Wybór kęsów i trasa specyfikacji
Kucie rozpoczyna się od pręta lub kęsa według ASTM B348 lub AMS 4928 dla Ti-6Al-4V lub od gatunków czystych na rynku, gdzie odkształcalność i odporność na korozję są ważniejsze niż wytrzymałość. Ti-6Al-4V zawiera UNS R56400 i jest zdecydowanie najczęściej kutym stopem tytanu: łączy w sobie minimalną wytrzymałość na rozciąganie około 895 MPa z użyteczną wytrzymałością i spawalnością, a większość tej wytrzymałości utrzymuje się w temperaturze około 400 stopni. Stopy bliskie alfa i beta wybiera się, gdy temperatura pracy wzrasta lub gdy wymagany jest wyższy stosunek wytrzymałości do masy.
Gotowe odkuwki posiadają certyfikat ASTM B381, który obejmuje skład chemiczny, tolerancje i właściwości mechaniczne, oraz AMS 4928 dla prętów i półproduktów do kucia dla przemysłu lotniczego. Odkuwki medyczne są zgodne z normą ISO 5832-3 lub ASTM F1472, a materiał klasy 23 o bardzo-niskiej zawartości międzywęzłów zwiększa granicę tlenu, dzięki czemu zachowana jest odporność na pękanie i zachowanie zmęczeniowe.
Ogrzewanie okien i Beta Transus
Okno kucia wyznaczane jest przez beta transus, który dla Ti-6Al-4V jest bliski 995 stopni. Stopy alfa plus beta są kute w polu dwufazowym, zwykle 900–980 stopni, około 30 do 60 stopni poniżej transusu, co rekrystalizuje strukturę w drobno równoosiową alfa w przekształconej matrycy beta. Praca nad transusem powoduje powstawanie grubych płyt Widmanstattena o słabej ciągliwości w temperaturze pokojowej, podczas gdy praca w zbyt niskiej temperaturze zwiększa naprężenia przepływu i ryzyko pękania powierzchni.
Ponieważ tytan agresywnie absorbuje tlen, azot i wodór w temperaturze powyżej około 500 stopni, atmosfera pieca i czas utrzymywania się temperatury są kontrolowane procedurą, a każda powstająca warstwa powierzchniowa wzbogacona w tlen-jest usuwana podczas późniejszej obróbki lub trawienia. Kęsy są oczyszczane z kamienia, oleju i zanieczyszczeń poprzez piaskowanie, obróbkę skrawaniem lub trawienie przed ogrzewaniem, dzięki czemu defekty powierzchniowe nie są wbijane w część.
Operacje kucia
Kucie-otwarte umożliwia formowanie dużych, prostych kształtów pomiędzy płaskimi matrycami za pomocą prasy lub młotka, co jest elastyczne i niedrogie, ale ma ograniczoną precyzję wymiarową. Kucie matrycowe-zamknięte kształtuje kęs we wnęce matrycy, która kontroluje przepływ włókien i ostateczny kontur. Jest to normalna metoda w przypadku takich komponentów, jak tarcze, ostrza i elementy konstrukcyjne. Kucie matrycowe-izotermiczne i na gorąco utrzymuje matrycę w temperaturze kęsa lub zbliżonej do temperatury kęsa, aby ograniczyć wychłodzenie matrycy i umożliwić wypełnienie cieńszych sekcji, co nadaje się do skomplikowanych części w pobliżu-siatkowej. Każda operacja jest zdefiniowana przez sekwencję matrycy z pośrednim czyszczeniem i, w razie potrzeby, ponownym podgrzewaniem.
Obróbka cieplna i kontrola mikrostruktury
Dominują dwa zabiegi. Wyżarzanie walcownicze to obróbka polegająca na rekrystalizacji w polu dwu-fazowym, po której następuje chłodzenie powietrzem, co łagodzi naprężenia i zapewnia stabilną strukturę alfa plus beta do zastosowań ogólnych. Obróbka roztworem i starzenie, zwykle nazywane STA, polega na nagrzaniu w polu dwu-fazowym w temperaturze bliskiej 955 stopni, hartowaniu w wodzie, a następnie starzeniu w temperaturze około 480–595 stopni przez kilka godzin; zwiększa to wytrzymałość pewnym kosztem plastyczności. W certyfikacie odnotowuje się obróbkę cieplną wraz z uzyskanymi wartościami rozciągania, plastyczności i wydłużenia, a w ramach kontroli partii sprawdzana jest twardość.
Inspekcja i kontrola jakości
Kontrola ultradźwiękowa części kutej i poddanej obróbce cieplnej wykrywa wewnętrzne puste przestrzenie, zakładki i wtrącenia alfa.
Głębokość obudowy alfa mierzy się na przekroju, a warstwę usuwa się poprzez obróbkę skrawaniem lub trawienie przed zwolnieniem części.
Przegląd makro-trawienia i mikro-struktury potwierdza przepływ ziaren, brak plamek beta i wymagany stan równoosiowy.
Testy mechaniczne każdej partii obejmują wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, wydłużenie i zmniejszenie powierzchni, z twardością każdego elementu.
Kontrola wymiarowa odbywa się na podstawie rysunku, z pomiarem współrzędnych krytycznych interfejsów.
Powszechnym błędnym przekonaniem jest to, że cieplejsze lub dłuższe namoczenie poprawia jakość kucia; w praktyce napędza wzrost ziarna i zwiększa pobór tlenu, przez co akceptowalne okno jest celowo wąskie. Kucie do minimalnych właściwości określonych w specyfikacji z pominięciem struktury również nie sprawdza się, ponieważ trwałość zmęczeniowa jest kontrolowana raczej przez morfologię ziaren, a nie tylko przez liczbę rozciągania.
Często zadawane pytania
P: Która norma obejmuje odkuwki tytanowe do zastosowań ogólnych?
Odp.: ASTM B381 obejmuje odkuwki tytanowe do obróbki plastycznej, w tym Ti-6Al-4V, a prace lotnicze są zwykle również objęte normą AMS 4928.
P: Dlaczego kucie musi pozostać poniżej transusa beta?
Odp.: Kucie nad nim powoduje powstawanie grubych struktur Widmanstattena o zmniejszonej ciągliwości i odporności na zmęczenie, dlatego zamiast tego stosuje się dwufazową obróbkę polową.
P: Co to jest wielkość liter alfa i dlaczego została usunięta?
Odp.: Jest to warstwa powierzchniowa wzbogacona w tlen i azot, utworzona w wysokiej temperaturze. Jest twardy i kruchy, dlatego przed oddaniem części do użytku jest poddawany obróbce mechanicznej lub trawieniu.
P: Co zmienia obróbka cieplna STA?
Odp.: Obróbka roztworowa i starzenie zwiększają wytrzymałość na rozciąganie i plastyczność kosztem pewnej plastyczności i są wybierane tam, gdzie projekt opiera się na wytrzymałości.
P: W jaki sposób wykrywane są defekty wewnętrzne?
Odp.: Inspekcję ultradźwiękową przeprowadza się po obróbce cieplnej, uzupełnioną badaniem makro i mikrostruktury na przekroju partii.
