Designa titanlegeringsdelar: styrka, styvhet och bearbetbarhet

Börja från betyget, inte geometrin

Titanlegeringsdelar misslyckas på kostnaden mycket oftare än de misslyckas i drift, och orsaken är vanligtvis en design som ignorerar materialet snarare än en design som ignorerar belastningen. Titan och dess legeringar erbjuder hög specifik hållfasthet, enastående korrosionsbeständighet och en densitet runt 4,43 till 4,51 g/cm3, men de ger också låg värmeledningsförmåga, en låg elasticitetsmodul i förhållande till stål, en stark tendens att galla och ett inköpspris som är flera gånger högre än för rostfritt stål i samma form. En fungerande design tar hänsyn till alla dessa fakta innan den första skissen släpps.

Startbeslutet är betygsval. Kommersiellt rena Grade 2 och Grade 4 passar korrosionsdrivna-delar och kemisk service; Grad 5 (Ti-6Al-4V) ger den högsta hållfastheten av de vanliga bearbetade kvaliteterna med en lägsta draghållfasthet på 895 MPa och en lägsta sträckgräns på 828 MPa i glödgat tillstånd, vid minst 10 % töjning; Grade 9 (Ti-3Al-2.5V) sitter mellan de två med 620 MPa minsta draghållfasthet och 483 MPa minsta utbyte vid 15 % minsta töjning, och är lättare att forma och svetsa än Grade 5; Grad 12 ger bättre motståndskraft i milt reducerande kemiska miljöer. Stång och ämne beställs till ASTM B348, plåt och plåt till ASTM B265, rör till ASTM B337 eller ASTM B338.

Styrka, styvhet och stresskoncentration

Den avgörande egenskapen hos titandesign är gapet mellan styrka och styvhet. Sträckgränsen för grad 5 överstiger 800 MPa, men dess elasticitetsmodul är bara cirka 114 GPa, ungefär hälften av stålets. En titandel avböjer därför ungefär dubbelt så mycket som en geometriskt identisk ståldel vid samma belastning och ofta styr styvheten, inte styrkan, designen.

Designa för styvhet först, kontrollera sedan styrkan; att öka sektionstjockleken är en dålig lösning eftersom den också ökar massan, vilket vanligtvis är anledningen till att titan valdes.

Använd slutna sektioner, flänsar, ribbor eller skalformer för att höja den andra ytan istället för att lägga till väggtjocklek.

Undvik plötsliga sektionsbyten och skarpa inre hörn. Titan är hackkänsligt och en spänningskoncentrationsfaktor som tåls i stål kan halvera utmattningslivslängden.

Håll lokal stelhet balanserad. En styv nav bredvid en tunn bana koncentrerar spänningen i banan och ger tidig sprickbildning under vibrationer.

Kom ihåg att den låga modulen gör titandetaljer mer benägna att bucklas och att skratta under bearbetning, vilket måste hanteras i fixturen snarare än i ritningen.

Termiskt beteende och dimensionsstabilitet

Titan expanderar med ungefär 8,6 till 9,2 mikrometer per meter per grad C, nära rostfritt stål men märkbart mindre än aluminium, och dess hållfasthet håller upp till cirka 300 grader C för kommersiellt rena kvaliteter och högre för legerade kvaliteter. Tre konsekvenser följer för designen.

I sammansättningar som blandar titan med aluminium eller stål, beräkna differentialexpansion vid den maximala driftstemperaturen och ge spelrum, slitsade hål eller följsam infästning där missanpassningen ackumuleras.

Bearbetningstoleranser måste ta hänsyn till distorsion. Titans låga värmeledningsförmåga gör att värme koncentreras vid skärkanten och i tunna väggar, och delar kan röra sig efter att fixturen släppts.

Återstående spänningar som införs genom bearbetning eller svetsning bör avlastas genom spänningsglödgning-för slutbearbetning av kritiska dimensioner, annars kanske delen inte håller sig i tolerans över tiden.

Undvik att designa tunna titanbanor som sitter direkt i en värmebana om inte den termiska gradienten har modellerats; den låga ledningsförmågan håller ena sidan varm och den andra sval, och den resulterande gradienten driver förvrängning.

Bearbetbarhet och design för tillverkning

Titan är ungefär en storleksordning mindre ledande än stål, så skärvärme kan inte komma in i spånet och arbetsstycket; samma låga modul låter delen trycka bort från verktyget. Designval som minskar exponeringen för bearbetning minskar därför kostnaderna direkt.

På verkstadsgolvet skärs titan med skarpa, positiva-hårdmetall- eller keramiska verktyg, generöst kylvätskeflöde eller högt-tryck genom-verktygskylvätska, måttliga skärhastigheter och konsekvent matning för att undvika skavning och arbetshärdning. Låt aldrig verktyget stanna i snittet. Ange en design som tillåter styv arbetshållning, eftersom vibrationer är huvudorsaken till dålig ytfinish och kort verktygslivslängd.

