حذف بست‌ها و اتصالات، و مشخص کردن اندازه‌های استاندارد استوک است.

سوالات متداول

س: مهمترین نکته طراحی قطعات آلیاژ تیتانیوم چیست؟
سفتی به جای قدرت. از آنجایی که مدول الاستیک تقریباً نصف فولاد است، انحراف معمولاً بر طراحی حاکم است، بنابراین هندسه مقطع باید به گونه‌ای انتخاب شود که بدون افزودن جرم، استحکام ایجاد کند.

س: چرا ماشینکاری تیتانیوم دشوار است و نقاشی باید چه چیزی را منعکس کند؟
رسانایی حرارتی پایین گرمای برش را در لبه به دام می اندازد و مدول پایین اجازه می دهد تا قطعه منحرف شود و باعث ایجاد صدا، تند شدن و سایش سریع ابزار شود. طراحی باید از جیب‌های باریک عمیق اجتناب کند، نسبت عمق به-عرض را کم نگه دارد، و فقط برای سطوح کاربردی، تلورانس‌های تنگ را حفظ کند.

س: چگونه یک قطعه تیتانیومی باید در برابر خوردگی گالوانیکی محافظت شود؟
آن را از فولاد، فولاد ضد زنگ و گرافیت در سرویس مرطوب با استفاده از واشر عایق، بوشینگ یا پوشش جدا کنید، و از طرح هایی که در آن یک ناحیه کاتدی بزرگ با یک ناحیه کوچک تیتانیوم روبرو است، اجتناب کنید، که حمله را تسریع می کند.

س: کدام نوع تیتانیوم ساده ترین شکل گیری و جوشکاری است؟
از نظر تجاری خالص درجه 2 و درجه 9، Ti-3Al-2.5V، بخشنده ترین هستند. درجه 5، Ti-6Al-4V، بالاترین استحکام را ارائه می دهد، اما در حین جوشکاری و شکل دهی نیاز به کنترل دقیق تری دارد.

س: آیا تیتانیوم پس از جوشکاری نیاز به عملیات حرارتی دارد؟
گریدهای خالص تجاری معمولاً این کار را نمی کنند، مشروط بر اینکه جوش به درستی محافظ و تمیز شود. آلفا{1}}آلیاژهای بتا مانند درجه 5 معمولاً از کاهش تنش یا بازپخت پس از جوش{3} بهره می‌برند و این روش باید برای اتصال خاص واجد شرایط باشد.

س: چگونه می توان هزینه مواد یک قطعه تیتانیومی را کاهش داد؟
با انتخاب پایین‌ترین درجه کافی، طراحی نزدیک-اشکال توری به‌گونه‌ای که فلز کمتری به تراشه تبدیل شود، مجموعه‌ها را برای کاهش اتصالات و بست‌ها، استفاده از اندازه‌های استاندارد استاندارد، و تلرانس‌های آرامش‌بخش و پرداخت‌های سطحی که از نظر عملکردی مورد نیاز نیستند، طراحی کنید.

س: چه استانداردهایی برای نوار، صفحه و لوله تیتانیوم اعمال می شود؟
ASTM B348 برای میله و شمش، ASTM B265 برای ورق، نوار و صفحه، ASTM B337 برای لوله بدون درز و ASTM B338 برای لوله جوش داده شده، با نامگذاری های مربوطه ASME SB که برای تجهیزات تحت فشار استفاده می شود.