Technische vereisten en referentienormen voor platen van titaniumlegering
1. Materiaalclassificatie en kwaliteiten
Platen van titaniumlegeringen worden grofweg ingedeeld in vier categorieën op basis van hun microstructuur en legeringssamenstelling. Alfalegeringen, zoals Ti-5Al-2,5Sn (graad 6), bevatten voornamelijk alfastabilisatoren zoals aluminium en tin. Deze legeringen bieden uitstekende lasbaarheid en kruipweerstand bij hoge temperaturen, waardoor ze geschikt zijn voor cascoconstructies en cryogene toepassingen. Bijna-alfa-legeringen, waaronder Ti-8Al-1Mo-1V (graad 9) en Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, bevatten kleine hoeveelheden bèta-stabilisatoren terwijl ze een alfa-dominante structuur behouden. Ze bieden verbeterde stabiliteit bij hoge temperaturen voor onderdelen van gasturbinemotoren.
Alfa-bètalegeringen vertegenwoordigen de meest gebruikte categorie, waarbij Ti-6Al-4V (graad 5) de werkpaardlegering is in de lucht- en ruimtevaart-, medische en industriële sectoren. Deze legering bereikt een optimaal evenwicht tussen sterkte, ductiliteit en breuktaaiheid door zijn tweefasige microstructuur. De extra lage interstitiële variant, Ti-6Al-4V ELI (Grade 23), beperkt het zuurstof-, ijzer- en waterstofgehalte om de schadetolerantie voor kritische toepassingen te verbeteren. Bètalegeringen zoals Ti-10V-2Fe-3Al en Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn kunnen oplossingsbehandeld en verouderd worden om de hoogste sterkteniveaus onder titaniumlegeringen te bereiken, met bijzondere voordelen wat betreft vervormbaarheid vóór warmtebehandeling.
2. Vereisten voor de chemische samenstelling
De chemische samenstelling van platen van titaniumlegering moet streng worden gecontroleerd om consistente mechanische eigenschappen en corrosieweerstand te garanderen. Voor Ti-6Al-4V (klasse 5) varieert het aluminiumgehalte van 5,50 tot 6,75 procent, terwijl het vanadiumgehalte varieert van 3,50 tot 4,50 procent. IJzer is beperkt tot maximaal 0,30 procent, zuurstof tot 0,20 procent, koolstof tot 0,08 procent, stikstof tot 0,05 procent en waterstof tot 0,015 procent. Het totaal van alle restelementen mag niet hoger zijn dan 0,40 procent.
Voor de ELI-kwaliteit is aluminium beperkt tot 5,50 tot 6,50 procent, ijzer tot maximaal 0,25 procent, zuurstof tot 0,13 procent en waterstof tot 0,0125 procent. Deze lagere interstitiële niveaus verbeteren de breuktaaiheid en ductiliteit aanzienlijk. Daarom is deze kwaliteit verplicht voor chirurgische implantaten en kritische structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart. Ti-5Al-2,5Sn (graad 6) maakt aluminium tussen 4,00 en 6,00 procent mogelijk, tin tussen 2,00 en 3,00 procent, ijzer tot 0,50 procent en waterstof tot 0,020 procent. De zuurstoflimiet komt overeen met de standaard Ti-6Al-4V van 0,20 procent.
3. Vereisten voor mechanische eigenschappen
Bij kamertemperatuur in de lengterichting moet de Ti-6Al-4V-plaat een minimale treksterkte van 895 MPa bereiken, een minimale vloeigrens bij 0,2 procent offset van 828 MPa, een minimale rek van 10 procent en een minimale oppervlaktereductie van 25 procent. De ELI-variant handhaaft dezelfde rek- en reductievereisten, maar met iets lagere sterkteniveaus: 860 MPa minimale treksterkte en 795 MPa minimale vloeigrens. Ti-5Al-2.5Sn vereist een minimale treksterkte van 827 MPa, een minimale vloeigrens van 759 MPa en bijpassende ductiliteitsmetrieken.
