فرآیند دو مرحله‌ای رسوب‌زدایی برای آلیاژ تیتانیوم داغ-ترازو شکل‌دهی و استراتژی‌های کاهش خطر آن

آلیاژهای تیتانیوم میل ترکیبی قوی برای اکسیژن و نیتروژن در دماهای بالا نشان می‌دهند که منجر به تشکیل فلس‌های اکسیدی مقاوم در طول عملیات شکل‌دهی گرم می‌شود. رنگ و ضخامت این مقیاس ها به طور سیستماتیک با دمای شکل گیری آبی در حدود 600 درجه، قرمز مایل به خاکستری- در حدود 850 درجه و خاکستری در 900 درجه تغییر می کند. با افزایش دمای شکل‌دهی، ضخامت رسوب افزایش می‌یابد و چسبندگی به بستر تشدید می‌شود که حذف را به تدریج دشوارتر می‌کند. فلس های تولید شده بالای 900 درجه نیاز به لایه برداری شیمیایی تهاجمی دارند که اغلب یکپارچگی سطح زیرین را به خطر می اندازد.

استاندارد صنعتی برای حذف رسوب آلیاژ تیتانیوم به روش دو مرحله‌ای -قلیایی-اسیدی باقی می‌ماند: آماده‌سازی سوزاننده مذاب و به دنبال آن ترشی اسید. در حالی که موثر است، این دنباله دو خطر مهم متالورژیکی-تقویت پیری زودرس و شکنندگی هیدروژن- را معرفی می‌کند که نیازمند کنترل دقیق فرآیند هستند.

آلیاژهای تیتانیوم از طریق انتشار{0}}اکسیداسیون کنترل‌شده در حین کار گرم، مقیاس‌های اکسیدی ایجاد می‌کنند. مقیاس شامل لایه‌های اکسیدی متعدد، عمدتاً TiO2، با سهم جزئی از Ti2O3 و TiO بسته به فشار جزئی اکسیژن و مدت زمان قرار گرفتن در معرض است.

رابطه مقیاس درجه حرارت-از یک الگوی ثابت در گریدهای آلیاژ تیتانیوم پیروی می کند:

در دمای 600 درجه، فیلم اکسید نازک و نسبتاً متخلخل باقی می‌ماند و امکان حذف سریع مواد شیمیایی را فراهم می‌کند. در 850 درجه، ضخیم شدن مقیاس و تف جوشی باعث افزایش چسبندگی می شود. در بالای 900 درجه، مقیاس متراکم می شود و به شدت با بستر پیوند می یابد. حذف نیاز به قرار گرفتن طولانی مدت در معرض رسانه های تهاجمی دارد که خطر حمله به بستر را افزایش می دهد.

ضخامت اکسید سطحی داغ تشکیل‌دهنده آلیاژ تیتانیوم TC4 معمولاً کمتر از 2 میکرومتر است، اما حتی این لایه نازک نیز می‌تواند پردازش بعدی را در صورت عدم حذف کامل به طور قابل توجهی مختل کند.

مرحله اول قطعه کار فلس شده را در یک حمام قلیایی مذاب غوطه ور می کند. محیط سوزاننده-معمولاً ترکیبی از NaOH و NaNO2 یا NaOH و NaNO3-با مقیاس اکسید واکنش می‌دهد، ساختار آن را شل می‌کند و باعث جدا شدن می‌شود.

فرمولاسیون های رایج عبارتند از:

• NaOH در 700 گرم در لیتر به اضافه NaNO2 در 250 گرم در لیتر (محلول فوق اشباع)
• دمای جوش تقریبا 160 درجه
• مدت غوطه وری تا 6 ساعت برای تهویه کامل

نمک های اکسید کننده مذاب اختصاصی جایگزین (به عنوان مثال، فرمولاسیون های نوع Virgo) نیز برای حذف رسوب آلیاژی داغ-نوردیده شده است.

حمام سوزاننده از طریق تبدیل شیمیایی عمل می کند: اکسید چسبنده را به یک لایه شکننده و مطبوع تبدیل می کند که اسید ترشی بعدی به راحتی می تواند حل شود.
 

پس از تهویه سوز آور و شستشو با آب، قطعه کار تحت اسید ترشی قرار می گیرد. محلول ترشی استاندارد اسید نیتریک (HNO3) را با اسید هیدروفلوئوریک (HF) ترکیب می کند.

