Xử lý nhiệt hợp kim Titan và Titan (1)

Xử lý nhiệt là một quá trình trong đó việc gia nhiệt và làm mát kim loại có kiểm soát được thực hiện trong các điều kiện môi trường rất chính xác nhằm thay đổi các đặc tính vật lý hoặc cơ học của kim loại mà không làm thay đổi hình dạng của sản phẩm. Nếu xử lý nhiệt không được thực hiện đúng cách, kim loại có thể không đạt được các đặc tính mong muốn cần thiết để đáp ứng thông số kỹ thuật thiết kế của kỹ sư.
Xử lý nhiệt thường liên quan đến việc tăng độ bền của vật liệu, nhưng nó cũng thường được sử dụng để cải thiện khả năng gia công, cải thiện khả năng tạo hình, tăng độ dẻo hoặc tăng khả năng chống ăn mòn. Vì vậy, đây là một quá trình quan trọng nhằm đảm bảo đạt được các đặc tính quy định của kim loại.

Ưu điểm của xử lý nhiệt hợp kim Titan:

Giảm ứng suất dư phát sinh trong quá trình chế tạo (giảm ứng suất)
Tạo ra sự kết hợp tối ưu giữa độ dẻo, khả năng gia công và độ ổn định về kích thước và cấu trúc (ủ)
Tăng sức mạnh (giải pháp điều trị và lão hóa)

Tối ưu hóa các đặc tính đặc biệt như độ bền gãy, độ bền mỏi và độ bền rão ở nhiệt độ cao

Giảm căng thẳng của titan

Titan và hợp kim titan có thể được giảm căng thẳng mà không ảnh hưởng xấu đến độ bền hoặc độ dẻo.

Các phương pháp xử lý giảm ứng suất làm giảm các ứng suất dư không mong muốn do quá trình rèn nóng không đồng nhất hoặc biến dạng do tạo hình và làm thẳng nguội, thứ hai, gia công không đối xứng của tấm hoặc vật rèn, và thứ ba là hàn và làm mát vật đúc. Việc loại bỏ các ứng suất như vậy giúp duy trì sự ổn định về hình dạng và loại bỏ các điều kiện bất lợi, chẳng hạn như mất khả năng chịu nén thường được gọi là hiệu ứng Bauschinger.

Giảm ứng suất có lẽ là phương pháp xử lý nhiệt phổ biến nhất dành cho titan và hợp kim titan. Nó được sử dụng để giảm các ứng suất dư không mong muốn do biến dạng rèn nóng không đồng nhất, tạo hình và làm thẳng nguội không đồng nhất, gia công không đối xứng của tấm (hogouts) hoặc vật rèn, hàn các bộ phận rèn, đúc hoặc luyện kim bột (P/M), và làm mát vật đúc.

Việc giảm ứng suất giúp duy trì sự ổn định về hình dạng và cũng có thể loại bỏ các điều kiện bất lợi như mất cường độ chảy nén - hiệu ứng Bauschinger - có thể đặc biệt nghiêm trọng trong hợp kim titan. Việc giảm căng thẳng có thể được thực hiện mà không ảnh hưởng xấu đến độ bền hoặc độ dẻo.

Ủ

Việc ủ titan và hợp kim titan chủ yếu nhằm tăng độ bền gãy, độ dẻo ở nhiệt độ phòng, độ ổn định kích thước và nhiệt cũng như khả năng chống rão. Nhiều hợp kim titan được đưa vào sử dụng ở trạng thái ủ. Bởi vì sự cải thiện một hoặc nhiều đặc tính thường đạt được bằng việc làm tổn hại đến một số đặc tính khác nên chu trình ủ phải được lựa chọn theo mục tiêu của việc xử lý.
Các phương pháp ủ thông thường là:

Ủ nhà máy là phương pháp xử lý có mục đích chung cho tất cả các sản phẩm nhà máy. Nó không phải là quá trình ủ hoàn toàn và có thể để lại dấu vết gia công nguội hoặc nóng trong các cấu trúc vi mô của các sản phẩm được gia công nặng, đặc biệt là tấm.

