Procesy zpracování titanu a slitin titanu za tepla

Systematické shrnutí a vysvětlení čínské procesy zpracování titanu a slitin titanu za tepla byly vyrobeny materiály.

Titan a titanové slitiny mají vynikající komplexní vlastnosti, jako je vysoká měrná pevnost, měrný modul, houževnatost, vysoká odolnost proti korozi, odolnost proti vysokým teplotám, svařitelnost a nemagnetismus. Jsou široce používány v různých oblastech, jako je letectví, kosmonautika, stavba lodí, ropný průmysl, chemický průmysl, zbrojní průmysl, elektronika a lékařská péče. V 60. letech 20. století průmyslově vyspělé země, jako jsou Spojené státy, Velká Británie a bývalý Sovětský svaz, hojně používaly titan a materiály ze slitin titanu při výrobě letadel a leteckých motorů. V čínském leteckém průmyslu se titan a materiály ze slitin titanu začaly používat poměrně pozdě. V 80. letech 20. století se postupně začalo používat malé množství titanu a materiálů ze slitin titanu při výrobě letadel a leteckých motorů. Po vstupu do 21. století se však úroveň použití titanu a materiálů ze slitin titanu v čínském leteckém průmyslu výrazně zlepšila. Po téměř 40 letech úsilí bylo v Číně dosaženo významného pokroku v oblasti mikrostruktury slitin, technologie zpracování, legování a dalších technologií. Zejména v posledních 20 letech se díky výzkumu v technické praxi a průzkumným zkouškám výzkumných pracovníků z různých výzkumných ústavů, profesionálních výrobců a univerzit vytvořil v Číně poměrně ucelený technologický systém zpracování titanu a slitin titanu za tepla.

1. Klasifikace titanu a slitin titanu

Metody klasifikace titanu a slitin titanu zahrnují McGellenovu klasifikaci, klasifikaci podle koeficientu stability β a klasifikaci podle definice v GB/T 6611-2008. V literatuře existují určité rozdíly v klasifikaci titanu a titanových slitin, ale obecná klasifikace je jednotná. Zde je stručný úvod do McGovernovy klasifikace. Tato klasifikační metoda je McGovernova klasifikační metoda z roku 1956 podle fázového složení titanu a stavu žíhání slitiny titanu. Původně byly titan a slitiny titanu zhruba rozděleny do tří kategorií: slitiny typu α, slitiny typu α + β a slitiny typu β. Zpočátku se slitiny titanu a titanu dělily na tři kategorie. S rychlým rozvojem výzkumu a aplikací titanu a titanových slitin však existuje stále více typů titanových slitin a omezení této klasické McGovernovy klasifikační metody jsou stále větší. Proto potomci na tomto základě titan a slitiny titanu zdokonalili a rozdělili do pěti kategorií: Základní strukturou titanu a slitin titanu po žíhání je fáze α, která se nazývá slitina typu α. Z tohoto důvodu se titan a slitiny titanu po žíhání dělí na pět kategorií. Základní strukturou po žíhání je fáze α + fáze β, ale fáze α se většinou nazývá slitina blízká typu α. Základní struktura po žíhání je fáze α + fáze β, která se nazývá slitina typu (α + β). Základní strukturou po žíhání je fáze β, ale existuje určitá fáze α, která se nazývá slitina typu near β. Základní strukturou po žíhání je fáze β, což je slitina typu β.

2. Struktura titanu a slitin titanu

2.1 Mikrostruktura titanových slitin typu blízkého α a α + β

2.1.1 Weinsteinova organizace

Obecně se jedná o strukturu titanu a slitiny titanu v odlitku nebo o počáteční teplotu deformace slitiny titanu a koncovou teplotu v oblasti fáze β, deformace není příliš velká (obecně menší než 50%), nebo když se slitina zahřeje na fázi β a poté se pomalu ochladí, získá se struktura widmanstatten. Widmanstattenova struktura je charakterizována hrubými původními zrny β a na původní hranici zrn β se rozkládá zřetelná hranice zrn α. Původní krystal β je lamelární doménou paprsku α a lamelární α je fáze β, jak je znázorněno na obr. 1 (a).

