Термическая обработка титана значительно варьируется в зависимости от марки сплава. Коммерчески чистые (CP) марки 1–4 поддаются только отжигу (538–760 °C / 1000–1400 °F) и снятию напряжений — их невозможно упрочнить термической обработкой. Марка 5 (Ti-6Al-4V), наиболее широко используемый сплав, может подвергаться отжигу при 691–760 °C (1275–1400 °F) или растворной термообработке при 913–954 °C (1675–1750 °F) и подвергаться старению при 524–552 °C (975–1025 °F) для достижения прочности, превышающей прочность в отожженном состоянии примерно на 20%. Критической эталонной температурой для любого титанового сплава является бета-трансус—нагрев выше этой температуры кардинально изменяет микроструктуру и свойства материала. В соответствии со стандартом AMS 2801 любая термообработка при температуре выше 538 °C (1000 °F) должна проводиться в вакууме, в инертном газе или в защитной атмосфере.
Краткое руководство: температуры термообработки титана в зависимости от марки
Таблица, которую каждый инженер-титановик должен добавить в закладки. Все значения температур взяты из технических паспортов завода ATI и требований стандарта AMS 2801.
| Класс | Сплав | Beta Transus | Снятие стресса | Температура отжига | Время отжига | Опция STA |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 класс | CP Ti (0,18% O max) | ~888 °C / 1630 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 538–704 °C / 1000–1300 °F | ½–2 ч, кондиционер | Нет |
| 2 класс | CP Ti (0,25% O max) | ~913 °C / 1675 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 ч, кондиционер | Нет |
| 3 класс | CP Ti (0,35% O max) | ~921 °C / 1690 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 ч, кондиционер | Нет |
| 4 класс | CP Ti (0,40% O max) | ~949 °C / 1740 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 ч, кондиционер | Нет |
| 5 класс | Ti-6Al-4V | 995 °C ± 14 °C / 1820 °F ± 25 °F | 538–649 °C / 1000–1200 °F | 691–760 °C / 1275–1400 °F | ½–2 ч, AC или FC | Да (STA) |
| 23 класс | Ti-6Al-4V ELI | 977 °C ± 4 °C / 1790 °F ± 25 °F | 482–649 °C / 900–1200 °F | 704–732 °C / 1300–1350 °F | 1–8 ч, переменный ток | Да (редко) |
AC = охлаждение воздухом, FC = охлаждение в печи. Источники: технические паспорта ATI; AMS 2801D; технический паспорт Carpenter Technology CP Ti.
Самый главный принцип: Для марок Grade 5 и Grade 23 температура отжига должна оставаться как минимум на 35–80 °C ниже температуры трансформации бета-фазы. Если превысить этот предел, при охлаждении образуется полностью трансформированная бета-микроструктура — деталь с более крупной структурой, повышенной вязкостью и более низкой усталостной прочностью, чем требуется для большинства областей применения.
Что такое «бета-трансус» — почему именно эта температура меняет всё
Бета-трансус является важнейшим термическим ориентиром в титановой металлургии. Каждый параметр термической обработки — отжиг, растворение, снятие напряжений — определяется относительно него.
Чистый титан претерпевает аллотропное превращение при температуре 882,5 °C: при температуре ниже этой значения кристаллическая решетка имеет гексагональную плотноупакованную структуру (HCP), называемую альфа-фаза. Выше этого уровня кристаллическая решетка переходит в кубическую решётку с центрированными атомами (BCC), бета-фаза. При добавлении легирующих элементов — алюминия, ванадия, кислорода, олова — температура этого превращения изменяется.
Для сплава Ti-6Al-4V граница фаз бета-фазы и трансфазы проходит примерно на 995 °C (1820 °F), при этом типичный допуск, указанный производителем, составляет ±14 °C (±25 °F). Это означает, что в конкретной партии Ti-6Al-4V фазовый переход может происходить в диапазоне температур от 981 °C до 1009 °C. В производственных данных компании ATI для её продукта 6-4 указана температура 999 °C ± 14 °C (1830 °F ± 25 °F).
Почему терпимость важна: Если вы проводите термообработку при 960 °C, а температура транссуса бета-фазы для данного конкретного нагрева составляет 981 °C, вы все еще находитесь ниже транссуса и работаете в двухфазной области альфа+бета — а это именно то, что требуется для STA. Но если температура транссуса составляет 958 °C, а вы находитесь при 960 °C, то вы превысили её. Доля бета-фазы при данной температуре теперь составляет 100%, и микроструктура после охлаждения будет выглядеть совершенно иначе.
Именно поэтому в техническом паспорте ATI указана температура термообработки в диапазоне 1675–1750°F (913–954°C) — этот диапазон намеренно установлен на 45–85°C ниже номинальной температуры транссуса бета, что обеспечивает достаточный запас на случай колебаний температуры.
