Requisiti tecnici e standard di riferimento per placche in lega di titanio
1. Classificazione e gradi dei materiali
Le piastre in lega di titanio sono generalmente classificate in quattro categorie in base alla loro microstruttura e alla composizione della lega. Le leghe alfa, come Ti-5Al-2.5Sn (grado 6), contengono principalmente stabilizzanti alfa come alluminio e stagno. Queste leghe offrono eccellente saldabilità e resistenza al creep a temperature elevate, rendendole adatte per strutture di cellule aeronautiche e applicazioni criogeniche. Le leghe quasi-alfa, tra cui Ti-8Al-1Mo-1V (grado 9) e Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, incorporano piccole quantità di stabilizzanti beta pur mantenendo una struttura alfa dominante. Forniscono una migliore stabilità alle alte temperature per i componenti dei motori a turbina a gas.
Le leghe alfa-beta rappresentano la categoria più utilizzata, con Ti-6Al-4V (grado 5) che è la lega più utilizzata nei settori aerospaziale, medico e industriale. Questa lega raggiunge un equilibrio ottimale tra resistenza, duttilità e resistenza alla frattura attraverso la sua microstruttura a doppia fase. La variante interstiziale extra bassa, Ti-6Al-4V ELI (grado 23), limita il contenuto di ossigeno, ferro e idrogeno per migliorare la tolleranza ai danni per le applicazioni critiche. Le leghe beta come Ti-10V-2Fe-3Al e Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn possono essere trattate in soluzione e invecchiate per ottenere i livelli di resistenza più elevati tra le leghe di titanio, con particolari vantaggi nella formabilità prima del trattamento termico.
2. Requisiti relativi alla composizione chimica
La composizione chimica delle piastre in lega di titanio deve essere strettamente controllata per garantire proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione costanti. Per Ti-6Al-4V (grado 5), il contenuto di alluminio varia dal 5,50 al 6,75%, mentre il vanadio varia dal 3,50 al 4,50%. Il ferro è limitato allo 0,30% massimo, l'ossigeno allo 0,20%, il carbonio allo 0,08%, l'azoto allo 0,05% e l'idrogeno allo 0,015%. La somma di tutti gli elementi residui non deve superare lo 0,40%.
Per il grado ELI, l'alluminio è limitato al 5,50-6,50%, il ferro allo 0,25% massimo, l'ossigeno allo 0,13% e l'idrogeno allo 0,0125%. Questi livelli interstiziali ridotti migliorano significativamente la resistenza alla frattura e la duttilità, motivo per cui questo grado è obbligatorio per gli impianti chirurgici e i componenti strutturali aerospaziali critici. Ti-5Al-2.5Sn (grado 6) ammette alluminio tra il 4,00 e il 6,00%, stagno tra il 2,00 e il 3,00%, ferro fino allo 0,50% e idrogeno fino allo 0,020%. Il limite di ossigeno corrisponde allo standard Ti-6Al-4V pari allo 0,20%.
3. Requisiti di proprietà meccanica
A temperatura ambiente nella direzione longitudinale, la piastra Ti-6Al-4V deve raggiungere un carico di rottura minimo di 895 MPa, un carico di snervamento minimo con offset dello 0,2% di 828 MPa, un allungamento minimo del 10% e una riduzione minima dell'area del 25%. La variante ELI mantiene gli stessi requisiti di allungamento e riduzione ma con livelli di resistenza leggermente ridotti: carico di rottura minimo di 860 MPa e carico di snervamento minimo di 795 MPa. Ti-5Al-2.5Sn richiede una resistenza alla trazione minima di 827 MPa, una resistenza allo snervamento minima di 759 MPa e parametri di duttilità corrispondenti.
Per il servizio a temperature elevate, la piastra Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo deve dimostrare una resistenza alla trazione minima di 620 MPa a 315 gradi Celsius, con resistenza allo scorrimento verificata a 425 gradi Celsius. La resistenza alla frattura rappresenta un parametro critico per la progettazione resistente ai danni. La piastra ELI Ti-6Al-4V deve raggiungere una tenacità alla frattura da deformazione piana K_IC di almeno 75 MPa radice quadrata di metro, mentre Ti-5Al-2.5Sn richiede un minimo di 55 MPa radice quadrata di metro. I requisiti di energia per l'impatto con tacca a V Charpy sono rispettivamente di 20 joule e 16 joule.
4. Tolleranze dimensionali e finitura superficiale
La tolleranza dello spessore varia in base allo spessore della piastra. Per piastre fino a 6,35 millimetri, la tolleranza standard è di più o meno 0,13 millimetri, con una tolleranza di precisione ridotta a più o meno 0,08 millimetri. Tra 6,35 e 25,4 millimetri, la tolleranza standard diventa più o meno 0,25 millimetri, con una precisione di più o meno 0,13 millimetri. Per piastre di dimensioni superiori a 25,4 millimetri fino a 50,8 millimetri, la tolleranza standard è di più o meno 0,38 millimetri e la tolleranza di precisione è di più o meno 0,25 millimetri.
