Ved fremstilling af titaniumvarmerør reducerer koldtrækning tværsnitsarealet med en vis procentdel før den endelige udglødning. Koldbearbejdningsniveauet bestemmer drivkraften for omkrystallisation under udglødning. Et lavt koldbearbejdningsniveau på 5 % giver store omkrystalliserede korn af ASTM 4–5 (diameter 80–120 µm). Et højt koldbearbejdningsniveau på 20 % giver fine omkrystalliserede korn af ASTM 8–10 (diameter 11–22 µm). I luft ved 300 grader udviser det finkornede-materiale 3-5 gange højere modstandsdygtighed over for termisk udmattelsesrevner, fordi mindre korn giver mere korngrænseareal for at imødekomme cyklisk termisk belastning og modstå revneudbredelse.

Mekanismen for kornstørrelses indflydelse på termisk træthedsmodstand

Under termisk cykling ved 300 grader udvider titaniumrøret sig og trækker sig sammen. Den cykliske belastning optages af slip og korngrænseglidning. Fint-materiale har flere korngrænser pr. volumenenhed, hvilket gør det muligt at fordele stammen mere jævnt. Revneinitiering forekommer ved glidebånd og korngrænser; finere korn reducerer glidelængden og spændingskoncentrationen ved korngrænser. Væksthastigheden for træthedsrevner følger da/dN ∝ d^0,5, hvor d er kornstørrelse. Halvering af korndiameteren reducerer revnevæksthastigheden med 30%. Derudover giver fine korn flere barrierer for sprækkeudbredelse, hvilket tvinger revner til at ændre retning og sprede energi.

Kvantitativ omkrystalliseret kornstørrelse som en funktion af koldt arbejde

Kontrolleret udglødning af Grade 2 titanium rør ved 700 grader i 30 minutter, efter forskellige koldt arbejdsniveauer, har etableret følgende omkrystalliserede kornstørrelser. Ved 5 % koldt arbejde er den omkrystalliserede kornstørrelse ASTM 3–5 (diameter 50–125 µm), og hårdheden efter udglødning er 160–180 HV. Ved 10 % koldt arbejde er kornstørrelsen ASTM 5–7 (32–64 µm), og hårdheden er 170–190 HV. Ved 15 % koldt arbejde er kornstørrelsen ASTM 7–8 (22–45 µm), og hårdheden er 180–200 HV. Ved 20 % koldt arbejde er kornstørrelsen ASTM 8–9 (16–32 µm), og hårdheden er 190–210 HV. Ved 30 % koldt arbejde er kornstørrelsen ASTM 9–10 (11–22 µm), og hårdheden er 200–220 HV. Ved 40 % koldt arbejde er kornstørrelsen ASTM 10–11 (8–16 µm), og hårdheden er 210–230 HV.

Termisk træthedslevetid ved 300 grader som en funktion af kornstørrelse

Cyklisk test i luft ved 300 grader med et temperatursving på 250 grader (50 grader til 300 grader) over 10.000 cyklusser har etableret følgende termiske udmattelsesrevnedybder for grad 2 titanium. For ASTM kornstørrelse 3–5 (5 % koldt arbejde) er revnedybden efter 10.000 cyklusser 150–300 µm, og udmattelseslevetiden til 1 mm revne er 30.000–50.000 cyklusser. For ASTM kornstørrelse 5–7 (10 % koldt arbejde) er revnedybden 80–150 µm, og levetiden til 1 mm er 60.000–100.000 cyklusser. For ASTM kornstørrelse 7–8 (15 % koldt arbejde) er revnedybden 40–80 µm, og levetiden til 1 mm er 120.000–200.000 cyklusser. For ASTM kornstørrelse 8–9 (20 % koldt arbejde) er revnedybden 20–40 µm, og levetiden til 1 mm er 250.000–400.000 cyklusser. For ASTM kornstørrelse 9–10 (30 % koldt arbejde) er revnedybden 10–20 µm, og levetiden til 1 mm overstiger 500.000 cyklusser.

Vejledning til valg af koldt arbejde og kornstørrelse til 300 graders luftservice

Følgende tabel giver anbefalinger for forudgående koldbearbejdningsniveau og resulterende kornstørrelse for titaniumvarmerør beregnet til drift i luft ved 300 grader, baseret på forventede termiske cyklusser og ønsket udmattelseslevetid.

Engineering Beyond Cold Work Control

Titanium-kvaliteten påvirker omkrystallisationsadfærden. Grade 7 omkrystalliserer ved en lidt højere temperatur end Grade 2 på grund af palladium, men den endelige kornstørrelse for et givet koldt arbejdsniveau er ens. Grad 5 (Ti-6Al-4V) omkrystalliserer ikke fuldstændigt under disse forhold. Vægtykkelsen påvirker ikke kornstørrelsen direkte, men påvirker sprækkeudbredelsen; en 2,0 mm væg med en 20 µm revne har 98 % tilbage af væggen. Udglødningstemperaturen og -tiden påvirker også kornstørrelsen; højere temperaturer eller længere tid groft korn. For maksimal termisk udmattelsesbestandighed er koldt arbejde over 20% gavnligt, men overdreven koldt arbejde (over 40%) kan forårsage revner under tegning.

Udarbejdelse af en informeret specifikation

For et titanium-varmerør, der arbejder i luft ved 300 grader med betydelige termiske cyklusser, skal du angive et forudgående koldbearbejdningsniveau på 20–30 % før den endelige udglødning. Kræv en endelig omkrystalliseret kornstørrelse på ASTM 8 eller finere. For applikationer med færre end 60.000 forventede cyklusser er 10-15 % koldt arbejde acceptabelt. Ved svær cykling (dagligt start-stop i 10 år, ca. 3.650 cyklusser), er forskellen mellem ASTM 5 og ASTM 8 ubetydelig, og standard koldt arbejde er tilstrækkeligt. Angiv 30 % koldt arbejde og ASTM kornstørrelse 9 eller finere til kritiske applikationer med hurtig termisk cyklus (mange cyklusser pr. dag). Ved at kontrollere koldbearbejdningsniveauet før udglødning skræddersyr ingeniøren kornstørrelsen for at opnå den nødvendige termiske udmattelsesmodstand ved 300 grader.,