2.1.2 Organizace čistého koše

Slitina titanu se deformuje v blízkosti teploty přechodu β nebo se začíná deformovat v oblasti fáze β, ale deformace končí v dvoufázové oblasti a velikost deformace je 50%-80%. Košová struktura je charakterizována destrukcí původní hranice zrn β během procesu deformace; neobjevuje se žádná nebo jen malá část hranice zrn α a list α v původním zrnu β se zkracuje (tj. poměr stran je malý), velikost domény paprsku α je malá. Shluky se prolínají, jak je znázorněno na obr. 1 (b).

2.1.3 Smíšená organizace

Slitina titanu je deformována v horní části dvoufázové oblasti nebo po deformaci v dvoufázové oblasti; je zahřátá na horní teplotu dvoufázové oblasti a poté ochlazena vzduchem, aby se získala smíšená struktura. Smíšená struktura je charakterizována rozložením nespojitých primárních částic α na transformační matrici β a jejich počet je menší než 40% (v literatuře definováno jako 50%). Ve smíšené struktuře existují dvě formy α: jedna je primární rovnostranná částice α a druhá je sekundární pás α na transformační matici β. Většinou se v literatuře označuje jako dvoustavová organizace. Přesto je vzhledem k vývoji třístavové organizace založené na dvoustavové organizaci v 90. letech 20. století vhodnější nazývat ji smíšenou organizací, která zahrnuje dvoustavovou a třístavovou organizaci. Výraz třístavové organizace: (α + α + β) organizace, charakteristiky: α ≈ 10%-20%, α ≈ 60%-70% a chaotické prolínání, jak ukazuje obr. 1 (c).

2.1.4 Izometrická struktura

Rovnoramennou strukturu lze obecně získat při deformaci titanové slitiny v dvoufázové oblasti pod teplotou vzniku bimodální struktury (přibližně 30-60 °C pod bodem fázového přechodu β). Rovnovážná struktura je charakterizována rovnoměrným rozložením rovnovážné primární α matrice s obsahem více než 40% a existuje určité množství β struktury. Čím nižší je deformační teplota, tím větší je hustota primárních α a dislokací. Obsah rovnoosé primární α určuje především smíšenou strukturu a rovnoosou strukturu. V literatuře je definováno, že obsah rovnoramenné primární α je větší než 50%. V současné době se však uznává, že obsah primárního rovnoramenného α je více než 40%, dokonce vyšší až 70%-80%. Morfologie primárních rovnoramenných α zahrnuje kulovité, eliptické, olivovité, tyčinkovité a dlouhé proužky. Rovnoramenná struktura = (α + β) = (α + α + β). Matice β zahrnuje jemné širokopásové α a černé dno mezi jemnými pásy je zbytkové β, jak je znázorněno na obr. 1 (d).

2.2 Mikrostruktury titanu a slitin titanu typu α a β

Typickou mikrostrukturou titanu a slitiny titanu typu α je jedno zrno α, jak je znázorněno na obr. 1 (e); typickou mikrostrukturou slitiny titanu typu β je jedno zrno β, jak je znázorněno na obr. 1 (f). Vlastnosti titanu a titanových slitin jsou určeny jejich mikrostrukturou a mikrostruktura titanu a titanových slitin je dána především tepelným zpracováním (kováním, tepelným zpracováním).

3. Kování titanu a slitin titanu

3.1 Účel kování

3.1.1 Zlepšení mikrostruktury a vlastností

Nejoriginálnější polotovar pro titan a slitinu titanu kování je ingot. Během proces kování, dochází k deformaci a rekrystalizaci struktury odlitku. Z původních hrubých dendritů a sloupcovitých zrn se stávají rovnoramenné rekrystalizované struktury s jemnými zrny a jednotnou velikostí. Současně původní segregace, pórovitost, póry a trhliny v ingotu zhušťují strukturu kovu a zlepšují plasticitu a mechanické vlastnosti kovu.

3.1.2 Změna tvaru a velikosti

Aby bylo možné získat požadované specifikace a rozměry polotovaru, je třeba toho dosáhnout vhodnou kovářskou deformací.

