Титанови сплави в отбранителната технология: Избор на степен, спецификации на AMS и ASTM

Защо титаниевите сплави са определени за{0}}критичен защитен хардуер

Титанът се намира в тясна, но решаваща група от отбранително инженерство. Той е с приблизително 40 процента по-лек от стоманата при сравнима здравина, запазва използваемите механични свойства от криогенни температури до около 400 C за сплавта клас 5 на работния кон и възстановява пасивния си оксиден филм мигновено след надраскване, така че морският-съдържащ хлорид въздух и солните пръски не му правят нищо. За полезен товар за търгуване на програмен офис спрямо обхват и сервизен интервал, тези три свойства се конвертират директно в спестени килограми и по-малко проверки на-ниво на депо.

Недостатъкът е цената. Вакуумно{1}}разтопеният титанов слитък остава няколко пъти по-скъп на килограм от структурна стомана или алуминий, а разходите за преобразуване са по-лоши, тъй като металът провежда топлина при само около 6,7 W/mK, приблизително една седма от въглеродната стомана, и се-втвърдява агресивно. Ето защо титанът се прилага селективно: фитинги, крепежни елементи, хидравлични линии, горещи секции на двигателя, колесник, изпускателни конструкции, бронирани плочи и хардуер за боеприпаси, а не цели корпуси.

Кои сплави всъщност се използват и къде

Четири фамилии сплави покриват повечето отбранителни нужди. Класове на търговска чистота от 1 до 4 се справят с корозия и лека структура. Степен 5, Ti-6Al-4V alpha-beta сплав, е-структурният работен кон с общо предназначение. Избират се почти алфа сплави като Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, където устойчивостта на пълзене и якостта при повишена температура имат значение. Метастабилните бета сплави предлагат най-дълбока закаляемост и най-здраво оформяне за сложни листови части.

Степен 5 е базовата линия, спрямо която се оценява всичко останало, и нейните изисквания са добре документирани. ASTM B348 определя минимална якост на опън от 895 MPa, еквивалентна на 130 ksi, и минимална граница на провлачване от 0,2 процента от 828 MPa, или 120 ksi, за пръти и заготовки в отгрято състояние, с минимално удължение от 10 процента. Плочата и листът от една и съща сплав попадат в обхвата на ASTM B265, който прилага един и същ якостен под, като същевременно затяга толерансите на размерите на дебелината, ширината и плоскостта.

Правилно четене на спецификационната рамка

Снабдяването в областта на отбраната се извършва на дву{0}}система за документи. Спецификациите на обществото определят самия материал: ASTM B265 за лист, лента и плоча, ASTM B338 за тръба, ASTM B348 за пръти и заготовки, ASTM B381 за изковки и ASTM B363 за фитинги и техните WPT ковани обозначения. След това спецификациите на аерокосмическите материали добавят контрол на процеса към изискванията за химия и опън. AMS 4911 управлява Ti-6Al-4V листове, ленти и плочи в отгрято състояние, AMS 4928 обхваща пръти, тел и изковки от същата сплав, а AMS 4975 управлява почти алфа продукта Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo.

Практическата последица е, че поръчката за покупка трябва да посочи и двата документа. Плоча, която отговаря на химическия състав на ASTM B265, все още може да бъде отхвърлена съгласно AMS 4911 поради клас на ултразвукова инспекция, алфа ограничения на повърхността или термично{3}}контрол на партидата. Купувачите, които цитират само една референция, редовно получават материали, които не могат да бъдат освободени от отдела за качество на клиента.

Когато завършеният артикул е граница на налягането, ASME BPVC Раздел VIII Раздел 1 става управляващ строителен код, а обозначенията ASME SB-265 и SB-348 отразяват техните аналогове ASTM. Раздел II, част D предоставя стойностите на допустимото напрежение, използвани за изчисляване на дебелината на стената, и тези стойности спадат бързо над 300 °C.

Производствени маршрути и проблемът Buy{0}}to-Fly

Ценовият профил на Titanium е доминиран от преработката, а не от суровината. Кованата и машинно обработена конструкция на корпуса на самолета обикновено започва като изковка, която е шест до десет пъти по-голяма от масата на завършената част, а агресивните програми имат исторически приети съотношения над 20:1 при силно натрупана геометрия. Всеки килограм от машинната стружка представлява енергия, която вече е изразходвана за топене, коване и термична обработка.

