1. Zpracování komerčně čistého titanu za studena
1.1 Obtížnost zpracování
Nízká tažnost- při pokojové teplotě a citlivost na mechanické zpevňování: Při pokojové teplotě má CP Ti krystalovou strukturu HCP s omezeným skluzovým systémem (pouze 3 nezávislé skluzové systémy), což má za následek relativně špatnou schopnost plastické deformace ve srovnání s kubickými kovy s plošným{1}}centrem (FCC) (např. hliníková slitina, austenitická nerezová ocel). Kromě toho má CP Ti extrémně vysokou rychlost mechanického zpevnění-jeho pevnost prudce roste s rostoucím stupněm deformace za studena. Například po 20% válcování za studena může pevnost v tahu Grade 2 CP Ti stoupnout z počátečních 345–415 MPa na více než 550 MPa, zatímco její prodloužení klesne z 20–25 % na méně než 8 %. To znamená, že při kontinuálním tváření za studena (jako je hluboké tažení, ohýbání) je materiál náchylný k praskání, pokud se neprovádí mezizpracování.
Vysoká odolnost proti deformaci: CP Ti má vysokou mez kluzu a průtočné napětí při pokojové teplotě. Například mez kluzu CP Ti jakosti 2 je asi 275–345 MPa, což je výrazně vyšší hodnota než u slitiny hliníku 6061-T6 (asi 240 MPa) a blíží se mez kluzu nízkouhlíkové oceli (asi 250–300 MPa). Při zpracování za studena jsou vyžadována vyšší tvářecí zatížení, což klade vyšší požadavky na tuhost a tonáž tvářecích zařízení.
Citlivost kvality povrchu: CP Ti má vysokou chemickou aktivitu při pokojové teplotě a je náchylný k vytváření tvrdého a křehkého oxidového filmu (TiO₂) na povrchu. Během deformace za studena (jako je tažení a válcování) může oxidový film snadno spadnout a způsobit povrchové škrábance nebo přilnutí k formě, což ovlivňuje povrchovou úpravu obrobku. Kromě toho, pokud má povrch defekty (jako jsou mikrotrhliny), snadno dojde při zpracování za studena ke koncentraci napětí, což vede k expanzi defektů a dokonce ke zlomení obrobku.
1.2 Zvláštní procesní požadavky
Ošetření středním žíháním: Když stupeň deformace za studena překročí 15–20 %, musí být provedeno střední žíhání na odlehčení pnutí nebo rekrystalizační žíhání, aby se eliminovalo mechanické zpevňování, obnovila se tažnost materiálu a zabránilo se praskání při následném zpracování. Teplota žíhání je obecně 600–700 stupňů a doba výdrže je 0,5–2 hodiny, s chlazením pece nebo vzduchem, aby se zajistila rekrystalizace materiálu a eliminace vnitřního pnutí.
Technologie forem a mazání: Forma by měla být vyrobena z materiálů o vysoké{0}}tvrdosti a opotřebení- (jako je slinutý karbid nebo rychlo{2}}ocel s povrchovou úpravou) a povrch by měl být leštěný, aby se snížilo tření. Současně je nutné používat vysoce-výkonná maziva (jako jsou maziva na bázi sirníku molybdeničitého-nebo speciální oleje pro zpracování titanu), aby se vytvořil stabilní mazací film mezi formou a obrobkem, aby se zabránilo přilnavosti a snížila se odolnost proti deformaci a poškrábání povrchu.
Předúprava povrchu: Před zpracováním za studena musí být povrchový oxidový film a nečistoty z titanového polotovaru odstraněny metodami, jako je moření (směs kyseliny fluorovodíkové a kyseliny dusičné, vzorec je obecně 2–5 % HF + 15–20 % HNO₃ + voda) nebo pískování, aby byla zajištěna čistota povrchu a rovinnost povrchu polotovaru a aby se zabránilo dopadu na kvalitu povrchu polotovaru.
Řízená rychlost deformace a velikost deformace: Rychlost deformace za studena by měla být střední (obecně je rychlost deformace řízena na 0,001–0,1 s⁻¹). Příliš vysoká rychlost deformace způsobí, že materiál nebude mít dostatek času na plastický tok, což povede k praskání; příliš pomalé tempo sníží efektivitu výroby. Současně by měla být přísně kontrolována míra jednoprůchodové deformace (například míra redukce při jednoprůchodovém válcování za studena je obecně 5–10 % a jednoprůchodový úhel ohybu není větší než 30 stupňů) a vícenásobné průchody malé deformace by měly být přijaty s mezilehlým žíháním, aby byla zajištěna rovnoměrnost deformace.
