Milliseid tegureid tuleks titaanisulamist osade projekteerimisel arvesse võtta?

Alustage teenindustingimustest, mitte materiaalsetest andmetest

Titaanisulamist osad on valitud suure eritugevuse, suurepärase korrosioonikindluse ja hea kõrgendatud temperatuuritaluvuse kombinatsiooni järgi ning neid kasutatakse kosmose-, keemia-, mere-, meditsiini- ja energiaseadmetes. Kuna materjal on kallis ja selle töötlemine on aeglane, võib paberil õige disain siiski äriliselt ebaõnnestuda. Seetõttu tuleks projekti läbivaatamist alustada tegelike kasutustingimustega: koormusspekter, töötemperatuuri vahemik, keemiline keskkond ja nõutav kasutusiga. Lubatud pinge, kuumtöötlus ja pinna seisund tulenevad kõik nendest sisenditest ja igaüks piirab teisi.

Lubatud pinge- ja jõuvarud

Titaanisulamitel on kõrge tugevus ja kõvadus, seega on projekteeritud lubatud pinge vastavalt kõrge, kuid see peab siiski moodustama materjali võimekuse kindlaksmääratud osa, mitte täieliku saagise väärtuse. Üldine reegel on piirata tööpinget 60–70 protsendini voolavuspiirist staatiliste, mittekriitiliste rakenduste puhul. Kui titaanisulami voolavuspiir on 900 megapaskalit, oleks lubatud pinge seega umbes 540–630 megapaskalit. Kandvate või väsimuskoormatud osade puhul tuleb lubatud väärtust kontrollida ka tõmbetugevuse suhtes sobiva ohutusteguriga.

Kontrollige ostetud toote vormi tegelikke minimaalseid omadusi, kuna latil, plaadil ja torul on eraldi spetsifikatsioonid ja erinevad garanteeritud miinimumid

Kasutage pinge kontsentratsiooni tegureid nimipingele, kuna titaan on sälktundlikum kui teras ja tegelik tipppinge võib olla mitu korda suurem kui nimiväärtus

Arvestage umbes 110 gigapaskali suurust elastsusmoodulit, mis on ligikaudu pool terase omast, nii et identse ristlõikega titaanist osa paindub sama koormuse all umbes kaks korda rohkem

Kontrollige paindumist ja jäikust juhitavaid konstruktsioone eraldi tugevuspõhistest konstruktsioonidest, kuna tulemust juhib madal moodul, mitte voolavuspiir

Temperatuuri mõjud ja kuumtöötlus

Mehaanilised omadused muutuvad koos temperatuuriga ja muutus on pigem järk-järguline kui järsk. Pikaajaline kokkupuude temperatuuril üle ligikaudu 350 kraadi Celsiuse järgi põhjustab tavalise alfa-beetasulami roomamist ja tugevuse kaotust, seega tulenevad pideva kasutuspiirangud pigem roomamisest kui sulamiskäitumisest. Oksüdeerumine muutub oluliseks õhus, mille temperatuur on üle 500 kraadi Celsiuse järgi, kus pinnale moodustub kõva, rabe hapnikuga rikastatud kiht, mida tuntakse alfa korpusena ja mis tuleb eemaldada töötlemise või peitsimise teel, kuna see tekitab pragusid.

Projekteerijad peaksid täpsustama kuumtöötluse tingimused koos nõutavate mehaaniliste omadustega, kuna erinevates tingimustes tarnitav sama mark võib oluliselt erineda tugevuse, plastilisuse ja töötlemiskäitumise poolest.

Korrosioon, oksüdatsioon ja materjalide ühilduvus

Titaan võlgneb oma korrosioonikindluse õhukesele iseparanevale titaandioksiidi kilele, mis tekib õhu käes koheselt. Kile muudab metalli praktiliselt immuunseks merevees, kloriidides, oksüdeerivates hapetes ja enamikus tööstuslikes atmosfäärides, mistõttu titaanist soojusvaheti torud ja laevariistvara kestavad palju kauem kui roostevaba teras.

