Όπως γνωρίζουμε, το τιτάνιο είναι ένα εξαιρετικά ενεργό μέταλλο και μολύνεται εύκολα από υδρογόνο, οξυγόνο και άνθρακα, οποιαδήποτε από αυτές τις ουσίες μπορεί να επηρεάσει το κράμα τιτανίου, επομένως είναι σημαντικό να ελέγχεται το στοιχείο από το υλικό, τον εξοπλισμό, τη διαδικασία, τη δοκιμή και τη συντήρηση και ούτω καθεξής. Η διαδικασία θερμικής επεξεργασίας των κραμάτων τιτανίου πρέπει να γίνεται υπό αυστηρό έλεγχο, εκτός από τη χρήση κλιβάνου κενού με προστασία αργού, τα κράματα τιτανίου πρέπει να θερμαίνονται σε οξειδωτική ατμόσφαιρα. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει ακριβείς ελέγχους και πρέπει να αφαιρέσει το στρώμα οξειδίου στην επιφάνεια του τεμαχίου. Η λογική κραματοποίηση και η θερμική επεξεργασία μπορούν να βελτιώσουν αποτελεσματικά τις ιδιότητες των κραμάτων τιτανίου. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι θερμικής επεξεργασίας, για το κράμα τιτανίου Grade5, χρησιμοποιούνται συνήθως η ανόπτηση, η απόσβεση γήρανσης και η χημική θερμική επεξεργασία.

Ανόπτηση

Η ανόπτηση είναι η μόνη μέθοδος θερμικής επεξεργασίας για το καθαρό τιτάνιο και το κράμα τιτανίου α. Η ανόπτηση είναι κατάλληλη για όλα τα είδη κραμάτων τιτανίου για την εξάλειψη των τάσεων και τη βελτίωση της πλαστικότητας του κράματος και της σταθερής μικροδομής. Η διαδικασία ανόπτησης χρησιμοποιείται για διάφορα κράματα τιτανίου. Σκοπός της ανόπτησης είναι η βελτίωση της πλαστικότητας του υλικού και η σταθεροποίηση της δομής του. Η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί με τρεις μορφές: ανόπτηση με ανακούφιση από τις τάσεις, ανόπτηση ανακρυστάλλωσης και διπλή ανόπτηση.

Η ανόπτηση γίνεται σε κλίβανο αέρα ή ανόπτηση σε κλίβανο αδρανούς αερίου ή σε κλίβανο κενού, εάν υπάρχει απαίτηση για επιφανειακή μόλυνση των εξαρτημάτων. Κατά την ισόθερμη ανόπτηση, πρέπει να χρησιμοποιείται μετατροπέας ή αερόψυξη εάν το μέγεθος του τεμαχίου είναι πολύ μεγάλο, ώστε να αποφεύγεται η πολύ μεγάλη μικροδομή λόγω της πολύ αργής ταχύτητας ψύξης. Κατά τη διπλή ανόπτηση, η ψύξη με αέρα μετά την πρώτη θέρμανση, τα εξαρτήματα τιτανίου θα πρέπει να είναι διασκορπισμένα, η ψύξη με εξαναγκασμένο αέρα εάν είναι απαραίτητο για να αποφευχθεί η πολύ αργή ταχύτητα ψύξης που επηρεάζει την απόδοση.

Ανόπτηση τιτανίου βαθμού 5

Βαθμός Φύλλο/ταινία τιτανίου Μπάρα/σύρματα τιτανίου
Θερμοκρασία Χρόνος/λεπτό Ψύξη Θερμοκρασία Χρόνος Ψύξη
Βαθμίδα 5 700℃-870℃ 15-60 Ψύξη με αέρα 700℃-800℃ 60-120 Ψύξη με αέρα

Σημείωση: Αερόψυξη ή πιο αργή ψύξη. Όταν η διπλή ανόπτηση, θερμοκρασία μετάβασης β κάτω από 15 ~ 30 ℃ για 1 ~ 2h, αερόψυξη ή ταχύτερη ψύξη, και στη συνέχεια 705-760 ℃ για 1 ~ 2h, αερόψυξη.