La tolleranza sulla larghezza è di più 6,35 millimetri senza meno in condizioni standard, ridotta a più 3,18 millimetri per precisione. La tolleranza sulla lunghezza è di più 25 millimetri standard, più una precisione di 13 millimetri. La planarità non deve superare i 3,2 millimetri al metro secondo i requisiti standard o 1,6 millimetri al metro per la lamiera di precisione. La curvatura del bordo è limitata a 3,2 millimetri per 3 metri standard e alla precisione di 1,6 millimetri per 3 metri.
I requisiti di finitura superficiale dipendono dal metodo di lavorazione. Le lastre laminate a caldo-devono raggiungere una rugosità superficiale Ra non superiore a 6,3 micrometri. Le piastre laminate a freddo-o decapate chimicamente richiedono un Ra non superiore a 3,2 micrometri. Le piastre di messa a terra di precisione-richiedono un Ra non superiore a 1,6 micrometri.
5. Requisiti metallurgici
La microstruttura della piastra in lega di titanio alfa-beta nella condizione ricotta al mulino-deve essere costituita da una fase alfa primaria equiassica distribuita all'interno di una matrice beta trasformata. La fase alfa del bordo continuo dei grani non è consentita poiché degrada la duttilità e la resistenza alla fatica. La dimensione della grana deve essere ASTM 5 o più fine, con una produzione tipica che raggiunge ASTM da 6 a 8. Il caso alfa, quello strato superficiale duro arricchito di ossigeno-formato durante la lavorazione ad alta-temperatura, deve essere completamente rimosso. La verifica richiede un profilo di micro-durezza che non mostri alcun picco di durezza sulla superficie o un esame metallografico che confermi che non rimane alcuno strato stabilizzato alfa-.
Le macchie beta, che sono regioni localizzate di arricchimento di stabilizzanti beta-, sono vietate nelle applicazioni aerospaziali critiche. Vengono rilevati tramite l'ispezione macro-incisione utilizzando reagenti appropriati. Il contenuto di inclusioni è classificato secondo ASTM E45 Metodo A, con livelli massimi consentiti di A2, B2, C2 e D2 rispettivamente per inclusioni di ossidi sottili, pesanti, silicati e globulari.
6. Requisiti dei test non-distruttivi
I test a ultrasuoni sono obbligatori per tutte le piastre di spessore pari o superiore a 6,35 millimetri, condotti secondo i criteri AMS-STD-2154 Classe A. Non è accettabile alcuna indicazione che superi l'equivalente di un foro a fondo piatto da 3,2 millimetri. Il test con liquidi penetranti si applica a tutte le superfici finite secondo ASTM E1417, senza indicazioni lineari superiori a 3,2 millimetri di lunghezza. I test radiografici sono riservati alle aree saldate o riparate secondo ASTM E1742. Il test con correnti parassite può sostituire il test a ultrasuoni su piastre sottili inferiori a 6,35 millimetri, seguendo le procedure ASTM E426 con sensibilità stabilita dall'accordo tra acquirente e fornitore.
7. Condizioni di trattamento termico
La lamiera ricotta al mulino- viene lavorata a una temperatura compresa tra 704 e 760 gradi Celsius, seguita da un raffreddamento ad aria. Questa condizione fornisce proprietà equilibrate per applicazioni generali. La ricottura duplex prevede il trattamento della soluzione a 954 gradi Celsius con raffreddamento in acqua, seguito da raffreddamento ad aria a 538 gradi Celsius, migliorando la resistenza alla frattura per i progetti resistenti ai danni-. La piastra trattata con soluzione e invecchiata raggiunge la massima resistenza attraverso il trattamento a 927 gradi Celsius con raffreddamento in acqua, quindi invecchiando a 538 gradi Celsius per 4-8 ore. La ricottura beta a 1010 gradi Celsius con raffreddamento ad aria, seguita dalla stabilizzazione a 760 gradi Celsius, produce una microstruttura beta trasformata ottimizzata per la resistenza al creep nelle applicazioni dei motori aerospaziali. La riduzione dello stress a una temperatura compresa tra 538 e 649 gradi Celsius segue le operazioni di lavorazione o formatura.
Tutti i trattamenti termici devono avvenire sotto vuoto a una temperatura compresa tra 10 e meno 3 millibar o superiore oppure in un'atmosfera di argon di elevata purezza-. Eventuali casi alfa formati durante il trattamento termico devono essere completamente rimossi prima dell'ispezione finale.
8. Standard di riferimento
La specifica principale per le piastre in lega di titanio è ASTM B265, che copre strisce, fogli e piastre in titanio e leghe di titanio. Questo standard definisce i limiti di composizione chimica, i requisiti di proprietà meccanica, le tolleranze dimensionali e le disposizioni generali sulla qualità. ASTM B348 per barre e billette fornisce riferimenti supplementari per test meccanici.