Voor gebruik bij hogere temperaturen moet de Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-plaat een minimale treksterkte van 620 MPa bij 315 graden Celsius hebben, waarbij de kruipweerstand is geverifieerd bij 425 graden Celsius. Breuktaaiheid vertegenwoordigt een kritische parameter voor schadetolerant ontwerp. Ti-6Al-4V ELI-platen moeten een vlakrekbreuksterkte K_IC bereiken van ten minste 75 MPa wortel uit meter, terwijl Ti-5Al-2,5Sn minimaal 55 MPa wortel uit meter vereist. De energiebehoefte van Charpy V-notch is respectievelijk 20 joule en 16 joule.
4. Maattoleranties en oppervlakteafwerking
Diktetolerantie varieert per plaatdikte. Voor platen tot 6,35 millimeter bedraagt de standaardtolerantie plus of min 0,13 millimeter, terwijl de precisietolerantie wordt aangescherpt tot plus of min 0,08 millimeter. Tussen 6,35 en 25,4 millimeter wordt de standaardtolerantie plus of min 0,25 millimeter, met een nauwkeurigheid van plus of min 0,13 millimeter. Voor platen groter dan 25,4 millimeter tot 50,8 millimeter bedraagt de standaardtolerantie plus of min 0,38 millimeter en de precisietolerantie plus of min 0,25 millimeter.
De breedtetolerantie is plus 6,35 millimeter zonder min onder standaardomstandigheden, aangescherpt tot plus 3,18 millimeter voor precisie. De lengtetolerantie bedraagt standaard plus 25 millimeter, plus een nauwkeurigheid van 13 millimeter. De vlakheid mag onder de standaardvereisten niet groter zijn dan 3,2 millimeter per meter, of 1,6 millimeter per meter voor precisieplaten. De randcamber is standaard beperkt tot 3,2 millimeter per 3 meter en een precisie van 1,6 millimeter per 3 meter.
De vereisten voor oppervlakteafwerking zijn afhankelijk van de verwerkingsmethode. Heetgewalste platen moeten een oppervlakteruwheid Ra bereiken die niet groter is dan 6,3 micrometer. Voor koud-gewalste of chemisch gebeitste platen is een Ra van maximaal 3,2 micrometer vereist. Precisie-grondplaten vereisen een Ra van maximaal 1,6 micrometer.
5. Metallurgische vereisten
De microstructuur van de alfa{0}}bèta-titaniumlegeringplaat in de molen-gegloeide toestand moet bestaan uit een gelijkassige primaire alfafase, verdeeld binnen een getransformeerde bètamatrix. Een continue alfafase op de korrelgrens is niet toegestaan, omdat dit de ductiliteit en de vermoeidheidsweerstand verslechtert. De korrelgrootte moet ASTM 5 of fijner zijn, waarbij de typische productie ASTM 6 tot 8 bereikt. Het alfageval, de met harde zuurstof-verrijkte oppervlaktelaag gevormd tijdens verwerking- bij hoge temperaturen, moet volledig worden verwijderd. Verificatie vereist micro-hardheidsprofilering waaruit blijkt dat er geen hardheidspiek aan het oppervlak is, of metallografisch onderzoek dat bevestigt dat er geen alfa-gestabiliseerde laag overblijft.
Bètavlekken, dit zijn gelokaliseerde gebieden met bèta{0}}stabilisatorverrijking, zijn verboden in kritieke lucht- en ruimtevaarttoepassingen. Ze worden gedetecteerd via macro-etsinspectie met behulp van geschikte reagentia. Het insluitingsgehalte wordt beoordeeld volgens ASTM E45 Methode A, met maximaal toegestane niveaus van A2, B2, C2 en D2 voor respectievelijk dunne, zware, silicaat- en bolvormige oxide-insluitsels.