У класса 23 (ELI) заметно более низкий бета-трансус: 977 °C ± 4 °C (1790 °F ± 25 °F). Более строгий химический состав ELI (меньшее содержание Fe, меньшее количество интерстициальных элементов) приводит к небольшому смещению линии транссуса вниз. Это влияет на все параметры термообработки — отжиг, диапазон температур растворительной обработки и применимые технические условия AMS — все они отличаются от стандартного класса 5.
Марки титана CP Марки 1–4 представляют собой чистые альфа-сплавы. Температура трансформации бета-фазы варьируется от 888 °C для марки 1 до 949 °C для марки 4 (более высокое содержание кислорода и железа стабилизирует бета-фазу, повышая температуру трансформации). Поскольку эти марки не содержат стабилизирующих бета-фазу элементов, таких как ванадий, во время старения не происходит выделения осадков — STA невозможно.
Четыре вида термической обработки титана — и в чем заключается суть каждого из них
| Лечение | Температурная зона | Основное назначение | Соответствующие классы |
|---|---|---|---|
| Снятие стресса | 482–649 °C (900–1200 °F) — значительно ниже температуры отжига | Снижение остаточного напряжения, возникающего в результате механической обработки, формовки и сварки | Все классы |
| Отжиг | 538–760 °C в зависимости от марки — ниже температуры перехода в бета-фазу | Оптимизация пластичности, ударной вязкости и стабильности размеров | Все классы |
| Solution Treat + Age (STA) | ST: 913–954 °C, затем Age: 480–595 °C | Максимальное повышение прочности (до ~20% по сравнению с отожженным материалом) | 5-й класс, 23-й класс (редко), некоторые бета-сплавы |
| Бета-отжиг | Выше бета-трансуса — затем контролируемое охлаждение | Максимальное повышение вязкости разрушения и сопротивления распространению трещин | 5-я группа, бета-сплавы |
Большинство деталей для аэрокосмической и промышленной отраслей поступают в одном из двух состояний: отжиг на мельнице (AMS 4928 для прутков/заготовок из Ti-6Al-4V) или подвергнутый термообработке и выдержанный (AMS 4965). Выбор зависит от требуемого уровня прочности, размеров сечения, а также от того, выдержит ли геометрия детали водяную закалку при термообработке в растворе.
Отжиг титана: прокатный отжиг, полный отжиг и дуплексный отжиг
Стандартный отжиг титана позволяет получить стабильное, пластичное исходное состояние, однако термин “отжиг” охватывает как минимум три различных процесса, каждый из которых дает свои результаты.
Отжиг на мельнице
Наиболее распространенное состояние Ti-6Al-4V в коммерческом обороте. Материал подвергается отжигу на заводе во время или после первичной обработки — как правило, при температуре 700–790 °C (1292–1454 °F) для прутков и листов. Стандарт AMS 4928 распространяется на прутки, заготовки и поковки из Ti-6Al-4V в отожженном состоянии с минимальными характеристиками: Предел прочности при растяжении 895 МПа (130 кси) и предел текучести 825 МПа (120 кси) при относительном удлинении 10%.
Для Титан CP (1–4-й классы), в результате отжига образуется полностью рекристаллизованная равноосная альфа-структура. Размер зерен и прочность можно регулировать, изменяя температуру отжига в пределах указанного диапазона: более низкие температуры приводят к образованию более мелких зерен и повышению прочности; более высокие температуры приводят к укрупнению зерен и максимальному увеличению пластичности.
Полное отжигание / отжиг рекристаллизации
Для сплава Ti-6Al-4V, подвергшегося интенсивной холодной обработке или имеющего деформированную микроструктуру в результате агрессивной механической обработки, применяется отжиг полной рекристаллизации: 704–760 °C (1300–1400 °F), 2 часа, охлаждение на воздухе или в печи. В результате получается более полно рекристаллизованная равноосная альфа-структура, чем при отжиге после прокатки.
Дуплексный отжиг
При дуплексном отжиге используются два температурных этапа для оптимизации соотношения альфа-фазы и трансформированной бета-фазы. Данные исследований, опубликованные в журналах TotalMateria и Scientific Reports, показывают, что дуплексная обработка сплава Ti-6Al-4V — сочетающая этап растворения при более высокой температуре со стабилизацией при более низкой — позволяет добиться повышения прочности до 25% после стандартного прокатного отжига при этом сохраняя достаточную пластичность.
Двухэтапный процесс: сначала нагрев до верхней границы диапазона альфа+бета (~925 °C), охлаждение на воздухе или в печи, затем выдержка при более низкой температуре (~700 °C) для стабилизации микроструктуры. В результате получается бимодальная (равноосная первичная альфа + трансформированная бета) микроструктура, обеспечивающая баланс между усталостной прочностью и вязкостью разрушения.