Välditav keskkond: vesinikfluoriidhape ja muud fluoriidi sisaldavad keskkonnad lahustavad passiivse kile ning kuumad kontsentreeritud redutseerivad happed, nagu vesinikkloriid- ja väävelhape, ründavad metalli

Galvaaniline sidestus: titaan on alumiiniumi, tsingi ja süsinikterase suhtes tugevalt katoodne, nii et juhtivas keskkonnas nende metallide külge poltidega kinnitatud titaankomponent kiirendab nende korrosiooni ja võib titaani vesiniku neeldumise tõttu habrastada; kasutage erinevate ühenduste korral isoleerivaid seibe ja hülsseid

Vesinikuga kokkupuude: kuiv vesiniklaagrite kasutamine temperatuuril üle 300 kraadi Celsiuse järgi võib põhjustada hüdriidi moodustumist ja elastsuse kaotust, seega tuleks materjali valimisel arvestada vesiniku osarõhku

Pinnakaitse: AMS 2488-ga kooskõlas olev anoodtöötlus loob paksema oksiidkile, mis parandab vastupidavust lööbele ja annab stabiilse aluse liimimiseks, püüdes samal ajal kinni lahtise pinnasaaste

Väsimusvõime ja sälkude tundlikkus

Titaanisulamid on tundlikud vahelduva pinge ja pinna seisukorra suhtes. Sileda poleeritud proovi vastupidavuspiir võib olla 40–50 protsenti tõmbetugevusest, kuid see väärtus langeb järsult, kui esineb sälk, töötlusjälg, lihvimispõletus või elektrilahendusega töödeldud uuesti valatud kiht, kuna igaüks neist toimib pragude initsiaatorina materjalis, mis ei anna otsast plastiliselt järele nii kergesti kui teras.

Kasutage ristlõike muutmisel suuri filee raadiusi ja vältige teravaid sisenurki

Kaitske pinna terviklikkust: vältige lihvimispõletust, hoidke elektrilahendusega töödeldud pinnad väsimuse kriitilistest tsoonidest eemal või eemaldage uuesti valatud kiht kontrollitud viimistluskäiguga

Täpsustage haavlitöötlemine, kus survepinna pinge on kasulik ja nõuab protsessi intensiivsuse ja katvuse kontrolli

Kaaluge närivat väsimust klammerdatud liigendites ja pressliitmike juures, mis on titaansõlmede puhul tavaline rikkerežiim

Kasutage tsükliliseks tööks mõeldud valandite puhul kuumisostaatilist pressimist, et sulgeda sisemine poorsus, mis muidu tekitaks väsimuspraod

Kulumiskindlus, hõõrdumine ja lõhenemine

Titaanil on kalduvus liimikulumisele. Koormuse all libisevad kaitsmata titaanpinnad üksteise vastu suure hõõrdumisega ja takerduvad. Seda käitumist nimetatakse tõmbumiseks, mis võib pinnad kokku keevitada ja ühenduskoha hävitada. Oksiidkile tagab korrosioonikaitse, kuid mitte kõva kandepinna, nii et libisevad rakendused vajavad teadlikku lahendust.

Vältige titaani libiseva kontakti titaani vastu; asendada pronksist, polümeerist või kaetud vastupind

Kandke libisevatele pindadele füüsikalise auruga sadestatud kroomnitriidi või teemanditaoline süsinikkate

Kasutage pinnakarastamist, nagu gaasnitriidimine või termiline pihustamine, kui geomeetria seda võimaldab, aktsepteerides sellega kaasnevat mõõtmete muutust

Valige laagrisisend või puks nii, et titaanist korpus kannaks koormust ainult kokkusurumisel

Tootmise teostatavus, tolerantsus ja maksumus

Disaini kavatsus peab säilima kokkupuutel töökojaga. Titaan lõikab aeglaselt, juhib halvasti soojust ja kõvastub pinnal, nii et alumiiniumi puhul tavaline mehaaniliselt töödeldud tolerants muutub kalliks ja õhukesed toetamata seinad kalduvad lõikejõu mõjul kõrvale.