3.2 Volné kování titanu a titanových slitin (výroba sochorů)

Takzvané volné kování je metoda kování, při níž tok kovu není omezen nebo není zcela omezen ve směru kolmém na deformační sílu. Hlavní výhodou volného kování je, že není třeba žádná kovací zápustka, díly jsou rychle uvedeny do výroby a velikost a hmotnost dílů není omezena. Nevýhodou je, že nelze kovat výkovky se složitými tvary a vysokými požadavky na rozměrovou přesnost, míra využití materiálu je nízká a efektivita výroby by mohla být vyšší. Volné kování je vhodné pro výrobu kusových a malosériových výkovků.

Obr.1 Typické mikrostruktury titanu a slitin titanu
Volné kování titanu a slitin titanu zahrnuje především kování ingotů, kování tyčí, kování desek, kování kroužkůa kování polotovarů. Při výrobě výrobků z titanu a slitin titanu, kroužků, výkovky, atd. Jsou dále zpracovávány za tepla (kované atd.) na základě kvalifikovaných tyčí. Výroba tyčí je proto klíčem k výrobě výrobků z titanu a slitin titanu.

3.2.1 Zahřívání kování titanu a slitin titanu

Titan a slitiny titanu mají vlastnosti alotropické přeměny. Když jsou titan a slitiny titanu v pevném stavu, mění se krystalová struktura jejich atomového uspořádání se změnou teploty (mikrostrukturní přeměna). Při pokojové teplotě převládá α-Ti (fáze α) těsně uspořádaného hexagonálního krystalu a při vysoké teplotě převládá β-Ti (fáze β) tělesově soustředěného kubického krystalu. Když teplota ohřevu překročí určitou teplotu, α-Ti (α fáze) těsně uspořádaného hexagonálního krystalu v titanu a slitině titanu se zcela přemění na β-Ti (β fázi) tělesově soustředěného krystalu krychle, což se nazývá teplota β přechodu (bod fázového přechodu). Pro hexagonální těsně zabalený krystal existuje pouze jedna krystalová rovina s nejhustším uspořádáním atomů, rovina {0001}. Rovina skluzu může mít tři směry skluzu, takže počet skluzových soustav je 1 × 3 = 3. Protože titan a slitiny titanu jsou převážně α-Ti (fáze α) hexagonálního těsně baleného krystalu při pokojové teplotě, má většina titanu a slitin titanu špatné vlastnosti při zpracování za studena. β-Ti (fáze) je tělesově soustředěný krystal kubického tvaru. V krystalu tělesově centrované krychle je šest krystalových rovin {110} s nejhustším uspořádáním atomů; každá z nich má dva směry skluzu, takže počet skluzových soustav je 6 × 2 = 12. V tělesově centrovaném krystalu krychle je 48 hlavních kluzných rovin a vedlejších kluzných rovin. Proto je plasticita titanu a titanových slitin lepší a po zahřátí na vysoké teploty se výrazně snižuje deformační odolnost, což je výhodné pro kovářskou deformaci.
Proto jsou téměř všechny titanové slitiny kovány za tepla. Při kování titanu a titanových slitin se kvůli struktuře odlitku, špatné plasticitě, příliš velkému tvaru ingotu a velké ploše deformačního napětí obvykle zahřívá při teplotě 100-200 °C nad teplotou přechodu β, aby se účinně zlepšila plasticita při práci za tepla a výrazně se snížil deformační odpor na jednotku plochy. V následném procesu kování se teplota ohřevu postupně snižuje oproti kování polotovaru, dokud není teplota přechodu β nižší. Metoda procesu se vyznačuje vysokou výtěžností, rovnoměrnou strukturou a vysokými nároky na tonáž zařízení. Někteří výrobci titanu a titanových slitin však používají proces ohřevu a kovářské deformace přímo do dvoufázové zóny po dokončení otevření polotovaru. Nevýhodou tohoto procesu je nízká výtěžnost a nerovnoměrná struktura, je však vhodný pro výrobu malých zařízení. Konkrétní proces výrobců titanu a titanových slitin se bude lišit. Většina specifických postupů vychází z praktických zkušeností a zkušebních údajů, které nashromáždili sami výrobci. Vzhledem ke špatné plasticitě widmanstattenové struktury nebo košíkové struktury získané deformací nad teplotou přechodu β se ve většině technických norem výrobků obecně požaduje, aby mikrostruktura tyčí ze slitiny titanu typu blízkého α a α + β byla rovnoměrná nebo smíšená struktura s dobrou plasticitou. Proto se v pozdější fázi kování tyčí z titanu a slitin titanu zahřívají 2-3 ohně nebo i více a kují se při teplotě 20-60 °C pod bodem fázového přechodu.
Tepelná vodivost titanu je malá a činí 1/15 tepelné vodivosti hliníku a 1/5 tepelné vodivosti železa. Proto je nutné předehřívat předvalky titanu a slitin titanu o průměru (tloušťce) větším než 300 μs při nízkých teplotách, aby se zabránilo vnitřnímu praskání předvalku. Současně není snadné titan a slitiny titanu udržovat příliš dlouho při vysokých teplotách, aby nedošlo ke zhoršení struktury. Proto se při zahřívání titanu a titanových slitin obvykle zvyšuje teplota prázdné pece na předem stanovenou teplotu a poté se zahřívá naložený polotovar. Doba udržování ohřevu titanu a titanových slitin se obvykle počítá podle tloušťky 0,5-0,8 min/mm; nejdelší doba udržování není obvykle delší než 1,2 min/mm a horký stav se sníží na polovinu. Protože teplota ohřevu je citlivá na přeměnu titanu a titanových slitin, kování titanu a titanových slitin se obvykle ohřívá odporovou pecí s přesností regulace teploty (±10-15) °C. Avšak vzhledem k hrubé struktuře odlitku, která vzniká přímým tuhnutím tekutého kovu, není přesnost regulace teploty ohřívací pece vysoká. Proto lze kování sochorů ohřívat reverberační pecí na tuhá paliva, olejovou pecí, pecí na zemní plyn atd., ale musí být v oxidační atmosféře. 