Бета-отжиг
Нагрев Ti-6Al-4V выше температуры трансформации бета (~995 °C) с последующим медленным охлаждением приводит к образованию полностью ламеллярной микроструктуры “Видманштеттена” альфа+бета. Бета-отжиг обеспечивает максимальную вязкость разрушения и сопротивление распространению трещин за счет снижения предела текучести и ухудшения показателей многоцикловой усталостной прочности. Он применяется для изготовления конструкционных деталей с толстыми стенками в вертолетах, а также в некоторых частях планера самолета, где вязкость имеет большее значение, чем пиковая прочность.
Термическая обработка Ti-6Al-4V: параметры, определяющие свойства материала
Термообработка в растворе (ST) является первым этапом STA — и выбранные здесь параметры в большей степени, чем любые другие переменные, определяют конечную микроструктуру и прочность.
Окно «Решение»
Согласно производственным данным компании ATI и требованиям стандарта AMS 4965, диапазон обработки раствором для сплава Ti-6Al-4V составляет 913–954 °C (1675–1750 °F), в течение не менее 1 часа. В некоторых источниках указан диапазон, начинающийся с 904 °C (1660 °F) — в техническом паспорте ATI в качестве нижней границы для их изделия указано значение 913 °C.
Этот диапазон намеренно установлен на 45–80 °C ниже номинальной температуры транссуса бета-фазы (~995 °C). В диапазоне температур 913–954 °C примерно 70–85% микроструктуры представляет собой альфа-фазу, при этом при данной температуре присутствует 15–30% бета-фазы. При закалке водой из этого диапазона бета-фаза трансформируется либо в:
- Мартенсит (α′) — если скорость охлаждения достаточно высока (при водяном охлаждении это достигается в большинстве участков толщиной ≤25 мм)
- Альфа-бета-линии Видманштеттена — если охлаждение происходит медленнее, в более толстых участках, где центр не успевает охладиться достаточно быстро
Затем фаза мартенсита/остаточного бета-фазы служит перенасыщенной исходной точкой для старения.
Почему не следует проводить лечение выше линии бета-трансуса
Нагрев до температуры выше ~995 °C для термообработки в растворе иногда применяется в научно-исследовательских целях и для конкретных задач, ориентированных на повышение вязкости (так называемая “бета-термообработка в растворе”), однако в стандартном авиакосмическом производстве от этого метода воздерживаются при изготовлении деталей, для которых прочность имеет решающее значение. Выше температуры трансфузии весь альфа-фаза растворяется. Зерна бета-фазы значительно укрупняются. При последующем охлаждении и старении получается более грубая ламеллярная микроструктура, которая обладает более низкой усталостной прочностью и пределом текучести по сравнению с альфа-бета-STA.
В стандарте AMS 4965 состояние «отжиг + возможность термообработки» определено специально для предотвращения случайного превышения температуры.
Скорость охлаждения от температуры раствора
Водяная закалка является стандартной процедурой для стали Ti-6Al-4V STA. Полимерная закалка является допустимой альтернативой для деталей, чувствительных к деформациям при закалке, однако скорость закалки должна быть эквивалентной — что должно подтверждаться испытаниями на механические свойства.
Охлаждение воздухом от температуры раствора составляет недостаточно для сохранения фазы бета/мартенсита, необходимой для упрочнения путем старения. При охлаждении на воздухе материала, нагретого до температуры ST, образуется микроструктура, схожая с микроструктурой после высокотемпературного отжига — пластичная, но не полностью упрочненная.
Размер сечения — предел закаливаемости
Именно этот момент застаёт многих инженеров врасплох: Материал Ti-6Al-4V STA демонстрирует полную эффективность только в сечениях диаметром или толщиной до примерно 15–25 мм (0,6–1,0 дюйма). Кроме того, во время водяной закалки центр сечения не успевает охладиться достаточно быстро, чтобы полностью подавить бета-превращение в равновесное альфа+бета-состояние. В результате возникает градиент свойств — прочность на поверхности выше, чем в сердцевине.
В технических данных компании ATI указано, что “наилучшие свойства в состоянии STA достигаются в изделиях с небольшим сечением”. В публикации TIMET также отмечаются ограничения по закаливаемости для более толстых сечений. Если вы проектируете крепеж из Ti-6Al-4V (обычно диаметром 10–15 мм), обработка STA подойдет отлично. Если вы указываете STA для вала диаметром 50 мм, следует ожидать, что свойства сердцевины не будут соответствовать минимальным требованиям стандарта AMS 4965 — даже при идеальном цикле термообработки.
