Проектирование деталей из титановых сплавов: прочность, жесткость и обрабатываемость

Начинайте с оценки, а не с геометрии

Детали из титанового сплава выходят из строя из-за стоимости гораздо чаще, чем при эксплуатации, и причиной этого обычно является конструкция, которая игнорирует материал, а не конструкция, которая игнорирует нагрузку. Титан и его сплавы обладают высокой удельной прочностью, превосходной коррозионной стойкостью и плотностью от 4,43 до 4,51 г/см3, но они также обеспечивают низкую теплопроводность, низкий модуль упругости по сравнению со сталью, сильную склонность к истиранию и закупочную цену, в несколько раз превышающую стоимость нержавеющей стали в той же форме. Работоспособный дизайн учитывает все эти факты еще до того, как будет выпущен первый эскиз.

Исходное решение – выбор класса. Коммерчески чистая степень 2 и 4 подходит для деталей, подверженных коррозии-и химической обработки; Марка 5 (Ti-6Al-4V) обеспечивает высочайшую прочность среди обычных деформируемых марок с минимальным пределом прочности на разрыв 895 МПа и минимальным пределом текучести 828 МПа в отожженном состоянии при минимальном удлинении 10 %; Марка 9 (Ti-3Al-2,5V) находится между ними с минимальным пределом прочности на растяжение 620 МПа и минимальным пределом текучести 483 МПа при минимальном удлинении 15%, и ее легче формовать и сваривать, чем марку 5; Класс 12 обеспечивает лучшую стойкость в слабовосстанавливающих химических средах. Прутки и заготовки заказываются по ASTM B348, листы и плиты по ASTM B265, трубы по ASTM B337 или ASTM B338.

Прочность, жесткость и концентрация напряжений

Определяющей чертой титанового дизайна является разрыв между прочностью и жесткостью. Предел текучести марки 5 превышает 800 МПа, однако модуль упругости составляет всего около 114 ГПа, что примерно вдвое меньше, чем у стали. Таким образом, титановая деталь прогибается примерно в два раза больше, чем геометрически идентичная стальная деталь при той же нагрузке, и конструкция часто определяет жесткость, а не прочность.

Сначала спроектируйте жесткость, затем проверьте прочность; Увеличение толщины сечения является плохим решением, поскольку оно также увеличивает массу, что обычно является причиной выбора титана.

Используйте закрытые секции, фланцы, ребра или оболочки, чтобы увеличить второй момент площади вместо увеличения толщины стены.

Избегайте резких смен секций и острых внутренних углов. Титан чувствителен к надрезам, а допустимый для стали коэффициент концентрации напряжений может вдвое сократить усталостную долговечность.

Сохраняйте локальную жесткость сбалансированной. Жесткая бобышка рядом с тонкой перемычкой концентрирует напряжение в перемычке и приводит к преждевременному растрескиванию под действием вибрации.

Помните, что низкий модуль упругости делает титановые детали более склонными к короблению и вибрации во время механической обработки, что необходимо учитывать при установке, а не на чертеже.

Термическое поведение и стабильность размеров

Титан расширяется примерно от 8,6 до 9,2 микрометра на метр на градус Цельсия, что близко к нержавеющей стали, но заметно меньше, чем у алюминия, а его прочность сохраняется примерно до 300 градусов Цельсия для технически чистых марок и выше для легированных марок. Для дизайна следуют три следствия.

В сборках, в которых титан сочетается с алюминием или сталью, рассчитайте дифференциальное расширение при максимальной рабочей температуре и предусмотрите зазор, прорезные отверстия или податливое крепление там, где накапливается несоответствие.

Допуски на обработку должны учитывать искажения. Низкая теплопроводность титана означает, что тепло концентрируется на режущей кромке и в тонких стенках, и детали могут двигаться после освобождения приспособления.

Остаточные напряжения, возникающие в результате механической обработки или сварки, следует снимать с помощью отжига-для снятия напряжения перед окончательной обработкой критических размеров, иначе со временем деталь может выйти из допуска.

Избегайте проектирования тонких титановых полотен, которые находятся непосредственно на пути нагрева, если не смоделирован температурный градиент; низкая проводимость сохраняет одну сторону горячей, а другую прохладной, и возникающий в результате градиент приводит к короблению.

Обрабатываемость и проектирование для производства

Титан примерно на порядок менее электропроводен, чем сталь, поэтому тепло резки не может уйти в стружку и заготовку; тот же низкий модуль позволяет детали отталкиваться от инструмента. Выбор конструкции, снижающий воздействие механической обработки, напрямую снижает затраты.

В цехе титан режется острым-твердосплавным или керамическим инструментом с положительным передним углом, обильным потоком СОЖ или высоким-давлением-сОЖ инструмента, умеренными скоростями резания и постоянной подачей во избежание трения и наклепа. Никогда не позволяйте инструменту оставаться в разрезе. Укажите конструкцию, обеспечивающую жесткое крепление заготовки, поскольку вибрация является основной причиной плохого качества поверхности и короткого срока службы инструмента.

Коррозия, гальваническая связь и водород

Титан устойчив к морской воде, хлоридам, окисляющим кислотам и большинству промышленных сред благодаря пассивной оксидной пленке, но эта пленка не является универсальной защитой. Плавиковая кислота, концентрированные горячие восстановительные кислоты и сухой хлор разрушают титан, а геометрию щелей при работе с застойными хлоридами следует пересмотреть, даже несмотря на то, что титан работает в щелях лучше, чем нержавеющая сталь.