Οι παράμετροι ελέγχου της θερμικής επεξεργασίας του κράματος τιτανίου περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία διαλύματος, το χρόνο διαλύματος, τον τρόπο ψύξης (απόσβεση με νερό, απόσβεση με λάδι, ψύξη σε φούρνο) και τη θερμοκρασία γήρανσης. Διαφορετικά κράματα τιτανίου απαιτούν διαφορετικές θερμοκρασίες ανόπτησης. Εάν απαιτείται θερμική κατεργασία ανόπτησης β ή θερμική κατεργασία διαλύματος β, Κράμα Gr.5 ή άλλο κράμα τύπου α-β πρέπει να διατηρείται για τουλάχιστον 30 λεπτά πάνω από τη θερμοκρασία μετάβασης β της παρτίδας των εξαρτημάτων (30±15) ℃ και στη συνέχεια να ψύχεται σε θερμοκρασία δωματίου στον αέρα ή σε αδρανές αέριο, χωρίς να επιτρέπεται η ψύξη σε κλίβανο. Εάν απαιτείται απόσβεση με νερό, θα πρέπει να διατηρείται σε 730 ~ 760 ℃ για 1 ~ 3 ώρες μετά την απόσβεση με νερό πριν από τη δεύτερη ανόπτηση.

Η ανόπτηση είναι η μόνη μέθοδος θερμικής επεξεργασίας για το καθαρό τιτάνιο και το κράμα τιτανίου α. Η ανόπτηση είναι κατάλληλη για όλα τα είδη κραμάτων τιτανίου για την εξάλειψη των τάσεων και τη βελτίωση της πλαστικότητας του κράματος και της σταθερής μικροδομής. Η διαδικασία ανόπτησης χρησιμοποιείται για διάφορα κράματα τιτανίου. Σκοπός της ανόπτησης είναι η βελτίωση της πλαστικότητας του υλικού και η σταθεροποίηση της δομής του. Η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί με τρεις μορφές: ανόπτηση με ανακούφιση από τις τάσεις, ανόπτηση ανακρυστάλλωσης και διπλή ανόπτηση.

Η ανόπτηση γίνεται σε κλίβανο αέρα ή ανόπτηση σε κλίβανο αδρανούς αερίου ή σε κλίβανο κενού, εάν υπάρχει απαίτηση για επιφανειακή μόλυνση των εξαρτημάτων. Κατά την ισόθερμη ανόπτηση, πρέπει να χρησιμοποιείται μετατροπέας ή αερόψυξη εάν το μέγεθος του τεμαχίου είναι πολύ μεγάλο, ώστε να αποφεύγεται η πολύ μεγάλη μικροδομή λόγω της πολύ αργής ταχύτητας ψύξης. Κατά τη διπλή ανόπτηση, η ψύξη με αέρα μετά την πρώτη θέρμανση, τα εξαρτήματα τιτανίου θα πρέπει να είναι διασκορπισμένα, η ψύξη με εξαναγκασμένο αέρα εάν είναι απαραίτητο για να αποφευχθεί η πολύ αργή ταχύτητα ψύξης που επηρεάζει την απόδοση.

Ανόπτηση τιτανίου βαθμού 5

Βαθμός Φύλλο/ταινία τιτανίου Μπάρα/σύρματα τιτανίου
Θερμοκρασία Χρόνος/λεπτό Ψύξη Θερμοκρασία Χρόνος Ψύξη
Βαθμίδα 5 700℃-870℃ 15-60 Ψύξη με αέρα 700℃-800℃ 60-120 Ψύξη με αέρα

Σημείωση: Αερόψυξη ή πιο αργή ψύξη. Όταν η διπλή ανόπτηση, θερμοκρασία μετάβασης β κάτω από 15 ~ 30 ℃ για 1 ~ 2h, αερόψυξη ή ταχύτερη ψύξη, και στη συνέχεια 705-760 ℃ για 1 ~ 2h, αερόψυξη.

