Spojni elementi od legure titana otporni na visoke temperature: vrste legura i ograničenja upotrebe

Zašto pričvršćivači od legure titana imaju gornju temperaturu

Spojni elementi od titana dominiraju strukturama konstrukcije zrakoplova zbog svoje visoke specifične čvrstoće, ali iste legure gube tu prednost kako temperatura raste. Alfa-beta radni konj Ti-6Al-4V (razred 5, UNS R56400) obično je ograničen na otprilike 350 stupnjeva u dugotrajnoj upotrebi. Iznad te točke puzanje, a ne vlačna čvrstoća, postaje pokretač dizajna: vijak se opušta pod stalnim opterećenjem, predopterećenje nestaje, a stegnuti spoj počinje se zamarati iako nije primijenjen nikakvo dodatno opterećenje.

Odabir pričvršćivača za vruća mjesta stoga treba tretirati kao problem puzanja, a ne problem sobne{0}}temperature čvrstoće. To također znači da dizajner mora znati temperaturu na samom pričvršćivaču, koja je često viša od temperature okolne strukture jer glava vijka ima loš put topline u konstrukciju zrakoplova.

Mogućnosti razreda i njihova praktična ograničenja službe

Strojno obrađeni pričvršćivači obično se proizvode od šipki naručenih prema ASTM B348 (šipka i gredica od titana), s šipkom Ti-6Al-4V dodatno pokrivenom AMS 4928. Gotovi vijci i vijci obično su certificirani prema ASTM F468, a matice prema ASTM F467, dok ispitivanje prihvatljivosti na rastezanje slijedi ASTM E8/E8M. Ti brojevi dokumenata trebali bi se pojaviti na certifikatima mlina i gotovih dijelova, zajedno s lancem sljedivosti toplinske serije, koji je obavezan za zrakoplovne spojeve.

Ojačanje čvrste otopine i granica ekvivalenta aluminija

Na visokoj temperaturi otpornost na puzanje titana ovisi uglavnom o ojačanju čvrste otopine aluminijem, kositrom i cirkonijem, koji su svi alfa stabilizatori. Njihov se sadržaj ne može neograničeno povećavati, jer prekomjerna količina alfa stabilizatora potiče sređivanje alfa-2 faze Ti3Al, koja je krta i smanjuje duktilnost. Klasični kontrolni parametar je aluminijski ekvivalent:

[Al]eq=Al + Sn/3 + Zr/6

Blizu{0}}alfa visoko-temperaturni stupnjevi drže ovu vrijednost na oko 9 wt% ili niže i dodaju malu količinu silicija, obično 0,1 do 0,5 wt%, koji stvara fine čestice silicida koje zadržavaju dislokacije i produžuju vijek puzanja. Beta stabilizatori kao što su molibden i niobij kontroliraju se putem ekvivalenta molibdena, [Mo]eq=Mo + Ta/5 + Nb/3.5 + W/2.5 + V/1.5 + 1.25(Cr + Ni) + 1.7(Mn + Co) + 2.5Fe, koji određuje koliko se beta faze zadržava nakon toplinske obrade. Praktična zdravstvena provjera bilo koje podatkovne tablice koja zahtijeva uslugu daleko iznad 600 stupnjeva za jednostavnu alfa-beta ocjenu: niti aluminijski ekvivalent niti sadržaj silicija ne podržavaju takvu tvrdnju.

Praksa zajedničkog projektiranja i ugradnje

Titan nudi visoku vlačnu čvrstoću, ali relativno nisku čvrstoću na smicanje i nizak modul, tako da je za vijak od titana potreban veći zahvat navoja nego za čelični vijak istog promjera. Uobičajeno pravilo je najmanje 1,5 puta veći od nominalnog promjera u matici od legure čelika ili -nikla i umetcima s navojem kada je spojni član aluminij. Raspršenost momenta zatezanja veća je nego kod čelika jer se titan lako žuči, a njegov koeficijent trenja je nestabilan, pa je kalibracija momenta-prednaprezanja po partiji daleko pouzdanija od generičke tablice momenta.