3.2.2 Kovací deformace na oheň titanu a slitiny titanu 

Na stránkách kovářská deformace titanu a slitiny titanu je obecně větší než 60%-75%, kovářská deformace mezipaliva je obecně kontrolována na 40%-75% a kovářská deformace hotového výrobku je kontrolována na více než 20%. 
Při kování titanu a titanových slitin volným kovářským kladivem s vysokou rychlostí kování je třeba zohlednit tepelný účinek v procesu kování. Vzhledem ke špatné tepelné vodivosti titanu a titanových slitin a k tomu, že teplota je velmi citlivá na jejich mikrostrukturu, deformační teplo jádra tyče během procesu kování na kladivu snadno způsobí, že se místní teplota slitiny přiblíží teplotě přechodu β nebo ji překročí, což vede k přehřátí struktury jádra. Proto nelze při kování na kladivu pro výrobky z titanu a slitin titanu s organizačními a výkonnostními požadavky trvale tvrdě zasahovat do přediva.

3.2.3 Způsob chlazení po kování titanu a kování slitin titanu 

V tradičním procesu je metodou chlazení titanu a slitiny titanu po kování chlazení vzduchem. Po zahřátí a kovářské deformaci v bodě fázového přechodu je mikrostruktura titanové slitiny blízké typu α a titanové slitiny typu α + β tvořena malým množstvím primární rovnoměrné fáze α a velkým množstvím fáze β při vysokých teplotách. Když se výkovek po kování ochladí vzduchem, s poklesem teploty kování se většina stabilní fáze β v mikrostruktuře při vysoké teplotě postupně přemění na stabilní fázi α při pokojové teplotě. To znamená, že během procesu chlazení vzduchem po kování malé množství primární rovnoměrné fáze α v mikrostruktuře s poklesem teploty postupně roste nebo agreguje. Velké množství vysokoteplotní fáze β se s poklesem teploty postupně mění na pásovou fázi α a zbytkovou fázi β. Pásová fáze α postupně roste, zhušťuje se a dokonce agreguje. Tento jev nepřispívá ke zlepšení mikrostruktury a vlastností. Kromě toho je rychlost ochlazování mezi povrchem a jádrem sochoru velmi rozdílná a konzistence mikrostruktury a vlastností na sochoru je velmi nízká. kříž-sekce je špatná. Podobně u jednofázového titanu a slitiny titanu způsobí chlazení vzduchem růst jednofázových zrn a zhorší se konzistence vnitřní a vnější velikosti zrn.
Vzhledem k výše uvedeným nedostatkům přijali v posledních letech někteří výrobci titanu a titanových slitin proces chlazení vodou po kování titanových a titanových slitinových předvalků a mezipředvalků. Po kování se slitina titanu blízká α a slitina titanu α + β chladí vodou, která má vysokou rychlost chlazení a velké podchlazení. Na jedné straně malé množství primárních rovnoramenných α ve vysokoteplotní struktuře nemá dostatek času na růst; na druhé straně rychlé chlazení způsobuje, že velké množství vysokoteplotních β fází se příliš pozdě přemění na stabilní pásové α fáze postupně a není čas na to, aby nové pásové α fáze rostly a hrubly. Proto jsou primární rovnoramenné fáze α a pásové fáze α v mikrostruktuře vzniklé při chlazení vodou po kování menší než fáze vzniklé při chlazení vzduchem po kování. Z experimentu je patrné, že chlazení vodou po kování může nejen zjemnit vysokofázovou strukturu titanu a slitiny titanu, ale také zjemnit její nízkofázovou strukturu. Krystalové defekty (dislokace, subzrna) a deformovaná mikrostruktura se zvýšenou hustotou dislokací byly ochlazením vodou po kování zcela nebo