Οι παράμετροι ελέγχου της θερμικής επεξεργασίας του κράματος τιτανίου περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία διαλύματος, το χρόνο διαλύματος, τον τρόπο ψύξης (απόσβεση με νερό, απόσβεση με λάδι, ψύξη σε φούρνο) και τη θερμοκρασία γήρανσης. Διαφορετικά κράματα τιτανίου απαιτούν διαφορετικές θερμοκρασίες ανόπτησης. εάν απαιτείται θερμική επεξεργασία με ανόπτηση β ή διάλυμα β, το κράμα Gr5 ή άλλο κράμα τύπου α-β πρέπει να διατηρείται για τουλάχιστον 30 λεπτά πάνω από τη θερμοκρασία μετάβασης β της παρτίδας των εξαρτημάτων (30±15) ℃ και στη συνέχεια να ψύχεται σε θερμοκρασία δωματίου στον αέρα ή σε αδρανές αέριο, δεν επιτρέπεται η ψύξη σε κλίβανο. Εάν απαιτείται απόσβεση με νερό, θα πρέπει να διατηρείται σε 730 ~ 760 ℃ για 1 ~ 3 ώρες μετά την απόσβεση με νερό πριν από τη δεύτερη ανόπτηση.

Ανόπτηση με ανακούφιση από τις τάσεις

Η σκλήρυνση από την πίεση της θέρμανσης και της μόνωσης τιτανίου πρέπει να είναι σύμφωνη με το πρότυπο. Μετά τη μόνωση, τα μέρη ψύχονται στον αέρα ή σε αδρανές αέριο ή με τον κλίβανο. Η θερμοκρασία θέρμανσης της ανόπτησης με ανακούφιση από τις τάσεις δεν πρέπει να υπερβαίνει τη θερμοκρασία γήρανσης ή τη θερμοκρασία ανόπτησης σταδίου 2 για κράματα τιτανίου που έχουν υποστεί επεξεργασία με διάλυμα και γήρανση ή έχουν υποστεί διπλή ανόπτηση.

Οι θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται για την ανόπτηση με ανακούφιση από τις τάσεις είναι χαμηλότερες από αυτές της ανακρυστάλλωσης και ο χρόνος ανόπτησης είναι γενικά μικρότερος από αυτόν της ανακρυστάλλωσης. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται για τη μείωση των υπολειπόμενων τάσεων κατά την κατασκευή. Η διαδικασία παράγει βέλτιστους συνδυασμούς αντοχής, ολκιμότητας και διαστατικής σταθερότητας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μείωση των ανεπιθύμητων υπολειμματικών τάσεων κατά τις επόμενες εργασίες, συμπεριλαμβανομένης της κατεργασίας και της θερμικής επεξεργασίας. Είναι ιδανική για κράματα τιτανίου διπλής φάσης και μπορεί επίσης να βελτιώσει την αντίστασή τους στη διάβρωση λόγω τάσης. Εάν όμως θέλετε να αποφύγετε τη θερμική κατεργασία, η μέθοδος αυτή δεν συνιστάται για εσάς.

Η διαδικασία αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί σε θερμοκρασία πάνω από τη θερμοκρασία βήτα transus (μετάβαση βήτα), η οποία είναι το σημείο στο οποίο η φάση άλφα εξαφανίζεται και η μικροδομή μετατρέπεται σε δομή που μοιάζει με κυβική. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των εξαρτημάτων από κράμα τιτανίου που πρέπει να διαμορφωθούν σε πολύπλοκα σχήματα.

Ανόπτηση ανακούφισης από τάσεις τιτανίου βαθμού 5

Κράματα Θερμοκρασία Χρόνος/λεπτό
Βαθμίδα 5 480℃ -650℃ 60-240

Σημείωση: Η ανόπτηση με ανακούφιση από την πίεση μπορεί να ολοκληρωθεί ταυτόχρονα σε 760 ~ 790 ℃ με θερμή διαμόρφωση.

