Dizajn dijelova od legure titana: greške koje treba izbjegavati i inženjerske smjernice

Zašto dijelovi od titana trebaju drugačija pravila dizajna

Legure titana nude izvanredan omjer-na-težine i otpornost na koroziju, ali njihova fizička svojstva mijenjaju pravila mehaničkog dizajna. Modul elastičnosti titana je oko 110 GPa, otprilike polovica od čelika, tako da se dio od titana savija otprilike dvostruko više od čeličnog dijela identične geometrije pod istim opterećenjem. Toplinska vodljivost je samo oko 15 do 20 W/m-K za komercijalno čiste vrste i oko 7 W/m-K za Ti-6Al-4V, otprilike jedna desetina aluminija, koji koncentrira toplinu tijekom strojne obrade i zavarivanja. Dizajneri koji primjenjuju navike temeljene na čeliku na titanu na kraju imaju dijelove koji se deformiraju, pucaju ili koštaju mnogo više nego što je potrebno.

Izbjegavajte koncentraciju na stres

Budući da titan nema granicu zamora u tradicionalnom smislu te je osjetljiv-na zarez pod cikličkim opterećenjem, oštri kutovi i nagle promjene presjeka najčešći su uzrok prijevremenog kvara. Upotrijebite velike radijuse zaobljenja na unutarnjim kutovima, najmanje 0,5 mm, a po mogućnosti 1 mm ili više, postupno prelazite na debljinu stjenke preko omjera koji nije strmiji od 1:3, i izbjegavajte oštre izbočine navoja-i uglove utora. Tamo gdje je promjena presjeka neizbježna, analiza konačnih elemenata trebala bi se koristiti za provjeru da lokalno naprezanje ostaje ispod granice zamora određenog stupnja i završne obrade površine.

Projektirana debljina stijenke za zavarljivost i krutost

Tanke stijenke ispod otprilike 1 mm teško je zavariti na titan jer je rastaljenu posudu teško kontrolirati, a pregrijavanje uzrokuje rast zrna i skupljanje onečišćenja. Za zavarene sklopove planirajte minimalnu debljinu stjenke od 1,5 do 2 mm na zavarenim spojevima i osigurajte potporne šipke ili pristup za pročišćavanje plinom. Za strojno obrađene dijelove, zapamtite da niski modul titana znači da će tanke mreže i rebra vibrirati i deformirati se; ili povećajte debljinu presjeka, dodajte rebra ili prihvatite deblju izrezku i uklonite materijal samo tamo gdje ne smanjuje krutost.

Kontrolirajte hrapavost površine i cjelovitost površine

Hrapave površine oštro smanjuju otpornost na zamor titana. Strojna obrada bi trebala ciljati Ra 1,6 mikrometara ili bolje na zamor{2}}kritičnim površinama i Ra 0,8 mikrometara na brtvenim i ležajnim površinama. Izbjegavajte grubo brušenje i isprekidane rezove koji ostavljaju ponovno-stvrdnute bijele slojeve ili mikro-pukotine; ako je potrebno brušenje, upotrijebite blagi rez s puno rashladne tekućine i provjerite praksom brušenja s niskim-naprezanjem. Površinska kontaminacija željezom, bakrom ili kloriranim tekućinama za rezanje mora se ukloniti luženjem ili kemijskim čišćenjem jer ugrađeno željezo potiče lokaliziranu koroziju i skupljanje vodika.

Poštujte omjer krutosti-i-težine

Dijelovi od titana često se odabiru radi uštede na težini, ali izravna zamjena čeličnog dijela istih dimenzija može biti teža nego što je potrebno. Budući da je modul titana upola manji od modula čelika, titanskoj gredi treba otprilike 26 posto više visine presjeka da bi odgovarala krutosti čelika; međutim, budući da je gustoća titana 56 posto gustoće čelika, titanska greda još uvijek teži manje. Ispravan pristup je projektirati za krutost: povećati visinu presjeka, koristiti zatvorene odjeljke i postaviti materijal dalje od neutralne osi. Kada krutost, a ne čvrstoća, upravlja, tu titan zarađuje svoju težinsku prednost.