částečně fixovány na pokojovou teplotu, což zvýšilo velký počet krystalových jader pro rekrystalizaci během následného tepelného zpracování. Během následného tepelného zpracování se mechanismus precipitace fáze β změnil z mechanismu indukované nukleace při chlazení vzduchem na režim nezávislé nukleace a vznikly jemné, chaotické a propletené pásy primární α a sekundární α, které mohly výrazně zlepšit pevnost. Podobně u jednofázového titanu a titanové slitiny vodní chlazení potlačí její jednofázový růst zrn a vnitřní a vnější konzistence velikosti zrn je dobrá. 

3.2.4 Kontrola fáze ve slitinách titanu typu α a α + β

Volné kovací výrobky z titanové slitiny typu blízkého α a titanové slitiny typu α + β obecně vyžadují, aby jejich mikrostruktura byla rovnoměrná nebo smíšená, a je v nich požadován obsah primární fáze α. Například norma GJB493-88 stanoví, že obsah primární fáze α v tyči pro rotorovou lopatku by neměl být menší než 30%, obsah primární fáze α v tyči pro statorovou lopatku by neměl být menší než 25% a je požadována velikost dlouhého pásu α. V případě, že je obsah primární fáze α v tyči pro rotorovou lopatku menší než 30%, je požadována velikost dlouhého pásu α. Dlouhý pás α tyče pro rotorovou lopatku je menší než 0,06 mm a dlouhý pás α tyče pro statorovou lopatku je menší než 0,08 mm. Například" HB5432-89 výkovky z titanové slitiny TC4 pro letadla" stanoví, že obsah primárního α ve struktuře s vysokým zvětšením volných výkovků by neměl být menší než 15%, obsah primárního α ve struktuře s vysokým zvětšením zápustkových výkovků by měl být 15%-55% a dlouhý pás α by neměl být větší než 0,2 mm. Například norma GJB1538 stanoví, že dlouhý proužek α v tkáni s vysokým zvětšením o průměru větším než 150 nepřesahuje 0,25 mm. Vezmeme-li jako příklad výrobu dvoufázové tyče z titanové slitiny α + β TC4, klíčem k získání tyče, která splňuje požadavky GJB493-88, je kontrola teploty ohřevu kování a deformace: Čím blíže je teplota kovacího ohřevu hotového výrobku teplotě přechodu β, tím menší je počet primárních α v mikrostruktuře slitiny, tím horší je plasticita a tím vyšší je pevnost; čím delší je doba kování a čím větší je deformace slitiny pod teplotou přechodu β, tím jemnější, rovnoměrnější a sférickému tvaru bližší jsou primární α v mikrostruktuře slitiny.
Většina tyčí, kroužků, koláčů a dalších výrobků ze slitiny titanu vyžaduje ultrazvukové testování. Struktura α Widmanstatten a košíkové vazby je hrubě soustružená a její hranice zrn je zřetelnější. Při ultrazvukovém zkoušení útlum slitiny a úroveň odrazu spodní vlny snadno překračují požadavky normy na defektní vlnu a je obtížnější odhalit metalurgické vady slitiny. Proto většina technických norem neumožňuje dodávat výrobky ze slitiny titanu v těchto dvou strukturních stavech. U rovnozrnné a smíšené struktury dochází v důsledku velké deformace při kování k tomu, že hranice zrn α je zcela porušena a sféroidizována, primární α v krystalu je rovněž zcela sféroidizována a sekundární lamela α se stává velmi krátkou. Hranice zrn slitiny již téměř neexistuje (při prohlídce při malém zvětšení je znázorněn rozmazaný krystal). Proto je útlum při ultrazvukové detekci vad velmi malý. Je snadné detekovat malé metalurgické vady požadované normou. Rovnovážná nebo smíšená struktura je při výrobě titanových materiálů nejžádanější. 