Ισοθερμική ανόπτηση

Η ισοθερμική ανόπτηση παρέχει την καλύτερη πλαστικότητα και θερμική σταθερότητα. Αποτελεί καλή επιλογή για διφασικά κράματα τιτανίου που περιέχουν υψηλές ποσότητες σταθεροποιημένων στοιχείων β. Η διαδικασία απαιτεί θέρμανση του κράματος πάνω από τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης και μεταφορά του σε κλίβανο χαμηλότερης θερμοκρασίας. Η θερμότητα που διατηρείται κατά τη διαδικασία αυτή μεταφέρεται στην επιφάνεια του κράματος με ψύξη με αέρα. Η διαδικασία αυτή μπορεί να επαναληφθεί αρκετές φορές για να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Ανόπτηση ανακρυστάλλωσης

Η διαδικασία ανόπτησης ανακρυστάλλωσης είναι μια μέθοδος ρύθμισης της θερμοκρασίας για έναν συγκεκριμένο τύπο κράματος τιτανίου για την εξάλειψη των βασικών τάσεων. Στόχος της ανόπτησης ανακρυστάλλωσης είναι η επίτευξη των επιθυμητών ιδιοτήτων πλαστικότητας και αντοχής. Η θερμοκρασία για την ανόπτηση ανακρυστάλλωσης κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 450 και 650 ℃.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανόπτησης σε εφελκυσμό, η ανακρυστάλλωση ενός κράματος τιτανίου συμβαίνει ταυτόχρονα με την ολίσθηση των μετατοπίσεων. Αυτό είναι γνωστό ως φαινόμενο διπλής απόδοσης. Η θερμοκρασία ανόπτησης 920℃αυξάνει την αντοχή, ενώ μειώνει την πλαστικότητα. Μετά την ανακρυστάλλωση, καθιζάνει μια δευτερογενής φάση. Ο παρατεταμένος χρόνος ανόπτησης δεν είναι σημαντικός για τον καθορισμό των τελικών μηχανικών ιδιοτήτων των κραμάτων τιτανίου.

Απόσβεση γήρανσης

Η γήρανση με απόσβεση είναι ο κύριος τρόπος ενίσχυσης της θερμικής επεξεργασίας του κράματος τιτανίου Ti6Al4V, το οποίο χρησιμοποιεί μετασχηματισμό φάσης για την παραγωγή ενίσχυσης, επίσης γνωστή ως ενισχυτική θερμική επεξεργασία. Μετά την επεξεργασία με διάλυμα, τα μέρη από κράμα τιτανίου θα πρέπει να υποβάλλονται σε επεξεργασία γήρανσης σύμφωνα με τις διατάξεις (βλ. τον παρακάτω πίνακα). Μετά τη γήρανση, τα μέρη ψύχονται στον αέρα ή σε αδρανές αέριο ή με τον κλίβανο.

Γήρανση με απόσβεση τιτανίου Gr.5 

Βαθμός Θερμοκρασία Χρόνος/h
Βαθμίδα 5 480℃ -690℃ 2-8

Χημική θερμική επεξεργασία

Η χημική θερμική επεξεργασία του κράματος τιτανίου αποσκοπεί κυρίως στη βελτίωση της αντοχής στη φθορά, της θερμικής σταθερότητας και της επιφανειακής αντοχής. Όπως γνωρίζουμε, το κράμα τιτανίου έχει μεγάλο συντελεστή τριβής και κακή αντοχή στη φθορά (γενικά περίπου 40% χαμηλότερη από τον χάλυβα) και η επιφάνεια επαφής του είναι εύκολο να συνδεθεί και προκαλεί διάβρωση λόγω τριβής. Το κράμα τιτανίου έχει ισχυρή αντοχή στη διάβρωση σε οξειδωτικό μέσο, αλλά φτωχή αντοχή στη διάβρωση σε αναγωγικό μέσο (υδροχλωρικό οξύ, θειικό οξύ κ.λπ.). Για τη βελτίωση αυτών των ιδιοτήτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση, ο ψεκασμός και η χημική θερμική επεξεργασία, δηλαδή η νιτροποίηση, η οξυγόνωση και άλλες μέθοδοι. Μετά τη νιτροποίηση, η σκληρότητα της επιφάνειας νιτροποίησης είναι 2-4 φορές υψηλότερη από εκείνη χωρίς νιτροποίηση, η οποία μπορεί προφανώς να βελτιώσει την αντοχή του κράματος στη φθορά και να βελτιώσει την αντοχή του στη διάβρωση σε αναγωγικό μέσο. Η αντοχή του κράματος στη διάβρωση μπορεί να αυξηθεί 7~9 φορές με οξυγόνωση, αλλά το μειονέκτημα είναι ότι υπάρχει κάποια απώλεια πλαστικότητας και αντοχής σε κόπωση.