Disaini ülevaatuse kontroll-loend

Kinnitage sulam ja klass reaalse keskkonna, mitte kõige tuttavama klassi suhtes

Kinnitage lubatud pinge tegeliku ostetud toote vormi saagikuse ja lõpliku miinimumi suhtes

Kinnitage maksimaalne töötemperatuur ja kuumtöötlemise tingimused, sealhulgas kõik pinge vähendamise sammud pärast töötlemata töötlemist

Veenduge, et erinevad metallühendused on isoleeritud ja et keskkond ei sisalda fluoriidi ega kuuma redutseeriva happe keskkonda

Veenduge, et väsimuskriitilistel pindadel pole sälkusid, põletusi ega uuesti valatud kihte ning et raadiused on suured

Veenduge, et liugpinnad on kaetud või kasutage erinevat vastupinda

Veenduge, et seinapaksused ja tolerantsid on valitud protsessi käigus kavandatud kuludega saavutatavad

Korduma kippuvad küsimused

K: Millist lubatud pinget tuleks kasutada titaanisulamist osade puhul?
Tööpinge vahemikus 60–70 protsenti voolavuspiirist on tavaline lähtepunkt, nii et 900 megapaskali voolavuspiiriga materjali kasutatakse umbes 540–630 megapaskali juures, kui pingekontsentratsioon ja ohutustegurid on kaasatud.

K: Miks peetakse titaani sälgutundlikuks?
Selle piiratud plastiline deformatsioonivõime tähendab, et sälk, kriimustus või uuesti valatud kiht kontsentreerib pinget ilma seda leevendamata, mistõttu sälguga detaili väsimustugevus langeb tunduvalt alla sileda poleeritud prooviga mõõdetud väärtuse.

K: Kas titaani osi saab kasutada merevees?
Jah. Passiivne oksiidkile muudab metalli väga vastupidavaks kloriidide ja merevee suhtes, kuid süsinikterase või alumiiniumiga erinevad metallühendused peavad olema isoleeritud, et vältida galvaanilist rünnakut vähem väärismetallidele ja titaani vesiniku omastamist.

K: Millised keskkonnad ründavad titaani?
Fluoriidi sisaldav keskkond ja kuumad kontsentreeritud redutseerivad happed ründavad passiivset kilet ning kuiv vesinik kõrgel temperatuuril võib põhjustada hüdriidi moodustumist, mistõttu on nende kasutustingimuste jaoks vaja teistsugust materjali valikut või kaitsemeetmeid.

K: Miks titaanosa paindub rohkem kui sama suurusega terasosa?
Titaani elastsusmoodul on umbes 110 gigapaskalit, mis on ligikaudu pool terasest, nii et sama koormuse ja lõigu korral on läbipaine umbes kaks korda suurem, kuigi voolavuspiir on suurem.

K: Kuidas tuleks vältida titaanniitidel ja libisevatel pindadel kaldumist?
Kasutage erinevat või kaetud vastupinda, kandke peale kuiva kilemäärdeainet või füüsilise auruga sadestatud katet või anodeerige titaanpind ja vältige kaitsmata titaani libisemist koormuse all otse titaanile.

K: Millist kuumtöötlust tuleks täpsustada töödeldud titaanosa jaoks?
Enamik osi tarnitakse lõõmutatud ja moonutuste kontrollimiseks lisatakse sageli pingeleevendus vahemikus 540–650 kraadi Celsiuse järgi pärast töötlemata töötlemist, samas kui kõrgemad tugevusnõuded nõuavad lahuse töötlemist ja vananemist.