1. Tính khả thi của việc kiểm soát độ cứng chính xác cho vật liệu Titan
(1) Phương pháp điều khiển và độ chính xác
Kiểm soát tạp chất: Hàm lượng oxy/sắt cao hơn làm tăng độ cứng (ví dụ, Ti loại 1 có ~80–100 HB, trong khi Ti loại 4 có tạp chất cao hơn đạt 140–160 HB). Bằng cách kiểm soát chính xác mức độ tạp chất trong quá trình nấu chảy, nhà sản xuất có thể ổn định độ cứng trong phạm vi dung sai ±5 HB đối với các sản phẩm{10}}công nghiệp và ±3 HB đối với-các cấp độ tinh khiết cao trong y tế/hàng không vũ trụ.
Gia công nguội: Cán nguội hoặc kéo kéo làm tăng độ cứng của CP Ti bằng cách tạo ra các sai lệch (ví dụ: Ti cấp 2 được ủ là ~100 HB, trong khi được gia công nguội 50%-Ti cấp 2 tăng lên ~180 HB). Độ cứng có thể được tinh chỉnh-bằng cách điều chỉnh tỷ lệ phần trăm gia công nguội với độ chính xác kiểm soát là ±8 HB đối với các bộ phận số lượng lớn.
Ủ: Ti-6Al-4V được ủ hoàn toàn có độ cứng 280–320 HB (hoặc ~28–32 HRC), với dung sai ±5 HB cho các lô sản xuất tiêu chuẩn.
Giải pháp ủ và lão hóa: Bằng cách thay đổi nhiệt độ dung dịch (800–950 độ ), thời gian giữ (1–4 giờ) và các thông số lão hóa (450–550 độ trong 2–8 giờ), độ cứng có thể được điều chỉnh chính xác thành 320–380 HB (32–38 HRC) cho các ứng dụng có độ bền{12}}trung bình hoặc 380–420 HB (38–42 HRC) cho các bộ phận hàng không vũ trụ có độ bền{17}}cao. Dây chuyền sản xuất tiên tiến có thể đạt được dung sai độ cứng ±3 HB cho các bộ phận quan trọng, đáp ứng các yêu cầu chứng nhận hàng không vũ trụ (ví dụ: AMS 4928).
(2) Các yếu tố chính ảnh hưởng đến việc kiểm soát độ cứng
Thành phần hóa học: Đối với CP Ti, hàm lượng oxy là yếu tố chi phối (mỗi lần tăng oxy 0,1% sẽ làm tăng độ cứng thêm ~10 HB). Đối với Ti-6Al-4V, việc kiểm soát chính xác tỷ lệ Al/V (6% Al, 4% V) đảm bảo độ cứng ổn định trong quá trình xử lý nhiệt.
Tính đồng nhất của cấu trúc vi mô: Các cấu trúc vi mô mịn, đồng nhất + dạng lớp hoặc cân bằng cho phép độ cứng nhất quán tốt hơn; hạt thô hoặc phân bố pha không đồng đều dẫn đến biến động độ cứng.
Thiết bị chế biến: Lò xử lý nhiệt chân không có khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác (±5 độ) và hệ thống làm nguội rất quan trọng để có độ cứng đồng đều giữa các bộ phận.
2. Các kịch bản ứng dụng cho các cấp độ cứng khác nhau của vật liệu titan
(1) Cấp độ cứng-Thấp ( Nhỏ hơn hoặc bằng 150 HB,<15 HRC)
Các loại vật liệu: Được ủ CP Ti Cấp 1/2 (80–120 HB) và nguội nhẹ-làm việc Cấp 3 (120–150 HB).
Thuộc tính chính: Excellent ductility (elongation >20%), khả năng chống ăn mòn cao và khả năng tạo hình nguội tốt.
Kịch bản ứng dụng:
Công nghiệp hóa chất: Đường ống-chống ăn mòn, ống trao đổi nhiệt và lớp lót bể chứa (Cấp 1/2).