3.3 Zápustkové kování (u titanové slitiny typu α a α + β) 

Takzvané zápustkové kování je metoda kování kovového polotovaru v drážce kovacího modelu. Výhody zápustkového kování spočívají v tom, že lze kovat výkovky složitých tvarů s vysokou rozměrovou přesností, vysokým využitím materiálu, vysokou efektivitou výroby, vynikajícími mechanickými vlastnostmi a dobrou stabilitou kvality, což je vhodné pro hromadnou výrobu. Nevýhodou je, že je třeba použít profesionální výrobní cykly forem, které jsou dlouhé, a investice do zařízení a forem jsou vysoké.
Zápustkové výkovky většinou zpracovávají díly používané v leteckém průmyslu, takže zápustkové výkovky ze slitiny titanu jsou v leteckém průmyslu široce používány. Konvenční kování α + β, kování blízko β, kování pod β a kování plné β titanové slitiny, které se často zmiňuje v různých druzích literatury, se obecně vztahuje na hotový proces zápustkového kování (typu blízko α, typu α + β) titanové slitiny. Předvalky používané při zápustkovém kování hotových výrobků ze slitiny titanu jsou obecně kvalifikované předvalky s rovnoměrnou nebo smíšenou mikrostrukturou vyrobené volným kováním. 

3.3.1 Konvenční kování α + β

Konvenční proces kování α + β titanové slitiny HB/Z 199-91 je definován jako kování po zahřátí v oblasti fáze α + β pod teplotou fázového přechodu β 25-50 °C nebo nižší. Konvenčním kováním se obecně získává rovnotlaká nebo smíšená struktura s dobrou plasticitou při pokojové teplotě a tepelnou stabilitou, ale špatnými vysokoteplotními vlastnostmi, lomovou houževnatostí a odolností proti šíření trhlin. V současné době se tímto postupem vyrábějí převážně výkovky ze slitin titanu typu α a α + β. Více než 80% výkovků ze slitiny titanu v čínských leteckých motorech se vyrábí tímto konvenčním procesem kování α + β.