Korrosion, galvanisk koppling och väte

Titan står emot havsvatten, klorider, oxiderande syror och de flesta industriella atmosfärer genom en passiv oxidfilm, men den filmen är inte universellt skydd. Fluorvätesyra, koncentrerade hetreducerande syror och torrt klor angriper titan, och spaltgeometrin vid stillastående kloriddrift bör ses över även om titan presterar bättre än rostfritt stål i sprickor.

Isolera titan från kolstål, rostfritt stål och grafit i våtdrift, eller hantera areaförhållandet så att titananodytan är liten och katodytan stor.

Använd fästelement av titan med titan eller isolerad passande beslag för att förhindra galvanisk korrosion vid skarvar som utsätts för marin atmosfär.

Begränsa uthållig drifttemperatur i väte-bärande eller fuktiga miljöer, eftersom väteupptagningen gör titan spröd; sammansättningsgränser på 0,015 % maximalt väte för kommersiellt rena kvaliteter är den relevanta kontrollen.

Ange betning eller anodisering där delen kommer att hanteras tungt eller pressas i drift med hög kontaktspänning, eftersom ytföroreningar och järnutstryk minskar korrosionsförmågan.

Svetsbarhet, fogning och ytbehandling

Grad 5 och andra alfa-beta-legeringar är svårare att svetsa än kommersiellt rena kvaliteter: de behöver inertgasskydd på båda sidorna, noggrann värmetillförsel och ofta efter-svetsvärmebehandling, och svetszonen förlorar duktilitet jämfört med modermetallen. Där svetsning är central för designen är Grade 9 eller kommersiellt ren Grade 2 det mer ekonomiska valet.

För fogar som inte får svetsas är mekanisk infästning, hårdlödning i kontrollerad atmosfär eller limfogning med en ordentligt förberedd yta alternativen, och var och en ställer sina egna designregler för kantavstånd, hålmönster och ytförberedelse. Ytbehandlingar som är värda att specificera inkluderar betning för att ta bort alfahöljet som lämnats efter varmbearbetning eller svetsning, anodisering för slitstyrka och identifiering, kulblästring för att införa tryckspänning i utmattningskritiska-filéer och nitrering endast där slitstyrkan motiverar förlusten av korrosionsbeständighet.

Kostnad och livscykel-ekonomi

Titandelar bör motiveras under utrustningens hela livslängd snarare än på första kostnaden. Materialpremien återbetalas vanligtvis genom eliminerad korrosionstillägg, lägre underhåll, längre inspektionsintervall och, i roterande eller fram- och återgående utrustning, minskad massa-relaterade laster. Praktiska regler som håller premien under kontroll inkluderar att använda den lägsta kvalitet som uppfyller belastningen och korrosionsfallet, konsolidera delar för att ta bort fästelement och skarvar och specificera standardstorlekar på lager.

Vanliga frågor

F: Vad är den enskilt viktigaste designhänsynen för titanlegeringsdelar?
Styvhet snarare än styrka. Eftersom elasticitetsmodulen är ungefär hälften av stålet, styr deformationen vanligtvis designen, så sektionsgeometrin måste väljas för att ge styvhet utan att lägga till massa.

F: Varför är titan svårt att bearbeta och vad ska ritningen spegla?
Låg värmeledningsförmåga fångar skärvärme vid kanten och den låga modulen låter delen böjas, vilket orsakar skrammel, gnagande och snabbt verktygsslitage. Ritningen bör undvika djupa smala fickor, hålla förhållandet mellan djup-till-bredd blygsamma och reservera snäva toleranser endast för funktionella ytor.

F: Hur ska en titandel skyddas mot galvanisk korrosion?
Isolera den från stål, rostfritt stål och grafit i våt bruk med hjälp av isolerande brickor, bussningar eller beläggningar och undvik konstruktioner där ett stort katodiskt område är vänt mot ett litet titanområde, vilket påskyndar attacken.

F: Vilken titankvalitet är lättast att forma och svetsa?
Kommersiellt rena Grade 2 och Grade 9, Ti-3Al-2.5V, är de mest förlåtande. Grad 5, Ti-6Al-4V, erbjuder den högsta styrkan men behöver hårdare processkontroll under svetsning och formning.

F: Behöver titan värmebehandling efter svetsning?
Kommersiellt rena kvaliteter gör det i allmänhet inte, förutsatt att svetsen är ordentligt avskärmad och rengjord. Alfa-beta-legeringar som Grad 5 drar vanligtvis nytta av efter-svetsspänningsavlastning eller glödgning, och proceduren bör vara kvalificerad för den specifika fogen.

F: Hur kan materialkostnaden för en titandel reduceras?
Genom att välja lägsta lämpliga kvalitet, designa nära-nätformer så att mindre metall blir spån, konsolidera sammansättningar för att minska skarvar och fästelement, använda standardstorlekar och avslappnade toleranser och ytfinish som inte är funktionellt nödvändiga.

F: Vilka standarder gäller för titan bar, plåt och tub?
ASTM B348 för stång och ämne, ASTM B265 för plåt, remsa och plåt, ASTM B337 för sömlösa rör och ASTM B338 för svetsade rör, med motsvarande ASME SB-beteckningar som används för tryckutrustning.