Trong quá trình sản xuất ống gia nhiệt bằng titan, quá trình kéo nguội làm giảm-diện tích mặt cắt ngang theo một tỷ lệ phần trăm nhất định trước khi ủ lần cuối. Mức độ gia công nguội quyết định động lực kết tinh lại trong quá trình ủ. Mức độ gia công nguội thấp 5% tạo ra các hạt kết tinh lớn đạt tiêu chuẩn ASTM 4–5 (đường kính 80–120 µm). Mức độ gia công nguội cao 20% tạo ra các hạt kết tinh mịn đạt tiêu chuẩn ASTM 8–10 (đường kính 11–22 µm). Trong không khí ở nhiệt độ 300 độ , vật liệu hạt mịn có khả năng chống nứt do mỏi nhiệt cao hơn 3–5 lần vì các hạt nhỏ hơn cung cấp nhiều diện tích ranh giới hạt hơn để thích ứng với biến dạng nhiệt tuần hoàn và chống lại sự lan truyền vết nứt.

Cơ chế ảnh hưởng của kích thước hạt đến khả năng chống mỏi nhiệt

Trong quá trình đạp xe nhiệt ở 300 độ, ống titan giãn nở và co lại. Biến dạng tuần hoàn được điều chỉnh bằng sự trượt và trượt ranh giới hạt. Vật liệu có hạt mịn-có nhiều ranh giới hạt hơn trên một đơn vị thể tích, cho phép biến dạng được phân bố đồng đều hơn. Sự hình thành vết nứt xảy ra tại các dải trượt và ranh giới hạt; hạt mịn hơn làm giảm chiều dài trượt và sự tập trung ứng suất ở ranh giới hạt. Tốc độ phát triển vết nứt mỏi tuân theo da/dN ∝ d^0,5, trong đó d là kích thước hạt. Giảm một nửa đường kính hạt làm giảm 30% tốc độ phát triển vết nứt. Ngoài ra, các hạt mịn tạo ra nhiều rào cản hơn cho sự lan truyền vết nứt, buộc các vết nứt thay đổi hướng và tiêu tán năng lượng.

Kích thước hạt kết tinh lại định lượng như là một chức năng của công việc nguội

Ủ có kiểm soát các ống titan Loại 2 ở 700 độ trong 30 phút, theo các mức độ gia công nguội khác nhau, đã thiết lập các kích thước hạt kết tinh lại sau đây. Ở mức gia công nguội 5%, kích thước hạt kết tinh lại là ASTM 3–5 (đường kính 50–125 µm), và độ cứng sau khi ủ là 160–180 HV. Ở mức gia công nguội 10%, kích thước hạt là ASTM 5–7 (32–64 µm) và độ cứng là 170–190 HV. Ở mức gia công nguội 15%, kích thước hạt là ASTM 7–8 (22–45 µm) và độ cứng là 180–200 HV. Ở mức gia công nguội 20%, kích thước hạt là ASTM 8–9 (16–32 µm) và độ cứng là 190–210 HV. Ở mức gia công nguội 30%, kích thước hạt là ASTM 9–10 (11–22 µm) và độ cứng là 200–220 HV. Ở mức gia công nguội 40%, kích thước hạt là ASTM 10–11 (8–16 µm) và độ cứng là 210–230 HV.

Tuổi thọ mỏi nhiệt ở 300 độ là một hàm của kích thước hạt

Thử nghiệm theo chu kỳ trong không khí ở 300 độ với nhiệt độ dao động 250 độ (50 độ đến 300 độ) trong 10.000 chu kỳ đã thiết lập độ sâu vết nứt mỏi nhiệt sau đây cho titan Loại 2. Đối với kích thước hạt ASTM 3–5 (gia công nguội 5%), độ sâu vết nứt sau 10.000 chu kỳ là 150–300 µm và tuổi thọ mỏi đối với vết nứt 1 mm là 30.000–50.000 chu kỳ. Đối với kích thước hạt ASTM 5–7 (gia công nguội 10%), độ sâu vết nứt là 80–150 µm và tuổi thọ đến 1 mm là 60.000–100.000 chu kỳ. Đối với kích thước hạt ASTM 7–8 (gia công nguội 15%), độ sâu vết nứt là 40–80 µm và tuổi thọ đến 1 mm là 120.000–200.000 chu kỳ. Đối với kích thước hạt ASTM 8–9 (gia công nguội 20%), độ sâu vết nứt là 20–40 µm và tuổi thọ đến 1 mm là 250.000–400.000 chu kỳ. Đối với kích thước hạt ASTM 9–10 (gia công nguội 30%), độ sâu vết nứt là 10–20 µm và tuổi thọ đến 1 mm vượt quá 500.000 chu kỳ.

Hướng dẫn lựa chọn kích thước hạt và gia công nguội cho dịch vụ hàng không 300 độ

Bảng sau đây cung cấp các khuyến nghị về mức độ gia công nguội trước đó và kích thước hạt thu được đối với các ống gia nhiệt bằng titan được thiết kế để sử dụng trong không khí ở nhiệt độ 300 độ, dựa trên chu kỳ nhiệt dự kiến ​​và tuổi thọ mỏi mong muốn.

Kỹ thuật vượt ra ngoài kiểm soát công việc lạnh

Lớp titan ảnh hưởng đến hành vi kết tinh lại. Lớp 7 kết tinh lại ở nhiệt độ cao hơn một chút so với Lớp 2 do có palladium, nhưng kích thước hạt cuối cùng đối với mức độ gia công nguội nhất định là tương tự nhau. Lớp 5 (Ti-6Al-4V) không kết tinh lại hoàn toàn trong các điều kiện này. Độ dày thành không ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước hạt nhưng ảnh hưởng đến thời gian lan truyền vết nứt; một bức tường 2,0 mm có vết nứt 20 µm có 98% bức tường còn lại. Nhiệt độ và thời gian ủ cũng ảnh hưởng đến kích thước hạt; nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian làm hạt thô lâu hơn. Để có khả năng chống mỏi nhiệt tối đa, gia công nguội trên 20% là có lợi, nhưng gia công nguội quá mức (trên 40%) có thể gây nứt trong quá trình kéo.

Thực hiện một đặc điểm kỹ thuật có hiểu biết

Đối với ống gia nhiệt bằng titan hoạt động trong không khí ở nhiệt độ 300 độ với chu kỳ nhiệt đáng kể, hãy chỉ định mức gia công nguội trước đó là 20–30% trước khi ủ lần cuối. Yêu cầu kích thước hạt kết tinh lại cuối cùng là ASTM 8 hoặc mịn hơn. Đối với các ứng dụng có ít hơn 60.000 chu kỳ dự kiến, có thể chấp nhận gia công nguội 10–15%. Đối với chu trình khắc nghiệt (bắt đầu{11}}dừng hàng ngày trong 10 năm, khoảng 3.650 chu kỳ), sự khác biệt giữa ASTM 5 và ASTM 8 là không đáng kể và chỉ cần gia công nguội tiêu chuẩn là đủ. Đối với các ứng dụng quan trọng có chu kỳ nhiệt nhanh (nhiều chu kỳ mỗi ngày), hãy chỉ định gia công nguội 30% và cỡ hạt ASTM 9 hoặc mịn hơn. Bằng cách kiểm soát mức độ gia công nguội trước khi ủ, kỹ sư điều chỉnh kích thước hạt để đạt được khả năng chống mỏi nhiệt cần thiết ở 300 độ.,