2. Opracování komerčně čistého titanu za tepla
2.1 Obtížnost zpracování
Úzký rozsah pracovních teplot za horka: Teplota fázového přechodu CP Ti je asi 882 stupňů (struktura HCP (-fáze) se nad touto teplotou přemění na těleso-centrovanou kubickou (BCC) strukturu (-fáze)). Optimální rozsah pracovních teplot za horka je obecně 700–850 stupňů (mezi pokojovou teplotou a teplotou fázového přechodu, tj. v -oblasti fáze). Pokud je teplota nižší než 700 stupňů, materiál má stále vysokou odolnost proti deformaci a zjevné zpevnění; pokud teplota překročí 850 stupňů (blízko teploty fázového přechodu), zrno poroste rychle, což má za následek hrubozrnnou strukturu obrobku, která snižuje mechanické vlastnosti (jako je houževnatost a únavová pevnost). Kromě toho, pokud teplota překročí 882 stupňů a vstoupí do oblasti -fázové fáze, zrno bude vážně zhrubnout a po ochlazení se vytvoří dokonce křehké mezikrystalové fáze, což výrazně zhorší vlastnosti materiálu.
Vysoká-citlivost na oxidaci a znečištění: CP Ti má extrémně silnou chemickou reaktivitu při vysokých teplotách (nad 400 stupňů) a bude reagovat s kyslíkem, dusíkem, vodíkem a dalšími plyny ve vzduchu za vzniku křehkých povrchových vrstev:
Oxidace: Vytváření porézních a křehkých okují TiO₂, které snižují kvalitu povrchu a mechanické vlastnosti obrobku;
Nitridace: Vytváření tvrdé a křehké fáze TiN, která činí materiál křehkým a náchylným k praskání během zpracování;
Absorpce vodíku: Vytváření křehké fáze TiH, což vede k vodíkovému zkřehnutí materiálu a snížení jeho houževnatosti.
Nízká tepelná vodivost a nerovnoměrné rozložení teplot: Tepelná vodivost CP Ti je pouze asi 1/5 tepelné vodivosti oceli a 1/3 tepelné vodivosti hliníkové slitiny. Při zpracování za tepla je přenos tepla uvnitř materiálu pomalý, což snadno způsobí nerovnoměrné rozložení teploty mezi povrchem a jádrem obrobku, což má za následek nerovnoměrnou deformaci a vnitřní pnutí a dokonce i praskání nebo deformaci obrobku.
2.2 Zvláštní procesní požadavky
Přesná regulace teploty: Teplota ohřevu musí být přísně kontrolována v rozsahu 700–850 stupňů a teplotní odchylka by neměla překročit ±10 stupňů. Ohřívací zařízení by mělo místo ohřevu otevřeným plamenem používat přesně řízenou-elektrickou pec nebo vakuovou pec (aby se zabránilo místnímu přehřátí nebo nerovnoměrnému ohřevu). Během zpracování by měla být teplota obrobku monitorována v reálném čase (pomocí infračerveného měření teploty nebo termočlánku). Pokud teplota klesne pod 700 stupňů, obrobek by měl být vrácen do pece k opětovnému zahřátí, aby se zabránilo zpracování v zóně nízké-teploty s vysokou odolností proti deformaci.
Ochranná atmosféra nebo povrchový nátěr: Abyste zabránili vysokoteplotní{0}}oxidaci a znečištění plyny, lze přijmout následující ochranná opatření:
Vakuové vytápění: Zahřívání obrobku ve vakuovém prostředí (stupeň vakua větší nebo rovný 10⁻³ Pa), aby se zcela izoloval vzduch a zabránilo se reakci plynu;
Ochrana inertním plynem: Plnění ohřívací pece argonem nebo dusíkem o vysoké čistotě - (dusík je vhodný pouze pro nízkoteplotní ohřev pod 600 stupňů, aby se zabránilo nitridaci), aby se vytvořila ochranná atmosféra;
Povrchová anti-oxidační vrstva: Potažení povrchu obrobku speciálním anti{0}}oxidačním povlakem (např. skleněným -potahem nebo povlakem na bázi boru-bóru) před ohřevem, který může při vysokých teplotách vytvořit hustý ochranný film, který izoluje kyslík a dusík.
Rozumné parametry procesu zpracování za tepla: Rychlost deformace za tepla by měla být řízena na 0,1–10 s⁻¹ (-fáze CP Ti má v tomto rozsahu rychlosti deformace lepší plasticitu). Velikost jednoprůchodové deformace by měla být přiměřeně zvýšena (obecně o 30–50 %), aby se plně využila vysoká plasticita materiálu při vysokých teplotách a zabránilo se vícenásobným malým deformacím vedoucím ke hrubnutí zrna. Po zpracování za tepla by měl být obrobek včas ochlazen (chlazení vzduchem nebo chlazení vodou, v závislosti na jakosti a tloušťce materiálu), aby se potlačil růst zrn a zajistila se jemnozrnná-struktura.
Tepelné zpracování po-zpracování: Po opracování za tepla je třeba obrobek podrobit žíhání na odlehčení pnutí nebo rekrystalizačnímu žíhání, aby se odstranilo vnitřní pnutí a zjemnila se zrna. Teplota žíhání je 600–700 stupňů a doba výdrže se určuje podle tloušťky obrobku (obecně 1–3 hodiny). U obrobků s vysokými požadavky na výkon lze pro další optimalizaci struktury a vlastností použít dvojité žíhání (nejprve zahřátí na 750 stupňů pro držení, poté ochlazení na 600 stupňů pro držení a nakonec chlazení vzduchem).