Ủ song công làm thay đổi hình dạng, kích thước và sự phân bố của các pha thành những pha cần thiết để cải thiện khả năng chống rão hoặc độ bền đứt gãy. Ví dụ, trong quá trình ủ song công của hợp kim Corona 5, quá trình ủ đầu tiên nằm gần phần chuyển tiếp để hình cầu hóa phần bị biến dạng và giảm thiểu phần thể tích của nó. Tiếp theo là quá trình ủ thứ hai ở nhiệt độ thấp hơn để kết tủa dạng thấu kính mới (dạng kim) giữa các hạt hình cầu. Sự hình thành dạng kim này gắn liền với sự cải thiện về độ bền rão và độ bền khi gãy.

Ủ kết tinh lại và ủ được sử dụng để cải thiện độ bền gãy. Trong quá trình ủ kết tinh lại, hợp kim được nung nóng đến đầu trên của phạm vi -, giữ trong một thời gian và sau đó làm nguội rất chậm. Trong những năm gần đây, ủ kết tinh lại đã thay thế ủ cho các bộ phận khung máy bay quan trọng bị gãy.

(Beta) Ủ. Giống như ủ kết tinh lại, ủ giúp cải thiện độ bền gãy. Quá trình ủ Beta được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ truyền của hợp kim được ủ. Để ngăn chặn sự phát triển quá mức của hạt, nhiệt độ ủ chỉ nên cao hơn nhiệt độ truyền một chút. Thời gian ủ phụ thuộc vào độ dày của mặt cắt và phải đủ để biến đổi hoàn toàn. Thời gian ở nhiệt độ sau khi chuyển gen nên được giữ ở mức tối thiểu để kiểm soát sự phát triển của hạt. Các phần lớn hơn nên được làm mát bằng quạt hoặc làm nguội bằng nước để ngăn chặn sự hình thành pha ở ranh giới hạt.

Giải Pháp Điều Trị Và Lão Hóa

Có thể đạt được nhiều mức cường độ khác nhau trong - hoặc hợp kim bằng cách xử lý dung dịch và lão hóa. Ngoại trừ hợp kim Ti{1}}.5Cu độc đáo, nguồn gốc của phản ứng xử lý nhiệt của hợp kim titan nằm ở tính không ổn định của pha nhiệt độ cao ở nhiệt độ thấp hơn.
Nung nóng hợp kim đến nhiệt độ xử lý dung dịch sẽ tạo ra tỷ lệ pha cao hơn. Sự phân chia các pha này được duy trì bằng cách làm nguội; trong quá trình lão hóa tiếp theo, sự phân hủy pha không ổn định xảy ra, mang lại độ bền cao. Các hợp kim thương mại thường được cung cấp ở trạng thái được xử lý bằng dung dịch và chỉ cần được lão hóa. Xử lý dung dịch hợp kim titan thường liên quan đến việc nung nóng đến nhiệt độ cao hơn một chút hoặc thấp hơn một chút so với nhiệt độ truyền.
Hợp kim (Beta) thường thu được từ các nhà sản xuất ở trạng thái được xử lý bằng dung dịch. Nếu cần hâm nóng lại, thời gian ngâm chỉ nên kéo dài ở mức cần thiết để thu được dung dịch hoàn toàn. Nhiệt độ xử lý dung dịch cho hợp kim cao hơn nhiệt độ truyền qua; vì không có giai đoạn thứ hai nên sự phát triển của hạt có thể diễn ra nhanh chóng.
- Hợp kim (Alpha-beta). Việc lựa chọn nhiệt độ xử lý dung dịch cho hợp kim dựa trên sự kết hợp các tính chất cơ học mong muốn sau khi lão hóa. Sự thay đổi nhiệt độ xử lý dung dịch của hợp kim sẽ làm thay đổi lượng pha và do đó làm thay đổi phản ứng lão hóa.
Để có được cường độ cao với độ dẻo thích hợp, cần phải xử lý dung dịch ở nhiệt độ cao tại hiện trường, thông thường từ 25 đến 85 độ (50 đến 150 độ F) dưới phần xuyên của hợp kim. Nếu cần độ bền đứt gãy cao hoặc khả năng chống ăn mòn do ứng suất được cải thiện thì việc ủ hoặc xử lý bằng dung dịch có thể được khuyến khích. Tuy nhiên, xử lý nhiệt - hợp kim trong phạm vi gây ra sự mất mát đáng kể về độ dẻo. Các hợp kim này thường được xử lý nhiệt dung dịch bên dưới lớp truyền để đạt được sự cân bằng tối ưu về độ dẻo, độ bền khi gãy, độ rão và các đặc tính đứt do ứng suất.