3.3.2 Kování blízké β

Definice procesu kování slitiny titanu v blízkosti β v navigační značce HB/Z 199-91 je kování po zahřátí na teplotu 10-15 °C pod bodem fázového přechodu β. Výkovky ze slitiny titanu vyrobené konvenčním kováním α + β mají vysokou plasticitu při pokojové teplotě a tepelnou stabilitu, ale špatné vlastnosti při vysokých teplotách, únavové vlastnosti a lomovou houževnatost. Proto byly v 80. letech 20. století v továrně Aerospace 148 studovány konvenční α + β výkovky, výkovky blízké β výkovkům a β výkovky z titanové slitiny TC11 kompresorového disku leteckého motoru. Mikrostruktura získaná při zkoušce kováním blízkým β je přibližně 20% rovnoměrně rozložená primární fáze α na matrici s krátkou, jemnou a neuspořádanou košovou strukturou, což je smíšená struktura. Plasticita a tepelná stabilita této struktury nejsou nižší než u konvenčního výkovku, ale její vysokoteplotní výkon, únavový výkon a lomová houževnatost jsou ve srovnání s konvenčním výkovkem výrazně lepší a má vynikající komplexní mechanické vlastnosti. Kromě toho je teplota ohřevu tohoto kování vyšší než u konvenčního kování a deformační odolnost slitiny je malá, což zlepšuje výkonnost tepelného zpracování. Zároveň teplota ohřevu nepřekračuje bod přechodu β, čímž se předchází nedostatkům kování β. Na základě úspěšného testu byly v továrně 148 vyrobeny zápustkové výkovky disku kompresoru TC11 leteckého motoru WP13 s použitím procesu kování blízkého β a instalovány do stroje pro posouzení instalace, přičemž použití je dobré. Později Zhou a spol. provedli hloubkový výzkum procesu kování s blízkým β a zavedli technologii zpevňování a kalení. Struktura získaná procesem kování v blízkosti β byla pojmenována jako třístavová struktura (přibližně 10%-20% rovnoramenná α, 50%-60% košovitá α a matrice s rezervou transformace β). Při studiu procesu kování titanové slitiny TC11 v blízkosti β bylo zjištěno, že tato struktura může zlepšit vysokoteplotní vlastnosti, lomovou houževnatost a nízkocyklovou únavovou odolnost materiálu, aniž by se snížila plasticita a tepelná stabilita, a může zlepšit provozní teplotu materiálu o 20-50 °C.

3.3.3 Sub-β kování

Definice procesu kování sub-β pro titan a slitinu titanu v HB/Z 199-91 je následující: kování se provádí po zahřátí na teplotu 10-40 °C nad bodem fázového přechodu β a deformace je zcela nebo převážně dokončena v oblasti dvoufázového přechodu α + β pod bodem fázového přechodu β. Přednostním drcením hranice α se pás α v hraniční oblasti vyrovná a získá se košová struktura. Základním rysem košíkářské struktury je, že hranice zrn α je porušena a vnitrozrnná α je košíkářská, ale tuto strukturu je obtížné získat. Při tomto způsobu kování se obecně vyrábějí výkovky s vysokými požadavky na lomovou houževnatost. 
Kotouče z titanové slitiny TC17 pro letecké motory byly vyrobeny procesem kování za tepla/izotermického kování pod tlakem v čínské kovárně leteckého průmyslu a v pobočce Baosteel Special Steel Branch (dříve Shanghai No.5 Steel Plant) a byly zavedeny do technických aplikací. Vzhledem k tomu, že se koncepce konstrukce letadel postupně mění z dřívější čistě statické pevnosti na koncepci bezpečné životnosti, bezpečnosti při poškození, a dokonce na moderní koncepci konstrukce odolné proti poškození, pokročilé materiály z titanových slitin se postupně vyvíjejí směrem k titanovým slitinám odolným proti poškození s vysokou lomovou houževnatostí a nízkou rychlostí růstu trhlin. Vývoj a aplikace titanových slitin odolných proti poškození jsou ve Spojených státech na předním místě. Například titan používaný ve stíhačce čtvrté generace F-22 ve Spojených státech zahrnuje především titanovou slitinu Ti-6Al-4VELI odolnou proti poškození se střední pevností a titanovou slitinu Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-S odolnou proti poškození s vysokou pevností. Uvádí se, že hotové výkovky z těchto dvou titanových slitin se vyrábějí technologií β zpracování za tepla. Od "jedenáctého pětiletého plánu" Čína na základě domácí situace nezávisle vyvinula titanovou slitinu TC4-DT odolnou proti poškození se střední pevností a titanovou slitinu TC21 odolnou proti poškození s vysokou pevností a technologii jejich tepelného zpracování β a použila je v klíčových nosných konstrukčních částech vyspělých stíhaček.

3.3.4 Plné β kování

Definice procesu kování s plnou β fází pro slitinu titanu v HB/Z 199-91 je taková, že kování probíhá po zahřátí na teplotu 50 °C nebo vyšší nad bodem fázového přechodu β a deformace je zcela nebo převážně dokončena v zóně fáze β. Zjemnění zrn se dosáhne dynamickou rekrystalizací fáze β a získá se lamelární struktura. Mikrostruktura výrobků vyrobených tímto procesem je většinou widmanstattenová struktura a plasticita a tepelná stabilita jsou příliš nízké, takže se tato metoda procesu téměř nepoužívá při výrobě hotových výkovků. 