Старение сплава Ti-6Al-4V: преобразование потенциальной прочности после закалки в фактическую прочность
Именно в процессе старения и проявляется вся прочность сплава STA Ti-6Al-4V. Обрабатывающий раствор лишь формирует микроструктуру; основную работу выполняет старение.
После водяной закалки с температуры растворной обработки в Ti-6Al-4V образуется перенасыщенная смесь остаточного бета и/или мартенсита (α′). Это метастабильные фазы, обладающие значительной запасной энергией. Старение при соответствующей температуре активирует контролируемое разложение: мартенсит разлагается на мелкозернистую альфа-фазу и бета-фазу; остаточная бета-фаза выделяет мелкозернистую вторичную альфа-фазу (αs) по всей матрице. Эти мелкозернистые выделения являются источником повышения прочности.
Стандартные параметры старения
Согласно данным ATI:
- Температура: 524–552 °C (975–1025 °F)
- Время: 4–8 часов
- Охлаждение: Воздушное охлаждение
Более широкий спектр данных от TIMET и отраслевых источников: 480–595 °C (900–1100 °F), 1–24 часа. Диапазон ATI более узкий и представляет собой оптимальный вариант для типичных применений в аэрокосмической отрасли.
Более низкие температуры старения (480–500 °C) обеспечивают более мелкозернистые осадки и более высокую прочность пиков за счет некоторого снижения пластичности. Подходят для крепежных деталей, подвергающихся высоким нагрузкам.
Более высокие температуры старения (570–595 °C) обладают более крупнозернистой альфа-фазой и лучшей пластичностью / ударной вязкостью, при этом предел прочности при растяжении у них несколько ниже. Используются для изготовления конструкционных деталей, требующих ударопрочности.
Чрезмерное старение (выдержка при температуре выше 595 °C в течение длительного времени) приводит к укрупнению альфа-осадочных фаз, что снижает прочность при минимальном повышении пластичности. Старение при температуре выше 595 °C фактически становится обработкой для снятия напряжений, а не упрочняющей обработкой.
Чего на самом деле добивается STA — цифры по недвижимости
Для отжига (AMS 4928) установлены минимальные значения характеристик: 895 МПа предел прочности при растяжении / 825 МПа предел текучести / удлинение 10%. Рейс STA–AMS № 4965 повышает минимальные технические требования до 1103 МПа предел прочности при растяжении / 1034 МПа предел текучести / удлинение 8% — прирост прочности примерно на 23% при снижении минимального удлинения примерно на 2%.
Данные журнала «Scientific Reports» (2023) подтверждают, что обработка методом STA, как правило, обеспечивает ~20% — увеличение предела прочности на разрыв отжиг после прокатки сплава Ti-6Al-4V.
Именно поэтому крепежные детали для аэрокосмической отрасли, корпуса ракетных двигателей, диски компрессоров и другие детали, подвергающиеся высоким нагрузкам, поставляются в состоянии STA: соотношение прочности к весу у них примерно на 23% выше, чем у отжигаемых деталей, при этом пластичность остается вполне приемлемой.
Снятие напряжений и отжиг — когда на самом деле нужно применять тот или иной метод
Снятие напряжений и отжиг часто путают, поскольку в обоих случаях титан нагревают до высоких температур. Разница заключается в том, какую проблему вы пытаетесь решить.
Снятие стресса
Снятие остаточных напряжений позволяет решить одну проблему: устранение остаточных напряжений, возникающих в результате механической обработки, холодной штамповки, сварки или правки. Диапазон температур специально поддерживается в пределах ниже диапазона отжига — как правило, 482–649 °C (900–1200 °F) для Ti-6Al-4V — чтобы микроструктура не претерпела существенных изменений. Таким образом, вы снимаете внутренние напряжения, не изменяя структуру зерен или фазовый состав.
Стандарт AMS 2801 предусматривает снятие остаточных напряжений в деталях из Ti-6Al-4V при температуре 593 °C (1100 °F) в течение 2 часов с последующим охлаждением на воздухе. Это основной параметр, который используется для снятия остаточных напряжений после сварки и после черновой обработки прецизионных деталей для аэрокосмической промышленности.
Для титана марки CP (марки 1–4) отжиг для снятия напряжений обычно проводится при температуре 538–593 °C (1000–1100 °F) в течение 30 минут с последующим охлаждением на воздухе.
Когда следует применять снятие напряжений вместо отжига:
- После сварки, перед окончательной механической обработкой, когда нет необходимости восстанавливать полную пластичность
- Между формированием проходов, для обеспечения дальнейшей холодной обработки
- В случае деталей, прошедших термообработку (STA), которым требуется снятие напряжений без потери прочности, полученной в результате старения, — это критический случай. Если полностью отжигать деталь STA, то результаты старения будут утрачены. Снятие напряжений позволяет безопасно удержаться в диапазоне температур ниже температурного диапазона старения, благодаря чему свойства материала сохраняются.