Lĩnh vực y tế: Dụng cụ phẫu thuật, cấy ghép nha khoa (Cấp 2, do tương thích sinh học và độ cứng thấp để tương thích mô) và ống thông mềm.
Kiến trúc: Tấm ốp trang trí và tấm kết cấu nhẹ (Cấp 2, về khả năng định hình và chống ăn mòn trong môi trường ngoài trời).
(2) Cấp độ cứng-trung bình (150–300 HB, 15–30 HRC)
Các loại vật liệu: CP Ti cấp 4 được gia công nguội (150–180 HB), ủ Ti-6Al-4V (280–300 HB) và các hợp kim titan alpha khác (ví dụ: Ti-5Al-2.5Sn, 250–280 HB).
Thuộc tính chính: Độ bền cân bằng (độ bền kéo 400–800 MPa), khả năng chống mài mòn vừa phải và duy trì khả năng chống ăn mòn.
Kịch bản ứng dụng:
Kỹ thuật hàng hải: Các bộ phận thân tàu, ốc vít giàn khoan ngoài khơi và máy bơm nước biển (Ti-4 cấp và Ti-6Al-4V được ủ, cho khả năng chống ăn mòn và độ bền trung bình).
Công nghiệp ô tô: Linh kiện hệ thống xả và giá đỡ nhẹ (Ti-6Al-4V, chịu nhiệt và giảm trọng lượng).
Công nghiệp nói chung: Thân van, các bộ phận của bình áp lực và ốc vít chính xác (để đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc dưới tải vừa phải).
(3) Cấp độ cứng-Cao (300–420 HB, 30–42 HRC)
Các loại vật liệu: Dung dịch-được ủ và lão hóa (STA) Ti-6Al-4V (320–420 HB), Ti-6Al-4V ELI (300–350 HB dùng trong y tế) và hợp kim titan beta (ví dụ: Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, 350–400 HB).
Thuộc tính chính: High tensile strength (>900 MPa), khả năng chống mỏi tuyệt vời và khả năng chống mài mòn được nâng cao (so với các loại được ủ).
Kịch bản ứng dụng:
Hàng không vũ trụ: Các bộ phận của thiết bị hạ cánh máy bay, cánh động cơ và khung kết cấu (STA Ti-6Al-4V, cho độ bền và độ cứng cao khi chịu tải trọng cực lớn).
Cấy ghép y tế: Chân giả hông/đầu gối và thiết bị kết hợp cột sống (Ti-6Al-4V ELI, 300–350 HB, cân bằng độ cứng để chịu tải và tương thích sinh học).
Thiết bị phòng thủ và thể thao: Lớp giáp, khung xe đạp-hiệu suất cao và đầu gậy chơi gôn (hợp kim titan beta, cho độ cứng cao và khả năng chống va đập).
(4) Ultra-Hard Grade (>420 HB, >42 HRC, Sử dụng hạn chế)
Các loại vật liệu: Special heat-treated or surface-hardened titanium alloys (e.g., nitrided Ti-6Al-4V, surface hardness >55 HRC).
Thuộc tính chính: Khả năng chống mài mòn bề mặt vượt trội nhưng độ dẻo giảm đáng kể (độ giãn dài<5%) and increased brittleness.
Kịch bản ứng dụng:
Kỹ thuật chính xác:-Các thành phần chống mài mòn (ví dụ: đế van, bề mặt ổ trục) khi yêu cầu độ cứng cục bộ; vật liệu lõi vẫn có độ cứng-thấp để tạo độ dẻo dai, trong khi bề mặt được làm cứng thông qua quá trình thấm nitơ hoặc cacbon hóa.
Dụng cụ: Dụng cụ cắt và khuôn-quy mô nhỏ để gia công kim loại màu (hạn chế sử dụng do tính giòn).