پارامترهای معمولی حمام اسیدی:

• نسبت حجمی HNO3:HF بزرگتر یا مساوی 5:1 (برای جلوگیری از شکنندگی هیدروژن حیاتی است)
• نسبت توصیه شده: 10:1 HNO3:HF
• دمای حمام: زیر 60 درجه برای محدود کردن جذب هیدروژن
• زمان غوطه وری: 20 ثانیه تا چند دقیقه بسته به ضخامت مقیاس و ترکیب آلیاژ

اسید نیتریک به عنوان یک عامل اکسید کننده عمل می کند که سطح تیتانیوم تازه در معرض دید را غیرفعال می کند، در حالی که اسید هیدروفلوئوریک، مقیاس شرطی شده و لایه زیرین اکسید-آلوده را حل می کند.

ترشی رسوبات باقیمانده را از بین می برد و سطح فلزی را بازیابی می کند. برای مواد آسیاب شده شیمیایی، ممکن است برای از بین بردن لایه آلوده اکسیژن- در زیر فلس،-تهویه حمام مورد نیاز باشد.

حمام سوزاننده مذاب تقریباً در 450 درجه کار می کند. این دما در محدوده دمای پیری آلیاژهای + و تیتانیوم یا نزدیک به آن است.

در طی آماده سازی سوزاننده، محصولات نیمه تمام{0}ممکن است در معرض بارندگی ناخواسته تقویت شوند-هسته شدن و رشد فازهای ثانویه یا بین فلزی در ماتریس. این پیری زودرس چندین پیامد مضر دارد:

• افزایش سختی و کاهش شکل پذیری در عملیات سرد بعدی
• خطر ترک خوردن در طول پردازش بیشتر
• ثبات ابعادی به خطر افتاده در اجزای نهایی

این پدیده به ویژه در آلیاژهای غنی -که در آن سینتیک پیری در دماهای بالاتر از 400 درجه تسریع می‌یابد، مشهود است. برخلاف روش‌های پیری کنترل‌شده که تحت شرایط دقیق نظارت شده انجام می‌شوند، قرار گرفتن در معرض حمام سوزاننده بدون توجه به شرایط مزاج آلیاژ رخ می‌دهد و باعث ایجاد تنوع در خواص مکانیکی در دسته‌های تولیدی می‌شود.

شکنندگی هیدروژن موذی ترین تهدید در پردازش آلیاژ تیتانیوم است. تیتانیوم و آلیاژهای آن به راحتی هیدروژن را از محلول‌های ترشی، حمام‌های تمیزکننده و حتی اتمسفر در دماهای بالا جذب می‌کنند.

مکانیسم به شرح زیر عمل می کند:

در طول ترشی اسید، جزء HF به سطح تیتانیوم حمله می کند و هیدروژن اتمی را به عنوان محصول جانبی واکنش انحلال تولید می کند. بخشي از اين هيدروژن اتمي به جاي تركيب مجدد به H2 مولكولي و فرار در شبكه تيتانيوم منتشر مي شود.

پس از جذب، هیدروژن مکان های بینابینی را در -شبکه Ti اشغال می کند. در غلظت های بیش از حد حلالیت، هیدروژن به صورت پلاکت های هیدرید تیتانیوم ترد (TiH2) در امتداد مرزهای دانه و سطوح لغزش رسوب می کند. این هیدریدها:

• کاهش چقرمگی شکست و مقاومت در برابر خستگی
• ایجاد ترک بین دانه ای تحت تنش کششی
• سرعت بخشیدن به رشد کرک زیر بحرانی در محیط های خدماتی

آستانه شکنندگی هیدروژن بر اساس ترکیب آلیاژ و ریزساختار متفاوت است، اما غلظت های کمتر از 150-200 ppm می تواند تخریب قابل اندازه گیری در خواص مکانیکی ایجاد کند.

عوامل متعددی باعث تشدید جذب هیدروژن در هنگام ترشی-می شود:

1. غلظت HF بیش از حد مطلوبواکنش انحلال را تسریع می کند و هیدروژن اتمی بیش از حد تولید می کند
2. افزایش دمای حمام بالای 60 درجهانتشار هیدروژن و سینتیک جذب را افزایش می دهد
3. محتوای HNO3 کاهش یافته استاثر غیرفعال کننده را کاهش می دهد که در غیر این صورت ورود هیدروژن را محدود می کند
4. طولانی شدن زمان غوطه وریقرار گرفتن در معرض هیدروژن را طولانی می کند
5. تجمع یون تیتانیوم بالای 12 گرم در لیتردر حمام، شیمی محلول را تغییر داده و جذب هیدروژن را تقویت می کند

می توان با حذف آلودگی سطح آهن و نیکل در محلول اسید نیتریک قبل از تهویه مطبوع، از جذب هیدروژن به طور کامل جلوگیری کرد. این پیش تصفیه اثرات جفت گالوانیکی را که باعث تسریع برداشت{1}هیدروژن در طی قرار گرفتن در معرض اسید بعدی می شود، حذف می کند.