Отжиг
Отжиг позволяет добиться ещё большего: он приводит к рекристаллизации микроструктуры, восстанавливает полную пластичность и устраняет все остаточные напряжения. Его целесообразно применять в следующих случаях:
- Материал подвергся сильной холодной обработке и требует полного восстановления свойств
- Для последующих операций формовки требуется максимальная пластичность
- Готовая деталь должна обладать стабильностью размеров, которую может обеспечить только полностью отжигаемая микроструктура
Недостаток отжига по сравнению с снятием напряжений: он занимает больше времени, требует той же защитной атмосферы и — что особенно важно — при отжиге детали, прошедшей обработку STA, теряется весь эффект упрочнения, полученный в результате старения. Деталь фактически возвращается к исходному состоянию после отжига.
Практическое правило принятия решений: Если деталь находится в отожженном состоянии и вы подвергаете её механической обработке, обычно достаточно провести снятие напряжений. Если деталь подвергалась холодной формовке или имеет значительные микроструктурные искажения, необходимо провести её отжиг. Если деталь находится в состоянии STA и требуется снижение напряжений, придерживайтесь диапазона температур 480–538 °C (ниже диапазона старения) и проводите обработку как низкотемпературное снятие напряжений.
Система контроля атмосферы и корпус Alpha — несоответствие требованиям по уровню загрязнения, приводящее к отклонению при проверках
«Альфа-слой» — наиболее распространённый вид брака, связанный с термической обработкой, при производстве титановых деталей для аэрокосмической промышленности — и его можно полностью предотвратить.
Что такое Alpha Case
При нагревании титана на воздухе до температуры выше примерно 538 °C он вступает в бурную реакцию с кислородом и азотом. Кислород диффундирует в поверхность, стабилизируя альфа-фазу на глубине, которая может варьироваться от 0,025 до 0,25 мм в зависимости от температуры и времени. Этот стабилизированный кислородом поверхностный слой называется альфа-вариант: он более твёрдый, более хрупкий и обладает меньшей пластичностью, чем лежащий в основе субстрат.
Альфа-фаза практически незаметна невооруженным глазом. Она не влияет на результаты размерного контроля, не фиксируется на координатно-измерительных машинах и может пройти визуальный осмотр. Ее наличие становится очевидным только при металлургическом разрезе или — в худшем случае — во время испытаний на усталость или в процессе эксплуатации, когда в хрупкой зоне возникает поверхностная трещина.
В аэрокосмической отрасли стандарт AMS 2801 устанавливает два ключевых температурных порога:
- При температуре выше 204 °C на воздухе, начинается загрязнение поверхности — в соответствии с примечанием 8.5 к стандарту AMS 2801 детали не должны подвергаться воздействию открытого воздуха выше этой отметки.
- Детали с чистыми размерами не должны нагреваться выше 538 °C (1000 °F) в печах с воздушной или неинертной атмосферой, если изделие не покрыто защитным слоем. Любой образовавшийся альфа-слой необходимо удалить механическим или химическим способом перед приемкой.
- Уровень вакуума Для термообработки титана в соответствии со стандартом AMS 2801 уровень вакуума должен составлять ≤0,1 мкм Hg (10⁻⁴ торр). Многие операторы серийных вакуумных печей поддерживают более строгие требования — компания Solar Atmospheres и аналогичные предприятия осуществляют термообработку титана при уровнях вакуума, значительно ниже этого минимального значения.
Практические последствия
Для снятия внутренних напряжений при температуре 538 °C или ниже технически допустимо использовать печь с атмосферой воздуха — это предельное значение, при котором окисление находится под контролем. Однако на практике большинство специалистов по термообработке обрабатывают весь титан в вакууме, чтобы полностью исключить любой риск.
Для отжига (691–760 °C для Ti-6Al-4V) и термообработки в растворе (913–954 °C), Вакуум или инертная атмосфера — обязательное условие. Темпы роста альфа-оболочки резко возрастают при температуре выше 700 °C. Проведение термообработки Ti-6Al-4V на воздухе без защиты приведет к образованию значительной альфа-оболочки и появлению деталей, не прошедших проверку на усталостную прочность.
Что касается именно деталей, изготовленных методами AM/LPBF: благодаря геометрии, соответствующей конечной форме, удаление слоя альфа-фазы механической обработкой является нецелесообразным. В стандартах ASTM F3301 и AMS 2801 по этой причине оговаривается, что термообработка сплава Ti-6Al-4V, полученного методом LPBF, должна проводиться в вакууме.