Per quanto riguarda la metodologia di prova meccanica, ASTM E8 ed E8M regolano le prove di trazione dei materiali metallici. La verifica della durezza segue ASTM E18 per la durezza Rockwell o ASTM E10 per la durezza Brinell. La valutazione del contenuto di inclusioni utilizza ASTM E45, adattato per le leghe di titanio. La misurazione della dimensione del grano segue ASTM E112. La profilazione della micro-durezza secondo ASTM E384 rileva il caso alfa residuo. La preparazione e l'incisione del campione metallografico seguono rispettivamente ASTM E3 e ASTM E407.
Gli standard dei test non-distruttivi includono ASTM E1417 per i test con liquidi penetranti, ASTM E1742 per l'esame radiografico e ASTM E426 per i test con correnti parassite elettromagnetiche di prodotti sottili. La guida alla preparazione della superficie e alla decalcificazione si trova nella norma ASTM B600.
Le specifiche dei materiali aerospaziali forniscono requisiti più rigorosi per le applicazioni-critiche per il volo. AMS 4907 copre la piastra Ti-6Al-4V allo stato ricotto. AMS 4911 si rivolge alla piastra Ti-6Al-4V trattata e invecchiata con soluzione. AMS 4930 specifica una piastra interstiziale Ti-6Al-4V extra bassa. AMS 4940 si applica alla piastra Ti-5Al-2.5Sn. AMS 4943 copre la piastra in lega beta Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 si rivolge a piastre in lega quasi alfa Ti-8Al-1Mo-1V. I criteri di accettazione dell'ispezione a ultrasuoni sono definiti in AMS-STD-2154.
Le specifiche militari legacy includono MIL-T-9046 per lamiere, strisce e piastre di titanio e MIL-T-9047 per barre e pezzi forgiati. I test ambientali seguono MIL-STD-810.
Gli standard internazionali includono ISO 5832-3 per gli impianti chirurgici in lega Ti-6Al-4V lavorata e ISO 5832-10 per gli impianti in lega Ti-5Al-2.5Fe. Gli standard britannici BS 2TA 2 e BS 2TA 11 riguardano fogli e piastre Ti-6Al-4V. La norma tedesca DIN 17850 fornisce le specifiche tecniche per le leghe di titanio lavorate. Il JIS H4600 giapponese si occupa di fogli, piastre e strisce. Lo standard nazionale cinese GB/T 3621 e lo standard militare GJB 2505A si applicano alle piastre in lega di titanio di grado aeronautico.
9. Requisiti specifici dell'applicazione-
Le applicazioni strutturali aerospaziali richiedono dati sulla fatica a ciclo elevato-, analisi della tolleranza ai danni e conformità NDT di livello A secondo AMS 4907, AMS 4911 e AMS-STD-2154. I componenti dei motori aerospaziali richiedono proprietà di trazione a temperatura elevata, verifica della resistenza al creep e test di stabilità termica secondo AMS 4945 e ASTM E139.
Le applicazioni di impianti medici impongono test di biocompatibilità, inclusi test di citotossicità e sensibilizzazione, con materiale di grado ELI obbligatorio secondo ISO 5832-3, ASTM F136 e ASTM F1472. Le apparecchiature per il trattamento chimico richiedono la convalida della resistenza alla corrosione in specifici mezzi di processo e una dimostrata saldabilità secondo ASTM B265, ASTM G28 e NACE MR0175 o ISO 15156. Le strutture marine e offshore devono resistere alla corrosione dell'acqua di mare e dimostrare compatibilità con i sistemi di protezione catodica secondo ASTM B265 e DNV-OS-B401. Le applicazioni nucleari controllano la sezione trasversale di assorbimento dei neutroni, la stabilità delle radiazioni e il contenuto di oligoelementi secondo il codice ASME per caldaie e recipienti a pressione Sezione II Parte D.
10. Certificazione e Documentazione
Ogni lotto di produzione deve essere accompagnato da un certificato di prova del mulino che documenti i risultati dell'analisi chimica, i risultati dei test sulle proprietà meccaniche, la tracciabilità del numero di calore e le dimensioni effettive misurate. Questo certificato è obbligatorio secondo ASTM B265. I certificati dei test non-distruttivi riportano i risultati degli ultrasuoni, dei penetranti o delle radiografie con i record di qualificazione dell'operatore. I rapporti metallurgici includono microfotografie della microstruttura, dimensione dei grani misurati e valutazioni di inclusione per applicazioni critiche. I certificati del trattamento termico documentano i parametri del ciclo, il tipo di atmosfera e i registri di calibrazione della termocoppia. Rapporti completi sulla tracciabilità stabiliscono l'origine del materiale, la pratica di fusione e la cronologia completa della lavorazione, che è essenziale per la conformità alle normative aerospaziali e dei dispositivi medici.