Razmatranja strojne obrade i izrade

Titan je teško obrađivati: koristite oštre alate od tvrdog metala s pozitivnim-nagibom, niske brzine rezanja od 30 do 60 m/min za tokarenje, teška i kontinuirana posmaka i visoko{3}}vodo{4}}rashladno sredstvo topljivo kako biste spriječili paljenje strugotine. Kontrola strugotine je važna jer su titanijske strugotine tanke, čvrste i mogu gorjeti; nikada ne dopustite da se čips nakuplja. Za zavarivanje, čistoća je apsolutna: odmastite otapalom, uklonite površinske okside žičanim četkicama od nehrđajućeg čelika namijenjenim titanu i zaštitite zonu zavarivanja argonom pri dovoljno visokim brzinama protoka da zaštitite hladeći rub zavara i korijensku stranu.

Galvanska i kontaktna korozija

U sklopovima, titan je katodan čeliku, aluminiju i legurama bakra. Kontakt u vodljivom elektrolitu ubrzava koroziju manje plemenitog metala. Dizajn u izolaciji: koristite obložene pričvršćivače, najlonske ili PTFE podloške i izbjegavajte pukotine koje zadržavaju vlagu između titana i drugih metala. U opskrbi morskom vodom, tretirajte svaki spoj-i-titana kao potencijalnu galvansku ćeliju i odredite katodnu zaštitu ili dielektrično odvajanje.

Popis za provjeru zajedničkog dizajna

Radijusi zaobljenja u svim unutarnjim kutovima; bez oštrih zareza.

Postupni prijelazi odjeljaka; omjer nije strmiji od 1:3.

Minimalna stijenka 1,5 mm na zavarenim spojevima; 2 mm poželjno.

Površine otporne na zamor dorađene do Ra 1,6 ili bolje.

Navoji smotani, a ne rezani na-kritičnim spojnicama.

Galvanska izolacija od čelika, aluminija i bakra u mokrom radu.

Kontrola čistoće: namjenski alat, bez kontaminacije željezom, klorirane tekućine zabranjene.

FAQ

Zašto titan puca na oštrim kutovima tijekom obrade?

Titan je-osjetljiv na zareze i nema granice izdržljivosti, tako da oštri kutovi stvaraju lokalne koncentracije naprezanja koje pod cikličkim opterećenjem izazivaju pukotine uslijed zamora; izdašni fileti i postupni prijelazi su obavezni.

Kakvu bi površinsku obradu trebali imati titanijski zamorni dijelovi?

Ciljajte na Ra 1,6 mikrometara ili bolje na zamornim-kritičnim površinama i Ra 0,8 mikrometara ili bolje na brtvenim i nosivim površinama; izbjegavajte grubo brušenje koje ostavlja oštećene površinske slojeve.

Mogu li se dijelovi od titana tankih stijenki-zavarivati?

Da, ali zidove ispod otprilike 1 mm teško je zavariti bez progorevanja-; planirajte najmanje 1,5 do 2 mm na zavarenim spojevima i koristite podlogu od argona za zaštitu korijenske strane.

Treba li titan posebno rashladno sredstvo za strojnu obradu?

Da. Koristite-rashladnu tekućinu topljivu u vodi pod visokim tlakom i volumenom za kontrolu topline i sprječavanje paljenja strugotine; klorirane tekućine za rezanje su zabranjene jer mogu uzrokovati pucanje uslijed korozije.

Je li titan teži od čelika?

Ne, titan čini oko 56 posto gustoće čelika, ali njegov modul je otprilike polovica, tako da konstrukcije-pogođene krutošću moraju koristiti dublje dijelove kako bi se ostvarila puna ušteda težine.

Zašto titan mora biti izoliran od čelika u sklopovima?

Titan je katodan čeliku i ubrzava galvansku koroziju čelika u mokrom okruženju; dielektrične podloške, obložene spojnice i brtvila sprječavaju ovaj napad.