Làm nguội

Nếu hợp kim được làm nguội nhanh chóng bằng cách làm nguội bằng nước từ toàn vùng beta, thì xu hướng hình thành pha alpha sẽ bị triệt tiêu và pha beta được giữ lại. Tuy nhiên, một số thành phần hợp kim nhất định thể hiện sự biến đổi đặc biệt khi tôi. Cơ chế biến đổi martensitic hoặc dạng cắt này chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Sự hình thành cấu trúc này, được gọi là nguyên tố alpha, gây ra một số biến dạng của mạng. Sự biến dạng này và sự biến dạng tạo ra một vật liệu cứng và dai, đồng thời có đặc tính mỏi tốt hơn alpha. Quá trình dập tắt này cũng là điểm khởi đầu cho quá trình ủ.

ủ

Khi titan được làm nguội ở nhiệt độ cao, được nung lại đến nhiệt độ dưới mức truyền beta, giữ trong một thời gian dài và được làm nguội lại, nó được cho là đã được tôi luyện. Ba biến số tồn tại trong quá trình ủ: các pha hiện tại, thời gian giữ và nhiệt độ ủ.

Khi cấu trúc ban đầu chứa số nguyên tố alpha, có hai thay đổi xảy ra: số nguyên tố alpha chuyển thành alpha và ở thời gian dài hơn, số alpha sẽ trở thành răng cưa. Kết quả là mất đi độ cứng và độ bền đồng thời tăng độ dẻo và độ va đập. Tuy nhiên, cấu trúc alpha-beta không tuân theo mô hình này. Alpha chủ yếu không thay đổi; beta phân hủy để tạo thành nhiều alpha hơn nhưng lại mất đi giai đoạn beta. Ở nhiệt độ thấp sẽ có nhiều alpha hơn được hình thành; do đó, nhiệt độ ủ thấp dẫn đến độ bền và độ cứng giảm nhiều hơn và độ dẻo tăng lớn hơn so với nhiệt độ ủ cao trong khoảng thời gian giống nhau.

Biến đổi đẳng nhiệt

Khi tôi nóng một hợp kim từ vùng beta đến nhiệt độ ở trường alpha-beta và giữ trong một khoảng thời gian rồi sau đó tôi tiếp tục đến nhiệt độ phòng, vật liệu được biến đổi đẳng nhiệt. Điều trị theo cách này gây ra sự kết tủa của pha alpha và beta. Ở nhiệt độ cao, alpha kết tủa đầu tiên ở ranh giới hạt và sau đó trong chính hạt beta.
Cách xử lý này, khi giữ ở nhiệt độ ngay dưới nhiệt độ biến đổi, lúc đầu tạo ra vật liệu rất cứng do hình thành nguyên tố beta. Nếu thời gian giữ kéo dài, độ cứng và độ bền giảm đi kèm theo sự gia tăng độ dẻo và dai. Ở nhiệt độ thấp hơn, độ cứng và độ giòn tăng dần và ở thời gian kéo dài, độ cứng có thể đạt được cao hơn so với xử lý ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn.

(Còn tiếp)