6. Vereisten voor niet-destructieve tests
Ultrasoon testen is verplicht voor alle platen van 6,35 millimeter en dikker, uitgevoerd volgens de criteria van AMS-STD-2154 Klasse A. Geen enkele indicatie die groter is dan het equivalent van een gat met een platte bodem van 3,2 millimeter is aanvaardbaar. Het testen van de kleurpenetratie is van toepassing op alle afgewerkte oppervlakken volgens ASTM E1417, zonder lineaire indicaties die langer zijn dan 3,2 millimeter. Radiografische tests zijn gereserveerd voor las- of reparatiegebieden volgens ASTM E1742. Wervelstroomtesten kunnen in de plaats komen van ultrasoon testen op dunne platen kleiner dan 6,35 millimeter, volgens ASTM E426-procedures waarbij de gevoeligheid is vastgelegd in een overeenkomst tussen koper en leverancier.
7. Warmtebehandelingsomstandigheden
Molen-gegloeide plaat wordt verwerkt bij 704 tot 760 graden Celsius, gevolgd door luchtkoeling. Deze voorwaarde biedt evenwichtige eigenschappen voor algemene toepassingen. Duplexgloeien omvat oplossingsbehandeling bij 954 graden Celsius met waterkoeling, gevolgd door luchtkoeling bij 538 graden Celsius, waardoor de breuktaaiheid wordt verbeterd voor schade-tolerante ontwerpen. Oplossingsbehandelde en verouderde plaat bereikt maximale sterkte door behandeling bij 927 graden Celsius met waterkoeling en vervolgens veroudering bij 538 graden Celsius gedurende 4 tot 8 uur. Bèta-gloeien bij 1010 graden Celsius met luchtkoeling, gevolgd door stabilisatie bij 760 graden Celsius, produceert een getransformeerde bèta-microstructuur die is geoptimaliseerd voor kruipweerstand in lucht- en ruimtevaartmotortoepassingen. Spanningsverlichting bij 538 tot 649 graden Celsius volgt op bewerkings- of vormbewerkingen.
Alle warmtebehandelingen moeten plaatsvinden in vacuüm bij 10 tot min 3 millibar of beter, of in een zeer zuivere argonatmosfeer. Elk alfa-omhulsel dat tijdens de warmtebehandeling wordt gevormd, moet vóór de eindinspectie volledig worden verwijderd.
8. Normen waarnaar wordt verwezen
De primaire specificatie voor platen van titaniumlegering is ASTM B265, die betrekking heeft op strippen, platen en platen van titanium en titaniumlegeringen. Deze norm definieert grenzen voor de chemische samenstelling, vereisten voor mechanische eigenschappen, maattoleranties en algemene kwaliteitsbepalingen. ASTM B348 voor staven en knuppels biedt aanvullende mechanische testreferenties.
Voor mechanische testmethodologieën zijn ASTM E8 en E8M van toepassing op spanningstesten van metalen materialen. De hardheidsverificatie volgt ASTM E18 voor Rockwell-hardheid of ASTM E10 voor Brinell-hardheid. Beoordeling van de insluitingsinhoud maakt gebruik van ASTM E45, aangepast voor titaniumlegeringen. Meting van de korrelgrootte volgt ASTM E112. Micro-hardheidsprofilering volgens ASTM E384 detecteert resterende alfagevallen. Metallografische monstervoorbereiding en etsen volgen respectievelijk ASTM E3 en ASTM E407.
Niet{0}}destructieve testnormen omvatten ASTM E1417 voor het testen van vloeistofpenetranten, ASTM E1742 voor radiografisch onderzoek en ASTM E426 voor elektromagnetische wervelstroomtests van dunne producten. Richtlijnen voor oppervlaktevoorbereiding en ontkalking zijn te vinden in ASTM B600.