Условия термообработки и спецификации AMS — какую спецификацию указывать в чертеже
Один из самых частых вопросов, которые задают инженеры, только начинающие работать с титаном: “Какую спецификацию AMS следует указывать?” Ответ зависит от формы изделия и предполагаемых условий эксплуатации.
| Технические характеристики AMS | Форма продукта | Состояние | Сплав |
|---|---|---|---|
| AMS 4928 | Прутки, заготовки, поковки | Отожженный | Ti-6Al-4V (класс 5) |
| AMS 4965 | Прутки, поковки | Обработанный раствором + выдержанный | Ti-6Al-4V (класс 5) |
| AMS 4967 | Прутки, поковки | Отпущенная, поддающаяся термообработке | Ti-6Al-4V (класс 5) |
| AMS 4911 | Лист, полоса, пластина | Отожженный | Ti-6Al-4V (класс 5) |
| AMS 4930 | Прутки, проволока, заготовки, кольца | Отожженный | Ti-6Al-4V ELI (класс 23) |
| AMS 4931 | Прутки, заготовки, кольца | Отожженный | Ti-6Al-4V ELI (класс 23) |
| AMS 4921 | Прутки, проволока, поковки | Отожженный | CP Ti, марки 1–4 |
| AMS 2801 | (Техническое задание) | Термическая обработка деталей | Все титановые сплавы |
Важное различие: AMS 4928, 4965 и 4911 — это технические характеристики материалов — они определяют, что отгружает завод. AMS 2801 — это спецификация процесса — он определяет, каким образом производитель деталей или предприятие по термообработке осуществляет термообработку деталей в процессе производства.
Если в блоке указания материала на вашем чертеже указан стандарт AMS 4928, это означает, что вы указали отжигаемый пруток из сплава Ti-6Al-4V. Если вам также требуется снятие остаточных напряжений после механической обработки (STA), необходимо добавить отдельное технологическое примечание со ссылкой на стандарт AMS 2801 и указанием конкретных параметров обработки.
Для генеральных подрядчиков аэрокосмической отрасли стандарт AMS 4967 (“Отжигаемый, поддающийся термообработке”) является типичной спецификацией на закупку сырья в тех случаях, когда изготовитель деталей будет проводить термообработку (STA) обработанных на станках или кованых деталей. Прокат поставляется в отжиженном состоянии (легко поддается механической обработке), и изготовитель применяет цикл термообработки STA после черновой обработки.
Марка 23 (Ti-6Al-4V ELI) — важные различия в термообработке
Марка 23 — это не просто “более чистая марка 5”. Химический состав ELI настолько изменяет бета-трансус и параметры термообработки, что применение значений, рассчитанных для марки 5, к материалу марки 23 является ошибкой.
Аббревиатура ELI означает «Extra-Low Interstitial» (очень низкий уровень интерстициальной экспрессии). По сравнению со стандартным уровнем 5:
- Максимальное содержание кислорода: 0,13% (по сравнению с 0,20% в 5-м классе)
- Максимальное содержание железа: 0,25% (по сравнению с 0,40%)
- Максимальное содержание азота: 0,05% (то же самое)
Эти более низкие уровни в межклеточном пространстве ослабляют альфа-стабилизирующее действие кислорода и железа, что приводит к снижению бета-трансуса примерно до 977 °C ± 4 °C (1790 °F ± 25 °F) — примерно на 18–22 °C ниже уровня трансуса 5-го класса.
Параметры термообработки стали марки 23 (данные ATI):
- Отжиг: 704–732 °C (1300–1350 °F), 1–8 часов, охлаждение на воздухе
- Снятие стресса: 482–649 °C (900–1200 °F), 1–4 часа, охлаждение на воздухе
- Режим обработки раствора: тот же диапазон, что и для 5-го класса (904–954 °C), однако более низкий уровень транссуса обеспечивает несколько более широкий диапазон технологических параметров
Почему на практике 23-й разряд редко присваивается по системе STA: Основные области применения — хирургические имплантаты и ортопедические приспособления (Стандарт ASTM F136 охватывает класс 23 для имплантатов). В этих областях применения максимальная вязкость разрушения и усталостная долговечность отжигаемого состояния предпочтительнее более высокой прочности STA. Отжиг при 704–732 °C обеспечивает мелкозернистую равноосную альфа-структуру с превосходной вязкостью и пластичностью — именно то, что необходимо для костных винтов и стегеновых стержней.
Стандарты AMS 4930 и AMS 4931 распространяются на прутки и заготовки класса 23 в отожженном состоянии. Стандарт ASTM F136 устанавливает требования к марке 23, предназначенной специально для хирургических имплантатов.
Титан после LPBF: требования к термической обработке деталей, изготовленных методом аддитивного производства
Если вы работаете с титаном, полученным методом лазерного наплавления на порошковой подушке (LPBF) или методом наплавки направленным энергетическим потоком (DED), правила термообработки в основном такие же, как и для кованого титана, — с одним важным технологическим отличием.