Upotrijebite mazivo za suhi{0}}film kao što je molibden disulfid na navojima i površinama ležajeva za kontrolu trganja i rasipanja.

Nemojte koristiti kadmijevanje; kadmij čini titan krhkim na povišenoj temperaturi i ograničen je propisima o tvarima.

Odvojite titan od aluminija ili ugljikovog kompozita anodiziranim ili obloženim sučeljem kako biste spriječili galvansku koroziju.

Za spojeve iznad 400 stupnjeva, provjerite stabilnost premaza na temperaturi umjesto pretpostavke da će završni sloj na sobnoj-temperaturi preživjeti.

Napomene o strojnoj obradi i rezanju navoja

Titan ima toplinsku vodljivost od samo oko 7 W/m·K, tako da se toplina rezanja koncentrira na rubu umjesto da teče u strugotinu. Praktične posljedice: održavajte površinsku brzinu niskom, oko 30 do 60 m/min s tvrdim metalom, održavajte veliko posmakanje po zubu kako biste ostali iznad minimalne debljine strugotine, koristite oštre rubove pozitivne-geometrije i obilno prelijte rashladnom tekućinom i nikada ne dopustite da alat stoji, što radom-očvršćuje površinu. Navoje je najbolje proizvoditi valjanjem, a ne rezanjem, jer valjani navoji nose zaostala tlačna naprezanja i daju znatno bolji vijek trajanja od zamora. Near-alpha i ortorombski tipovi čvršći su na temperaturi od Ti-6Al-4V i stvaraju veće sile rezanja, tako da su kruto učvršćenje, minimalni prevjes alata i rashladno sredstvo kroz vreteno vrijedni vremena postavljanja.

Uobičajene zablude

Pretpostavka da je vlačna čvrstoća na višoj sobnoj-temperaturi znači bolji vrući spoj. Umjesto toga vlada puzanje i opuštanje stresa.

Posvuda zamjena težim vijcima-na bazi nikla. Kazna mase je velika, a neusklađenost koeficijenta toplinskog širenja sa strukturom titana mora se riješiti na spoju.

Zanemarivanje gubitka predopterećenja tijekom toplinskog ciklusa. Intervali povratnog momenta i elastična interakcija trebaju biti dio plana održavanja.

FAQ

P: Mogu li se vijci Ti-6Al-4V koristiti na 400 stupnjeva?
Samo za kratku ekspoziciju. Dugotrajna-trajnost Ti-6Al-4V općenito je ograničena na oko 350 stupnjeva zbog puzanja; iznad toga treba odabrati stupanj blizu alfa.

P: Zašto je aluminijski ekvivalent važan za legure spojnica?
Predviđa rizik krhkog sređivanja alfa-2 Ti3Al. Vrijednosti blizu ili iznad 9 tež.% smanjuju duktilnost, što je neprihvatljivo u spojnici s navojem.

P: Koja je prednost pričvršćivača Ti2AlNb i gama TiAl?
Proširuju korisnu uslugu prema 650 do 800 stupnjeva dok su daleko manje od legura na bazi-nikla, po cijenu veće cijene, čvršćih prozora obrade i rastezljivosti na nižoj sobnoj-temperaturi.

P: Koji standard pokriva titanijske vijke i matice?
ASTM F468 pokriva vijke, vijke i svornjake od obojenih metala, a ASTM F467 pokriva matice; šipka se obično naručuje prema ASTM B348.

P: Kako treba kontrolirati trganje tijekom sastavljanja?
Nanesite kontrolirani suhi{0}}film lubrikanta na navoje i ležajne površine, koristite kalibrirane podatke o momentu-predopterećenja po seriji zagrijavanja i izbjegavajte ponovljeno sastavljanje i rastavljanje bez ponovnog-podmazivanja.

P: Štiti li eloksiranje spoj-titan od visokih temperatura?
Anodizacija uglavnom služi za galvansko odvajanje i otpornost na trošenje na umjerenoj temperaturi. Iznad 400 stupnjeva premaz se mora potvrditi tijekom rada ili se umjesto njega mora odabrati aluminij-keramički premaz.