Materiaalspecificaties voor de lucht- en ruimtevaart voorzien in strengere eisen voor vlucht-kritische toepassingen. AMS 4907 bedekt de Ti-6Al-4V-plaat in uitgegloeide toestand. AMS 4911 heeft betrekking op oplossingbehandelde en verouderde Ti-6Al-4V-platen. AMS 4930 specificeert extra lage interstitiële Ti-6Al-4V-plaat. AMS 4940 is van toepassing op Ti-5Al-2.5Sn-platen. AMS 4943 heeft betrekking op een plaat van Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn-bètalegering. AMS 4945 heeft betrekking op Ti-8Al-1Mo-1V bijna-alfa-legeringsplaat. Acceptatiecriteria voor ultrasone inspecties zijn gedefinieerd in AMS-STD-2154.
Verouderde militaire specificaties omvatten MIL-T-9046 voor titaniumplaten, strippen en platen, en MIL-T-9047 voor staven en smeedstukken. Milieutests volgen MIL-STD-810.
Internationale normen omvatten ISO 5832-3 voor chirurgische implantaten van een Ti-6Al-4V-legering en ISO 5832-10 voor implantaten van een Ti-5Al-2.5Fe-legering. British Standards BS 2TA 2 en BS 2TA 11 hebben betrekking op Ti-6Al-4V-platen en -platen. De Duitse DIN 17850 biedt technische specificaties voor gesmede titaniumlegeringen. De Japanse JIS H4600 behandelt vellen, platen en strips. De Chinese nationale norm GB/T 3621 en de militaire norm GJB 2505A zijn van toepassing op platen van titaniumlegering van luchtvaartkwaliteit.
9. Toepassing-Specifieke vereisten
Structurele toepassingen in de lucht- en ruimtevaart vereisen hoge-cyclusvermoeidheidsgegevens, analyse van schadetolerantie en NDT-naleving van niveau A volgens AMS 4907, AMS 4911 en AMS-STD-2154. Motoronderdelen voor de lucht- en ruimtevaart vereisen trekeigenschappen bij verhoogde temperatuur, verificatie van de kruipweerstand en testen van thermische stabiliteit volgens AMS 4945 en ASTM E139.
Medische implantaattoepassingen vereisen biocompatibiliteitstests, waaronder cytotoxiciteits- en sensibilisatietests, waarbij materiaal van ELI-kwaliteit verplicht is volgens ISO 5832-3, ASTM F136 en ASTM F1472. Chemische verwerkingsapparatuur vereist validatie van de corrosieweerstand in specifieke procesmedia en aangetoonde lasbaarheid volgens ASTM B265, ASTM G28 en NACE MR0175 of ISO 15156. Maritieme en offshore constructies moeten bestand zijn tegen zeewatercorrosie en compatibiliteit aantonen met kathodische beschermingssystemen volgens ASTM B265 en DNV-OS-B401. Nucleaire toepassingen controleren de dwarsdoorsnede van de neutronenabsorptie, de stralingsstabiliteit en het gehalte aan sporenelementen volgens ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section II Part D.
10. Certificering en documentatie
Elke productiepartij moet vergezeld gaan van een molentestcertificaat waarin de resultaten van de chemische analyse, de testresultaten van de mechanische eigenschappen, de traceerbaarheid van het warmtenummer en de daadwerkelijk gemeten afmetingen worden gedocumenteerd. Dit certificaat is verplicht volgens ASTM B265. Niet-destructieve testcertificaten rapporteren ultrasone, penetrante of radiografische resultaten met kwalificatierecords voor operators. Metallurgische rapporten omvatten microstructuurfoto's, gemeten korrelgrootte en inclusiebeoordelingen voor kritische toepassingen. Warmtebehandelingscertificaten documenteren cyclusparameters, atmosfeertype en kalibratierecords van thermokoppels. Volledige traceerbaarheidsrapporten leggen de herkomst van het materiaal, de smeltpraktijken en de volledige verwerkingsgeschiedenis vast, wat essentieel is voor de naleving van de regelgeving in de lucht- en ruimtevaart en op het gebied van medische hulpmiddelen.