3.3.5 Klíčové prvky výroby zápustkových výkovků z titanových slitin

Podobně jako při volném kování jsou hlavními řídicími faktory při zápustkovém kování titanové slitiny teplota ohřevu, deformace ohněm, konečná teplota kování a způsob chlazení po kování. Z nich je nejkritičtější teplota ohřevu. "HB 5355-94 o kontrole kvality procesu kování" stanoví, že pro ohřívací pece pro kování titanu a slitin titanu by měly být zvoleny pece II-IV. Pro kování s teplotou blízkouβ a podβ by měly být vybrány odporové ohřívací pece II s dobrou přesností regulace teploty a rovnoměrností teploty. Vliv deformace ohněm, konečné teploty kování a způsobu chlazení po kování na mikrostrukturu a vlastnosti zápustkových výkovků odpovídá výše uvedenému vlivu volného kování, který lze flexibilně upravit podle konkrétního procesu.

4. Tepelné zpracování titanu a slitiny titanu

4.1 Tepelné zpracování titanu a slitiny titanu typu α

Tento druh titanu a slitin titanu se obvykle zpracovává běžným žíháním. Pokud je nutné zachovat účinek zpevnění deformací za studena, používá se žíhání za studena. Rekrystalizační žíhání lze použít, pokud je třeba obnovit plasticitu. 

4.2 Tepelné zpracování slitin titanu blízkých α a α + β 

Na stránkách tepelné zpracování tohoto druhu titanové slitiny zahrnuje především běžné žíhání, dvojité žíhání, kalení + stárnutí atd. 
Cílem dvojitého žíhání je zlepšit lomovou houževnatost slitiny, stabilizovat její strukturu a dosáhnout dobré shody pevnosti a plasticity. Je obecně vhodné pro titanové slitiny zpracovávané za vysokých teplot. Účelem sekundárního žíhání je plně rozložit metastabilní fázi β získanou primárním žíháním, dosáhnout určitého stupně účinku zpevnění stárnutím a získat strukturu s podobnou pevností jako při běžném žíhání, vysokou lomovou houževnatostí a stabilní strukturou při vysoké teplotě.
Hlavní charakteristiky kalení + stárnutí jsou následující: Při kalení dochází k martenzitické přeměně, tj. k izomerní přeměně. Mírně se zvýší plasticita a houževnatost slitiny a mírně se sníží pevnost a tvrdost. V následném procesu stárnutí se v důsledku rozpadu metastabilní fáze a vzniku přechodné fáze zvyšuje tvrdost a pevnost slitiny a snižuje plasticita a houževnatost. Předpokládejme, že obsah stabilního prvku β ve slitině titanu není vysoký. V takovém případě dochází při kalení k tomu, že fáze β se smykem přemění z tělesově centrované kubické mřížky na hexagonální mřížku a tento přesycený pevný roztok s hexagonální mřížkou se nazývá hexagonální martenzit α'. Je-li obsah stabilního prvku β v titanové slitině vysoký, je mřížková odolnost proti smyku velká. Během ochlazování se metastabilní fáze tvořená fází β z tělesově centrované kubické mřížky na ortorhombický martenzit α' během stárnutí rozpadne a α' → α + β, α' → α + β získají disperzní fáze α a β, což vede k efektu disperzního zesílení. To je základní princip zpevňování tepelným zpracováním (kalení a zpevňování stárnutím) u většiny dvoufázových titanových slitin. 

4.3 Tepelné zpracování slitiny titanu β 

Slitina titanu typu β se obvykle používá ve stavu pevného roztoku + tepelné zpracování stárnutím. Tato slitina se nejprve rozpustí v blízkosti bodu fázového přechodu a poté se podrobí dlouhodobému umělému stárnutí při nižší teplotě. Po úpravě stárnutím se v mikrostruktuře slitiny na hranici zrn β a uvnitř zrn rozptýlí velké množství fáze α, která hraje roli při disperzním zpevňování a v konečném důsledku zvyšuje pevnost slitiny a snižuje její plasticitu. 
Autor: Mgr: Zhang Lijun