Изолируйте титан от углеродистой стали, нержавеющей стали и графита при работе с мокрыми материалами или регулируйте соотношение площадей так, чтобы площадь титанового анода была небольшой, а площадь катода - большой.

Используйте титановые крепежные детали с титановыми или изолированными сопряженными деталями, чтобы предотвратить гальваническую коррозию в соединениях, подвергающихся воздействию морской атмосферы.

Ограничьте постоянную температуру эксплуатации в-содержащих водород или влажных средах, поскольку поглощение водорода делает титан хрупким; Соответствующим контролем являются пределы содержания водорода максимум 0,015% для технически чистых марок.

Травление или анодирование рекомендуется использовать в тех случаях, когда деталь будет подвергаться тяжелым манипуляциям или эксплуатироваться с высоким контактным напряжением, поскольку загрязнение поверхности и налеты железа снижают коррозионную стойкость.

Свариваемость, соединение и обработка поверхности

Сплавы марки 5 и другие альфа-бета-сплавы труднее сваривать, чем технически чистые марки: они требуют защиты инертным газом с обеих сторон, тщательного ввода тепла и часто после-термической обработки после сварки, а зона сварного шва теряет пластичность по сравнению с основным металлом. Если сварка занимает центральное место в конструкции, более экономичным выбором является класс 9 или коммерчески чистый класс 2.

Для соединений, которые не подлежат сварке, альтернативой являются механическое крепление, пайка в контролируемой атмосфере или клеевое соединение с должным образом подготовленной поверхностью, и каждый из них налагает свои собственные правила проектирования в отношении краевого расстояния, расположения отверстий и подготовки поверхности. Обработка поверхности, которую стоит указать, включает травление для удаления альфа-корпуса, оставшегося в результате горячей обработки или сварки, анодирование для обеспечения износостойкости и идентификации, дробеструйную обработку для создания сжимающих напряжений в критических усталостных-скруглениях и азотирование только там, где износостойкость оправдывает потерю коррозионной стойкости.

Стоимость и срок службы-Экономика цикла

Титановые детали должны быть оправданы на протяжении всего срока службы оборудования, а не по первоначальной стоимости. Премия за материал обычно окупается за счет устранения допусков на коррозию, снижения затрат на техническое обслуживание, увеличения интервалов между проверками и, в случае вращающегося или возвратно-поступательного оборудования, снижения нагрузок,-связанных с массой. Практические правила, которые позволяют контролировать надбавку, включают использование самого низкого сорта, который удовлетворяет условиям нагрузки и коррозии, консолидацию деталей для удаления крепежных элементов и соединений, а также указание стандартных размеров запасов.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Что является наиболее важным моментом при проектировании деталей из титановых сплавов?
Жесткость, а не сила. Поскольку модуль упругости примерно вдвое меньше, чем у стали, прогиб обычно определяет конструкцию, поэтому геометрию сечения необходимо выбирать так, чтобы обеспечить жесткость без увеличения массы.

Вопрос: Почему титан сложно обрабатывать и что должен отражать чертеж?
Низкая теплопроводность удерживает тепло при резке на кромке, а низкий модуль упругости позволяет детали отклоняться, вызывая вибрацию, истирание и быстрый износ инструмента. На чертеже следует избегать глубоких узких карманов, сохранять умеренное соотношение глубины-к-ширине и оставлять жесткие допуски только для функциональных поверхностей.

Вопрос: Как защитить титановую деталь от гальванической коррозии?
Изолируйте его от стали, нержавеющей стали и графита при работе с мокрыми средами, используя изолирующие шайбы, втулки или покрытия, и избегайте конструкций, в которых большая катодная площадь обращена к небольшой площади титана, что ускоряет коррозию.

Вопрос: Какую марку титана легче всего обрабатывать и сваривать?
Коммерчески чистые марки 2 и 9, Ti-3Al-2,5V, являются наиболее щадящими. Марка 5, Ti-6Al-4V, обеспечивает высочайшую прочность, но требует более жесткого контроля процесса во время сварки и формовки.

Вопрос: Нужна ли титану термическая обработка после сварки?
Коммерчески чистые сорта, как правило, этого не делают, при условии, что сварной шов надлежащим образом защищен и очищен. Альфа-бета-сплавы, такие как класс 5, обычно улучшаются после-снятия напряжений или отжига, и эта процедура должна быть квалифицирована для конкретного соединения.

Вопрос: Как можно снизить стоимость материала титановой детали?
Выбрав самый низкий подходящий сорт, проектируя формы, близкие к-чистым, чтобы меньше металла превращалось в стружку, консолидируя сборки для уменьшения количества соединений и крепежных деталей, используя стандартные размеры заготовки, а также ослабляя допуски и обработку поверхности, которая не требуется с функциональной точки зрения.

Вопрос: Какие стандарты применяются к титановым пруткам, пластинам и трубкам?
ASTM B348 для прутков и заготовок, ASTM B265 для листов, полос и пластин, ASTM B337 для бесшовных труб и ASTM B338 для сварных труб с соответствующими обозначениями ASME SB, используемыми для оборудования, работающего под давлением.