مدیریت دما اهرم اصلی برای جلوگیری از پیری زودرس است. در حالی که 450 درجه نقطه عمل معمولی را نشان می‌دهد، فرمول‌های سوزاننده با دمای پایین‌تر وجود دارند. سیستم های NaOH{4}}NaNO2 که نزدیک به 160 درجه کار می کنند (محلول آبی در حال جوش) جایگزینی را ارائه می دهند که خطر پیری را کاهش می دهد و در عین حال اثر رسوب زدایی را حفظ می کند.

 

به حداقل رساندن زمان قرار گرفتن در معرض حرارت را محدود می کند. مدت زمان تهویه باید حداقل مورد نیاز برای رسیدن به شل شدن مقیاس باشد-که معمولاً از طریق آزمایش کوپن برای هر آلیاژ-گرید و مقیاس-ترکیب ضخامت تعیین می‌شود.

 

پروتکل‌های آلیاژی-خاص حساسیت پیری متفاوت را در نظر می‌گیرند. -آلیاژهای غنی به پارامترهای دمایی{2}}محافظه‌تری نسبت به آلیاژها یا نزدیک به- نیاز دارند.

نگهداری نسبت HNO3:HF بالاتر از 5:1 (ترجیحاً 10:1) مهمترین پارامتر کنترلی برای جلوگیری از شکنندگی هیدروژن است. غلظت اسید نیتریک هرگز نباید کمتر از 10٪ باشد، زیرا این آستانه مرز بین غیرفعال سازی ایمن و جذب هیدروژن فعال را مشخص می کند.

 

محدودیت دمایی زیر 60 درجه هم سینتیک جذب هیدروژن و هم نرخ خوردگی عمومی را کاهش می دهد.

 

نظارت بر حمام شامل تجزیه و تحلیل منظم غلظت اسید و محتوای تیتانیوم محلول است. تعویض حمام زمانی ضروری می شود که غلظت تیتانیوم از 12 گرم در لیتر بیشتر شود.

 

پس از{0}}شستشوی ترشی با آب داغ و به دنبال آن آب سرد و خشک کردن اجباری از خوردگی اسید باقیمانده جلوگیری می‌کند و ورود هیدروژن را در حین جابجایی بعدی به حداقل می‌رساند.

 

محدودیت پنجره زمانی نیاز به ترشی اسید در عرض یک ساعت پس از تهویه سوزاننده دارد تا از اکسیداسیون ثانویه سطح مطبوع جلوگیری شود.
 

فرآیند آماده‌سازی سوزاننده مذاب دو مرحله‌ای و ترشی اسید، استاندارد صنعتی برای حذف رسوب آلیاژ تیتانیوم است. اثربخشی آن از عمل مکمل شل شدن رسوب سوزاننده و به دنبال آن انحلال اسید ناشی می شود. با این حال، این فرآیند دو خطر متالورژیکی قابل توجه را معرفی می کند-تقویت پیری زودرس ناشی از قرار گرفتن در معرض سوزاننده 450 درجه و شکنندگی هیدروژن از ترشی کنترل نشده HF-HNO3.

اجرای موفقیت آمیز نیازمند کنترل دقیق فرآیند در پارامترهای دما، زمان و شیمی محلول است. نسبت HNO3:HF باید به طور مداوم از 5:1 تجاوز کند تا از جذب هیدروژن جلوگیری شود. دما و مدت حمام سوزاننده برای جلوگیری از پاسخ های پیری ناخواسته به حداقل رساندن نیاز دارد.

برای محیط‌های تولیدی که درجات و فرم‌های مختلف آلیاژ تیتانیوم را پردازش می‌کنند، مشخصات فرآیند متمایز-همراه با-نظارت فرآیند و تجزیه و تحلیل منظم حمام{2}}مطمئن‌ترین مسیر را برای حذف مقیاس ثابت بدون به خطر انداختن خواص مواد یا یکپارچگی اجزا ارائه می‌دهد.

اکنون تماس بگیرید