1. Gia công nguội Titan nguyên chất thương mại
1.1 Độ khó xử lý
Độ dẻo ở nhiệt độ phòng thấp-và độ nhạy khi gia công cứng lại: Ở nhiệt độ phòng, CP Ti có cấu trúc tinh thể HCP với hệ thống trượt hạn chế (chỉ có 3 hệ thống trượt độc lập), dẫn đến khả năng biến dạng dẻo tương đối kém so với các kim loại lập phương tâm mặt-(FCC) (ví dụ: hợp kim nhôm, thép không gỉ austenit). Hơn nữa, CP Ti có tốc độ hóa cứng cực cao-độ bền của nó tăng mạnh khi mức độ biến dạng nguội tăng lên. Ví dụ, sau khi cán nguội 20%, độ bền kéo của CP Ti loại 2 có thể tăng từ 345–415 MPa ban đầu lên hơn 550 MPa, trong khi độ giãn dài của nó giảm từ 20–25% xuống dưới 8%. Điều này có nghĩa là trong quá trình tạo hình nguội liên tục (chẳng hạn như kéo sâu, uốn), vật liệu dễ bị nứt nếu không thực hiện xử lý trung gian.
Khả năng chống biến dạng cao: CP Ti có cường độ chảy cao và ứng suất chảy ở nhiệt độ phòng. Ví dụ, cường độ chảy của CP Ti loại 2 là khoảng 275–345 MPa, cao hơn đáng kể so với hợp kim nhôm 6061-T6 (khoảng 240 MPa) và gần bằng thép cacbon thấp (khoảng 250–300 MPa). Tải trọng tạo hình cao hơn được yêu cầu trong quá trình xử lý nguội, điều này đặt ra yêu cầu cao hơn về độ cứng và trọng tải của thiết bị tạo hình.
Độ nhạy chất lượng bề mặt: CP Ti có hoạt tính hóa học cao ở nhiệt độ phòng và dễ hình thành màng oxit cứng và giòn (TiO₂) trên bề mặt. Trong quá trình biến dạng nguội (như kéo và lăn), màng oxit dễ rơi ra và gây trầy xước bề mặt hoặc bám dính vào khuôn, ảnh hưởng đến độ bóng bề mặt của phôi. Ngoài ra, nếu bề mặt có khuyết tật (chẳng hạn như vết nứt nhỏ), nồng độ ứng suất dễ xảy ra trong quá trình gia công nguội, dẫn đến khuyết tật mở rộng và thậm chí là gãy phôi.
1.2 Yêu cầu quy trình đặc biệt
Xử lý ủ trung gian: Khi mức độ biến dạng nguội vượt quá 15–20%, phải tiến hành ủ giảm ứng suất trung gian hoặc ủ kết tinh lại để loại bỏ hiện tượng cứng hóa công việc, khôi phục độ dẻo của vật liệu và tránh nứt trong quá trình xử lý tiếp theo. Nhiệt độ ủ thường là 600–700 độ và thời gian giữ là 0,5–2 giờ, làm mát bằng lò hoặc làm mát bằng không khí để đảm bảo sự kết tinh lại của vật liệu và loại bỏ ứng suất bên trong.
Công nghệ khuôn và bôi trơn: Khuôn phải được làm bằng vật liệu-có độ cứng và chống mài mòn-cao (chẳng hạn như cacbua xi măng hoặc thép tốc độ cao-có lớp phủ bề mặt) và bề mặt phải được đánh bóng để giảm ma sát. Đồng thời, phải sử dụng chất bôi trơn hiệu suất cao-(chẳng hạn như chất bôi trơn gốc molybdenum disulfide-hoặc dầu xử lý titan đặc biệt) để tạo thành màng bôi trơn ổn định giữa khuôn và phôi, ngăn chặn sự bám dính và giảm khả năng chống biến dạng và trầy xước bề mặt.
Tiền xử lý bề mặt: Trước khi xử lý lạnh, màng oxit bề mặt và tạp chất của phôi titan phải được loại bỏ bằng các phương pháp như tẩy rửa (hỗn hợp axit hydrofluoric và axit nitric, công thức chung là 2–5% HF + 15–20% HNO₃ + nước) hoặc phun cát, để đảm bảo độ sạch và độ phẳng bề mặt của phôi, đồng thời tránh ảnh hưởng của các khuyết tật bề mặt đến chất lượng xử lý.
Tốc độ biến dạng được kiểm soát và lượng biến dạng: Tốc độ biến dạng nguội phải ở mức vừa phải (nói chung, tốc độ biến dạng được kiểm soát ở mức 0,001–0,1 s⁻¹). Tốc độ biến dạng quá nhanh sẽ khiến vật liệu không đủ thời gian để chảy dẻo, dẫn đến nứt; tốc độ quá chậm sẽ làm giảm hiệu quả sản xuất. Đồng thời, lượng biến dạng-lượt một lần phải được kiểm soát chặt chẽ (ví dụ: tốc độ giảm-lượt một lần của cán nguội thường là 5–10% và góc uốn một lần-không quá 30 độ) và nên áp dụng nhiều lượt biến dạng nhỏ với quá trình ủ trung gian để đảm bảo tính đồng nhất của biến dạng.