Стандарт ASTM F3301–18a (“Аддитивное производство — титан 6Al-4V с использованием технологии плавления на порошковой подушке”) устанавливает, что термическая последующая обработка Ti-6Al-4V, полученного методом LPBF, должна проводиться в соответствии с AMS 2801. Таким образом, действуют те же температурные диапазоны.
Основное отличие заключается в последовательности и атмосфере. Детали, изготавливаемые методом LPBF, растут на подложке для печати (опорной пластине), и в процессе печати между деталью и подложкой возникают значительные остаточные напряжения. Последовательность действий имеет важное значение:
- Снятие напряжения перед удалением подложки. Применить цикл снятия внутренних напряжений по стандарту AMS 2801 (обычно 593 °C / 1100 °F, 2 часа, в вакууме) пока деталь ещё прикреплена к основанию. Это позволяет контролируемым образом снять большую часть остаточных напряжений.
- После снятия остаточного напряжения снимите с подложки. Электроэрозионная резка или механическая обработка.
- Отжиг или STA в соответствии с требованиями приложения.
Если выполнить эту последовательность действий в обратном порядке — то есть извлечь деталь из подложки до снятия внутренних напряжений — возникает риск деформации или растрескивания, поскольку внутренние напряжения будут сниматься неконтролируемым образом.
Для сплава LPBF Ti-6Al-4V условия атмосферы являются обязательными: Поскольку технология LPBF позволяет изготавливать детали, имеющие окончательную форму и сложные поверхности, которые трудно поддаются механической обработке для удаления слоя альфа, все виды термообработки при температуре выше 538 °C должны проводиться в вакууме (≤0,1 мкм Hg согласно стандарту AMS 2801). Обработка в воздушной печи недопустима для титановых деталей, изготовленных методом LPBF.
Это исключает любые цеха термообработки, не располагающие вакуумными печами. Для инженеров, занимающихся подбором услуг по термообработке титана, полученного методом аддитивного производства, соответствие стандарту AMS 2801 и наличие надлежащей документации, подтверждающей уровень вакуума, являются минимальными квалификационными требованиями.
Часто задаваемые вопросы
Какова температура отжига для сплава Ti-6Al-4V?
Стандартный диапазон отжига для Ti-6Al-4V (марка 5) составляет 691–760 °C (1275–1400 °F), продолжительностью от ½ до 2 часов, с последующим охлаждением на воздухе или в печи. Стандарт AMS 2801 устанавливает 704 °C (1300 °F) / 2 часа в качестве стандартных параметров отжига на уровне отдельных деталей. Температуры до 815 °C могут использоваться в защитной атмосфере, однако в случае наличия загрязнений (альфа-слой) их необходимо удалить.
Какова температура бета-транзуса сплава Ti-6Al-4V?
Бета-трансус сплава Ti-6Al-4V составляет примерно 995 °C (1820 °F), с допуском, указанным производителем, ±14 °C (±25 °F). В производственных данных компании ATI по марки 6-4 указано 999 °C ± 14 °C (1830 °F ± 25 °F). Все параметры термообработки Ti-6Al-4V — отжиг, растворная обработка, бета-отжиг — определяются относительно этой температуры. Марка 23 (ELI) имеет более низкую температуру транссуса — ~977 °C ± 4 °C.
Что такое обработка и старение титана в растворе (STA)?
STA — это двухэтапная термообработка для упрочнения титановых сплавов альфа-бета-типа. Сначала сплав нагревают до температуры ниже транссуса бета-фазы (913–954 °C для Ti-6Al-4V) и закаливают в воде для фиксации перенасыщенной фазы бета/мартенсита. Затем он подвергается выдержке при более низкой температуре (524–552 °C для Ti-6Al-4V, 4–8 часов) для выделения мелкой вторичной альфа-фазы, что повышает предел прочности на разрыв примерно на 20% по сравнению с отжиганым состоянием. Сталь STA подпадает под действие стандарта AMS 4965 для прутков и поковок из Ti-6Al-4V.
Можно ли проводить термообработку титана на воздухе?
Только при температуре ниже 538 °C (1000 °F). В соответствии со стандартом AMS 2801 титановые детали не должны подвергаться воздействию воздуха при температуре выше 538 °C без защитной атмосферы или покрытия. При температуре выше этого значения кислород диффундирует в поверхность и образует альфа-вариант — твёрдый, хрупкий, стабилизированный кислородом слой, снижающий усталостную прочность. Все операции отжига, растворной обработки и старения при температуре выше 538 °C должны проводиться в вакууме (≤0,1 мкм Hg) или в атмосфере инертного газа.
