Titan loại 1 và loại 2: Thành phần, độ bền và khả năng định hình

Hai lớp tinh khiết thương mại, một họ hóa học

Cả titan loại 1 và loại 2 đều nằm trong họ tinh khiết thương mại (CP) được xác định bởi ASTM B265 cho tấm, dải và tấm và theo ASTM B348 cho thanh và phôi thép. Cả hai loại đều không được hợp kim hóa một cách có chủ ý và sự khác biệt quan trọng nhất giữa chúng là lượng oxy mà máy nghiền để lại trong kim loại. Yếu tố xen kẽ đó chi phối cường độ năng suất, tốc độ làm cứng-của công việc, bán kính uốn cong tối thiểu mà người chế tạo có thể đạt được và lượng hồi phục phải được bù trong phanh ép hoặc khuôn định hình.

Bởi vì cả hai lớp đều có chung một mạng tinh thể đóng gói hình lục giác, cùng mật độ 4,51 g/cm3 và cùng một màng oxit tự sửa chữa nên chúng thường được coi là có thể hoán đổi cho nhau trên bản vẽ. Trong thực tế, việc đặt tên sai loại sẽ gây lãng phí ngân sách cho độ bền mà thành phần không bao giờ sử dụng hoặc tạo ra vết nứt ở các cốc-kéo sâu, ống vách-mỏng và các giá đỡ bị uốn cong quá chặt.

Giới hạn thành phần hóa học được so sánh

Bảng 1 liệt kê các mức nguyên tố tối đa cho phép đối với hai loại theo tiêu chuẩn ASTM B265 và ASTM B348. Lớp 2 cho phép nhiều sắt hơn và nhiều oxy hơn, đó chính xác là những gì làm tăng độ bền và giảm độ giãn dài của nó.

Oxy là chất tăng cường dung dịch rắn-trong alpha titan: nó làm biến dạng mạng tinh thể và làm cho chuyển động lệch vị trí trở nên khó khăn hơn. Do đó, mức oxy tối đa tăng 0,07 điểm giữa Cấp 1 và Cấp 2 sẽ tạo ra sự thay đổi không cân xứng về đặc tính cơ học chứ không phải là thay đổi cận biên.

Tính chất cơ học cạnh nhau

Được đo theo các giá trị tối thiểu được đảm bảo, Cấp 2 cung cấp độ bền kéo cao hơn khoảng 44% và gần gấp đôi cường độ chảy của Cấp 1 và chỉ cần giảm 4 điểm phần trăm độ giãn dài để đạt được điều đó. Vì hai loại có mật độ giống nhau nên độ bền tăng thêm không bao giờ làm tăng thêm trọng lượng, điều này quan trọng trong hoạt động của cánh quạt, khung máy bay và khung gầm khi khối lượng được ấn định trước.

Khả năng định hình, hàn và gia công

Loại 1 là loại titan nguyên chất mềm nhất về mặt thương mại trong nguồn cung cấp chung và là lựa chọn tự nhiên khi một bộ phận phải được tạo hình thay vì chịu tải: cốc-kéo sâu, các phần được định hình bằng thủy lực, ống trao đổi nhiệt-thành{3}}mỏng, hộp xếp giãn nở và các tấm-tắt phức tạp. Độ giãn dài cao cho phép nó chấp nhận bán kính uốn cong chặt và yêu cầu ủ giữa các giai đoạn ít hơn so với Lớp 2.

Cấp 1: bán kính uốn tối thiểu thường khoảng 1,5 đến 2 lần độ dày tấm trong điều kiện ủ.

Cấp 2: bán kính uốn cong tối thiểu thường bằng khoảng 2 đến 2,5 lần độ dày của tấm và có tác dụng-làm cứng nhanh hơn, vì vậy các hoạt động tạo hình lũy tiến cần bán kính lớn hơn hoặc ủ bổ sung.

Cả hai loại đều được hàn sạch bằng phương pháp khí trơ vonfram hoặc plasma dưới sự che chắn hoàn toàn bằng argon, sử dụng chất độn ERTi{4}}1 hoặc ERTi-2 cho AWS A5.16; Loại 2 dễ tha thứ hơn trong cả hai vì nó ít nhạy cảm hơn với sự thay đổi nhỏ của nhiệt đầu vào.