Производството с метални добавки атакува директно това съотношение. Лазерното сливане на прахово легло и насоченото отлагане на енергия изграждат почти-нетни форми от клас 5 или клас 23 прах и могат да намалят съотношението куп-към-полет под 3:1 на скоби, канали и компоненти на двигателя. Търговията е, че частите от прахообразно легло се нуждаят от горещо изостатично пресоване, за да се затвори вътрешната порьозност, и същите критерии за приемане на AMS и ASTM все още се прилагат за готовия материал, заедно с прахообразните химически ограничения за кислород и азот, които са по-строги от тези за ковано изделие.

Конвенционалните маршрути остават от съществено значение. Прътите и заготовките се доставят съгласно ASTM B348 в загрято състояние или в-обработено и състарено състояние, тръбата съгласно ASTM B338 или ASTM B861 за безшевни тръби и листът съгласно ASTM B265 с дебелина до 0,3 mm за горещи структури и термично екраниране.

Инспекция, проследимост и пакет от документи

Материалите за отбрана се купуват колкото на документи, толкова и на имоти. Типичният пакет за освобождаване включва протокол от теста на мелницата с топлинно число и пълен химичен анализ, резултати на опън и провлачване със записан метод на изпитване, ултразвукова или радиографска инспекция за приложимия клас AMS, оценка на структурата на зърното и микроструктурата, където е посочено, траектория на твърдостта на изковките и сертифициране на размерите спрямо чертежа. Материалът обикновено се доставя в съответствие с EN 10204 тип 3.1 с пълна проследимост от слитъка до завършената част.

Два режима на повреда заслужават внимание при покупка. Първият е алфа случай, твърд{1}}обогатен с кислород повърхностен слой, образуван по време на гореща обработка или термична обработка във въздуха; той е крехък, напуква се при умора и трябва да бъде отстранен чрез химическо фрезоване преди крайната обработка. Второто е поглъщането-на водород, поради което спецификациите на ASTM ограничават водорода до 0,015 процента за повечето степени и 0,0125 процента за няколко форми на продукта. Нито един от дефектите не може да бъде открит чрез визуална проверка, така че планът за проверка трябва да бъде записан в поръчката, а не да се предполага.

Често задавани въпроси

Q:Кой клас титан е изборът по подразбиране за отбранителен структурен компонент?
A: Степен 5, Ti-6Al-4V, доставен съгласно ASTM B265 за плочи и листове, ASTM B348 за пръти и заготовки и AMS 4911 или AMS 4928, когато се изисква контрол на аерокосмическия процес. Той предлага най-добрия наличен баланс на здравина, издръжливост, заваряемост и дълбочина на веригата за доставки.

Q:Каква е максималната работна температура за титан в отбранително приложение?
О: За степен 5 практическата дългосрочна-граница е около 400 C, над която пълзенето и окисляването се ускоряват. Почти -алфа сплави, като Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo по AMS 4975, разширяват този таван, но допустимите стойности на напрежение, публикувани в ASME BPVC, раздел II, част D, падат рязко над 300 C за всеки клас титан.

Q:Може ли титанът да се заварява на място?
О: Да, но само със защита от инертен газ, която покрива заваръчната вана, задния ръб и задната страна на съединението. Титанът абсорбира кислород и азот над приблизително 400 C и образува крехък алфа корпус, така че заваряването с отворен-въздух без продухваща камера създава съединения, които не издържат на огъване и радиографски тестове.

Q:Как адитивното производство променя снабдяването с титан?
О: Намалява съотношението buy{0}}to-fly от диапазона 6:1 до 20:1, типичен за кованите и машинно обработени части до под 3:1, и позволява вътрешни охлаждащи канали, които не могат да бъдат машинно обработени. Той също така прехвърля отговорността за свойствата на материала на доставчика на праха и процеса на изграждане, така че химията на праха, разпределението на размера на частиците и записите за горещо изостатично пресоване стават част от пакета за приемане.

Q:Какви граници на водород и кислород трябва да провери купувачът в сертификата на мелницата?
О: За степен 5 по ASTM B348 ограниченията са 0,015 процента максимум водород и 0,20 процента максимум кислород. Степен 23 ELI стяга кислорода до 0,13 процента и водорода до 0,0125 процента. Кислородът над спецификацията повишава якостта, но разрушава пластичността и якостта на счупване.

Q:Защо титанът е посочен за броня, а не стомана?
О: Титановата броня предлага значително по-добро съотношение -към-тегло и на единица повърхностна плътност може да надмине валцованата хомогенна броня срещу заплахи от взривове и фрагменти, което е важно за въздушни и амфибийни платформи, където всеки килограм влияе на полезния товар. Санкцията е много по-висока цена на квадратен метър.