В чём заключается разница между снятие напряжений и отжигом титана?
Снятие остаточных напряжений (482–649 °C для Ti-6Al-4V) позволяет устранить остаточные напряжения, возникшие в результате механической обработки, сварки и формовки, без изменения микроструктуры. Отжиг (691–760 °C) идет дальше: он приводит к рекристаллизации микроструктуры и восстанавливает полную пластичность. Если деталь из Ti-6Al-4V находится в состоянии STA, снятие напряжений позволяет сохранить свойства, полученные в результате старения; полное отжигание приводит к их утрате.
Какая спецификация AMS распространяется на Ti-6Al-4V в состоянии термообработки и старения?
AMS 4965 Охватывает прутки и поковки из Ti-6Al-4V в состоянии после термообработки и старения (STA). Стандарт AMS 4928 распространяется на те же виды продукции в отожженном состоянии. Стандарт AMS 2801 представляет собой технологическую спецификацию, регулирующую сам цикл термообработки, который осуществляется производителем деталей.
Почему титан 2-го класса нельзя упрочнить термической обработкой?
Титан марки 2 относится к коммерчески чистому (CP) титану — он не содержит значимых элементов, стабилизирующих бета-фазу, таких как ванадий. В отсутствие бета-фазы в процессе старения не образуются выделения. Сплавы коммерчески чистого титана можно подвергать только отжигу (для смягчения и восстановления пластичности) или снятию напряжений. Упрочнение должно достигаться за счёт холодной деформации, а не термической обработки.
Что такое «альфа-фаза» в титане и как её предотвратить?
«Альфа-слой» — это богатый кислородом и азотом поверхностный слой, который образуется при нагревании титана на воздухе до температуры выше 538 °C. По своим металлургическим свойствам он схож с основным металлом, но отличается большей твердостью и хрупкостью. Предотвращение: термообработку следует проводить только в вакууме или в среде инертного газа при температуре выше 538 °C в соответствии со стандартом AMS 2801. Выявление: металлографический срез; травление, чувствительное к толщине. Устранение: механическое удаление (шлифование) или химическое удаление (травление кислотой в соответствии со стандартом AMS 2801).
Резюме: Что на самом деле важно при термообработке титана
Проанализировав тысячи сертификатов на термообработку Ti-6Al-4V и столкнувшись с немалым количеством неожиданных отказов, вот что я бы посоветовал начинающему инженеру, только приступающему к работе с титаном:
Бета-трансус — это ваш ориентир во всём. Учитывайте его удельную теплоемкость, а не только номинальное значение. Для Ti-6Al-4V она составляет примерно 995 °C — однако перед установкой температуры печи для термообработки в растворе необходимо уточнить точное значение удельной теплоемкости в сертифицированном протоколе испытаний материала (CMTR).
Титан марки CP не поддается упрочнению термической обработкой. Если конструкция требует высокой прочности, то решением является Ti-6Al-4V STA — марка, не подлежащая термообработке 2.
При температуре выше 538 °C вакуум является обязательным условием. Дефекты типа «альфа» относятся к числу самых дорогостоящих в аэрокосмическом производстве: детали могут пройти все проверки на соответствие размерам и при этом оказаться бракованными. Стоимость надлежащего цикла обработки в вакуумной печи ничтожна по сравнению с утилизацией готовых деталей или — что ещё хуже — с отказами в эксплуатации.
Размер секции ограничивает эффективность STA. Ti-6Al-4V полностью закаляется в участках толщиной до примерно 15–25 мм. Если для вашей задачи требуются свойства STA на поперечном сечении толщиной 50 мм, вам потребуется другой подход к проектированию.
Сначала снятие напряжений, затем окончательная обработка. В случае сложных деталей, подвергающихся механической обработке, необходимо проводить снятие напряжений после черновой обработки, чтобы устранить накопленные напряжения перед чистой обработкой. Такая последовательность действий позволяет сохранить жесткие допуски и предотвратить деформацию тонких стенок.
Температуры отжига для марки 23 немного отличаются от температур для марки 5. 704–732 °C против 691–760 °C — разница небольшая, но более низкая температура транссуса бета-фазы имеет значение, особенно при термообработке в растворе. Используйте параметры, специфичные для марки 23.
Технические параметры, приведенные в данном руководстве, взяты из технического паспорта ATI на Ti-6Al-4V, документа по свойствам Timetal 6-4 компании TIMET, технического паспорта Carpenter Technology на CP Ti Grade 2, стандарта AMS 2801D, а также из опубликованных исследований в журналах «Thermal Processing Magazine» и «Scientific Reports». Именно эти источники используются предприятиями по термообработке при составлении рабочих инструкций — и именно их следует указывать в чертежах или заказах на поставку.