Việc gia công có thể so sánh được ở hai loại và cả hai đều được phân loại là khó: độ dẫn nhiệt thấp tập trung nhiệt ở lưỡi cắt và mô đun đàn hồi thấp làm tăng độ lệch và tiếng kêu. Các công cụ cacbua cacbua{1}} sắc bén, chắc chắn, bộ cố định chắc chắn và chất làm mát áp suất cao hoặc-cao là thông lệ tiêu chuẩn.

Dịch vụ hàng không vũ trụ và nhiệt độ tăng cao

Khi liên quan đến phần cứng chuyến bay, Cấp 2 được chỉ định thường xuyên hơn Cấp 1. Các thành phần điển hình bao gồm giá đỡ và phụ kiện khung máy bay, giá đỡ đường thủy lực, phụ kiện động cơ, bộ phận-thiết bị hạ cánh, dây buộc và phần cứng đầu nối. Lý do là độ bền được đảm bảo cao hơn, trạng thái mỏi có thể dự đoán được khi chịu tải theo chu kỳ và vi cấu trúc ổn định giúp giữ độ cứng lên đến khoảng 300 độ C khi hoạt động liên tục, bao phủ hầu hết các môi trường khung máy bay và khoang động cơ.

Cấp 1 xuất hiện trong ngành hàng không vũ trụ với một vai trò khác: ống dẫn, tấm chắn nhiệt, khe co giãn và các bộ phận đệm hoặc bịt kín trong đó sự tuân thủ chứ không phải khả năng chịu tải là động lực thiết kế. Chứng nhận cho một trong hai loại thường gắn liền với ASTM B265 hoặc ASTM B348 với khả năng truy xuất nguồn gốc- nhiệt hoàn toàn và đối với phần cứng liền kề có thể cấy ghép hoặc y tế-, ASTM F67 chi phối các yêu cầu về thành phần thuần túy về mặt thương mại.

Đua xe thể thao và chế tạo chung

Motorsport tuân theo logic tương tự với chu trình thiết kế ngắn hơn. Cấp 1 được sử dụng cho hệ thống xả, tấm chắn nhiệt, tấm bảo vệ và-thân xe được chế tạo thủ công trong đó độ dẻo và khả năng hàn quyết định kết quả. Cấp 2 được sử dụng cho tay treo, thanh chống, giá đỡ khung gầm, bộ phận bên trong động cơ và-các ốc vít có ứng suất cao, trong đó cường độ chảy quan trọng hơn khả năng uốn cong.

Lợi thế về trọng lượng là đối số thương mại: liên kết thẳng đứng hoặc treo Cấp 2 mang khoảng 45% khối lượng của một bộ phận thép tương đương ở độ cứng tương đương, trong khi ốc vít thép Cấp 8,8 hoặc 10,9 thường được thay thế bằng ốc vít titan Cấp 2 để tiết kiệm khối lượng ở những vị trí không có lò xo.

Chống ăn mòn và hiệu suất môi trường

Cả hai loại đều dựa trên một màng titan dioxide thụ động dày vài nanomet và hình thành lại ngay lập tức khi bị trầy xước khi có oxy hoặc hơi ẩm. Trong thực tế, hai cấp này hoạt động gần như giống hệt nhau trong môi trường dịch vụ:

Ngâm liên tục trong nước biển và tiếp xúc với-bụi phun muối nhiều lần mà không bị rỗ hoặc kẽ hở trong điều kiện bình thường.

Dòng quy trình chứa clo, hypochlorite và clorua-trong các nhà máy hóa chất và hệ thống khử muối.

Axit oxy hóa và môi trường khử nhẹ, trong đó màng thụ động được duy trì bởi các chất oxy hóa có mặt.

Khí quyển công nghiệp và biển trong nhiều thập kỷ, không cần lớp phủ bảo vệ.

Ba giới hạn đáng được chú ý trong quá trình thiết kế. Titan không thích hợp với axit hydrofluoric, axit khử nóng đậm đặc hoặc clo khô không có nước. Việc ghép điện với thép cacbon hoặc thép không gỉ trong môi trường ẩm ướt phải được quản lý bằng cách cách ly hoặc bằng cách tránh tỷ lệ diện tích cực âm-đến-cực dương lớn. Và sự hấp thụ hydro ở nhiệt độ cao khi có hơi ẩm có thể làm giòn các phần mỏng, đó là lý do tại sao mức hydro tối đa 0,015% được kiểm soát chặt chẽ ở cả hai cấp.