2. Gia công nóng Titan nguyên chất thương mại
2.1 Độ khó xử lý
Phạm vi nhiệt độ làm việc nóng hẹp: Nhiệt độ chuyển pha của CP Ti là khoảng 882 độ (cấu trúc HCP ( -pha) được chuyển thành cấu trúc khối{2}}trung tâm (BCC) vật thể ( -pha) cao hơn nhiệt độ này). Phạm vi nhiệt độ làm việc nóng tối ưu thường là 700–850 độ (giữa nhiệt độ phòng và nhiệt độ chuyển pha, tức là ở -vùng pha). Nếu nhiệt độ thấp hơn 700 độ, vật liệu vẫn có khả năng chống biến dạng cao và độ cứng gia công rõ ràng; nếu nhiệt độ vượt quá 850 độ (gần với nhiệt độ chuyển pha), hạt sẽ phát triển nhanh chóng, dẫn đến cấu trúc hạt thô của phôi, làm giảm các tính chất cơ học (như độ bền và độ bền mỏi). Ngoài ra, nếu nhiệt độ vượt quá 882 độ và đi vào vùng pha -, hạt sẽ bị thô hóa nghiêm trọng và thậm chí các pha giữa các hạt giòn sẽ được hình thành sau khi làm mát, điều này sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của vật liệu.
Độ nhạy ô nhiễm và oxy hóa ở nhiệt độ-cao: CP Ti có khả năng phản ứng hóa học cực mạnh ở nhiệt độ cao (trên 400 độ), và sẽ phản ứng với oxy, nitơ, hydro và các khí khác trong không khí tạo thành các lớp bề mặt giòn:
Oxy hóa: Hình thành cặn TiO₂ xốp và giòn, làm giảm chất lượng bề mặt và tính chất cơ lý của phôi;
Nitrat hóa: Hình thành pha TiN cứng và giòn làm cho vật liệu giòn và dễ bị nứt trong quá trình gia công;
Hấp thụ hydro: Hình thành pha giòn TiH, dẫn đến hiện tượng giòn do hydro của vật liệu và làm giảm độ dẻo dai của vật liệu.
Độ dẫn nhiệt thấp và phân bố nhiệt độ không đồng đều: Độ dẫn nhiệt của CP Ti chỉ bằng khoảng 1/5 so với thép và 1/3 so với hợp kim nhôm. Trong quá trình gia công nóng, quá trình truyền nhiệt bên trong vật liệu chậm, dễ gây ra sự phân bố nhiệt độ không đồng đều giữa bề mặt và lõi phôi, dẫn đến biến dạng và ứng suất bên trong không đều, thậm chí nứt hoặc biến dạng phôi.
2.2 Yêu cầu quy trình đặc biệt
Kiểm soát nhiệt độ chính xác: Nhiệt độ gia nhiệt phải được kiểm soát chặt chẽ trong phạm vi 700–850 độ và độ lệch nhiệt độ không được vượt quá ± 10 độ. Thiết bị sưởi ấm nên sử dụng lò điện hoặc lò chân không được điều khiển chính xác-thay vì sưởi bằng ngọn lửa hở (để tránh quá nhiệt cục bộ hoặc gia nhiệt không đều). Trong quá trình xử lý, nhiệt độ của phôi phải được theo dõi theo thời gian thực (sử dụng phép đo nhiệt độ hồng ngoại hoặc cặp nhiệt điện). Nếu nhiệt độ giảm xuống dưới 700 độ, phôi phải được đưa trở lại lò để nung lại để tránh xử lý ở vùng nhiệt độ-thấp có khả năng chống biến dạng cao.
Môi trường bảo vệ hoặc lớp phủ bề mặt: Để ngăn chặn quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao và ô nhiễm khí, có thể thực hiện các biện pháp bảo vệ sau:
Sưởi ấm chân không: Làm nóng phôi trong môi trường chân không (độ chân không Lớn hơn hoặc bằng 10⁻³ Pa) để cách ly hoàn toàn không khí và tránh phản ứng khí;
Bảo vệ khí trơ: Đổ đầy khí argon hoặc nitơ có độ tinh khiết cao vào lò nung- (nitơ chỉ thích hợp để nung ở nhiệt độ thấp-dưới 600 độ để tránh quá trình nitrat hóa) để tạo thành bầu không khí bảo vệ;
Lớp phủ chống oxy hóa bề mặt: Phủ lên bề mặt phôi bằng một lớp phủ chống-oxy hóa đặc biệt (chẳng hạn như lớp phủ gốc thủy tinh-hoặc lớp phủ gốc boron-) trước khi gia nhiệt, lớp phủ này có thể tạo thành một lớp màng bảo vệ dày đặc ở nhiệt độ cao để cách ly oxy và nitơ.
Thông số quy trình gia công nóng hợp lý: Tốc độ biến dạng nóng phải được kiểm soát ở mức 0,1–10 s⁻¹ (pha -của CP Ti có độ dẻo tốt hơn trong phạm vi tốc độ biến dạng này). Lượng biến dạng-một lần phải được tăng một cách thích hợp (thường là 30–50%) để tận dụng tối đa độ dẻo cao của vật liệu ở nhiệt độ cao và tránh nhiều biến dạng nhỏ dẫn đến hạt thô. Sau khi xử lý nóng, phôi phải được làm nguội kịp thời (làm mát bằng không khí hoặc làm mát bằng nước, tùy thuộc vào loại và độ dày của vật liệu) để ngăn chặn sự phát triển của hạt và đảm bảo cấu trúc hạt mịn.
Sau{0}}xử lý nhiệt: Sau khi gia công nóng, phôi cần được ủ giảm ứng suất hoặc ủ kết tinh lại để loại bỏ ứng suất bên trong và tinh chế hạt. Nhiệt độ ủ là 600–700 độ và thời gian giữ được xác định theo độ dày của phôi (thường là 1–3 giờ). Đối với các phôi có yêu cầu hiệu suất cao, có thể áp dụng ủ kép (đầu tiên làm nóng đến 750 độ để giữ, sau đó làm mát đến 600 độ để giữ và cuối cùng là làm mát bằng không khí) để tối ưu hóa hơn nữa cấu trúc và tính chất.