Cách chọn giữa lớp 1 và lớp 2

Chọn Cấp 1 khi mức độ hình thành, khả năng hàn hoặc khả năng chịu va đập quyết định thiết kế hoặc khi bộ phận là vỏ, tấm chắn, ống dẫn hoặc miếng đệm có ít tải trọng kết cấu.

Chọn Cấp 2 khi bộ phận chịu tải trọng kết cấu, khi tuổi thọ mỏi phải được chứng minh hoặc khi có thể đạt được độ dày thành nhẹ hơn với cường độ năng suất cao hơn.

Giữ nguyên cấp có tên trên bản vẽ đã phát hành sau khi quy trình kiểm tra chất lượng và hàn đã được phê duyệt; việc chuyển đổi giữa hai cấp độ sẽ làm thay đổi chất lượng quy trình hàn và đôi khi yêu cầu-chứng nhận lại phần đã hoàn thiện.

Không bao giờ sử dụng hai loại này thay thế cho nhau trong các bộ phận y tế hoặc thiết bị áp lực, trong đó các mức cho phép thiết kế được gắn với thông số kỹ thuật và cấp cụ thể.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Sự khác biệt chính giữa titan loại 1 và loại 2 là gì?
Hàm lượng oxy. Loại 1 được giới hạn ở mức 0,18% oxy và Loại 2 ở mức 0,25%, điều này làm cho Loại 2 có độ căng mạnh hơn khoảng 44% và mạnh hơn gần gấp đôi về năng suất, trong khi Loại 1 giữ độ giãn dài cao hơn và hình thành dễ dàng hơn.

Hỏi: Titan loại 1 và loại 2 có cùng trọng lượng không?
Đúng. Cả hai đều có mật độ 4,51 g/cm3 và cùng mô đun đàn hồi khoảng 102 GPa, do đó việc chuyển đổi cấp độ sẽ thay đổi độ bền và độ dẻo chứ không làm thay đổi khối lượng của một bộ phận giống hệt nhau.

Hỏi: Lớp 1 và lớp 2 có hàn được với nhau không?
Đúng. Cả hai đều là titan alpha với đặc tính hàn tương đương và dây hàn cấp 2 theo tiêu chuẩn AWS A5.16 thường được sử dụng để nối chúng, miễn là quy trình đủ tiêu chuẩn cho loại vật liệu mỏng hơn hoặc có độ bền cao hơn của hai vật liệu.

Hỏi: Lớp nào có khả năng chống ăn mòn cao hơn?
Trong nước biển, clorua và hầu hết khí quyển công nghiệp, sự khác biệt là không đáng kể vì cả hai đều phụ thuộc vào cùng một màng oxit thụ động. Trong trường hợp phụ cấp ăn mòn ảnh hưởng đến độ dày của tường, Loại 1 thường được chọn để có thêm độ dẻo nhỏ và chi phí thấp hơn.

Hỏi: Lớp nào tốt hơn cho việc vẽ sâu?
Loại 1. Độ giãn dài cao hơn ở mức tối thiểu 24% và cường độ năng suất thấp hơn cho phép rút sâu hơn và bán kính uốn cong chặt hơn trước khi nứt, và nó thường cần ít ủ trung gian hơn so với Loại 2.

Hỏi: Những tiêu chuẩn nào bao gồm các sản phẩm máy nghiền Cấp 1 và Cấp 2?
ASTM B265 và ASME SB-265 cho tấm, dải và tấm, ASTM B348 cho thanh và phôi thép, ASTM B337 cho ống liền mạch, ASTM B338 cho ống hàn, ASTM B863 cho dây và ASTM F67 cho cấp y tế của titan nguyên chất thương mại.

Hỏi: Nên sử dụng loại nào ở 300 độ C?
Cấp 2 là lựa chọn thông thường để sử dụng liên tục ở nhiệt độ đó vì nó duy trì được độ bền hữu ích với biên độ lớn hơn Cấp 1, mặc dù đặc tính từ biến và thiết kế mối nối vẫn cần được xem xét để có thể vận hành-lâu dài.