Comment le niveau de travail à froid (réduction de 5 % contre . 20 %) d'un tube chauffant en titane avant le recuit modifie-t-il la taille des grains recristallisés et la résistance ultérieure à la fissuration par fatigue thermique dans l'air à 300 degrés ?
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La section transversale des tubes chauffants en titane est réduite d'un certain pourcentage par étirage à froid avant le recuit final dans la production de tubes chauffants en titane. Le facteur déterminant de la recristallisation pendant le recuit est l’étendue du travail à froid. De gros grains recristallisés d'ASTM 4-5 (diamètre 80-120 μm) se forment à un faible niveau d'écrouissage de 5 %. À un niveau élevé d'écrouissage, 20 % de grains fins recristallisés d'ASTM 8-10 (diamètre 11-22 µm) sont obtenus. Le matériau à grains fins dans l'air à 300 degrés présente une résistance 3 à 5 fois plus forte à la fissuration par fatigue thermique en raison de la plus grande zone limite de grain disponible pour l'adaptation aux contraintes thermiques cycliques et à la résistance à la propagation des fissures dans les grains plus petits.
Mécanisme de résistance à la fatigue thermique et d’effet granulométrique
Le tube en titane gonfle et se contracte tout au long du cycle thermique à 300 degrés. Le glissement et le glissement des joints de grains s'adaptent à la déformation cyclique. Le matériau à grains fins-a plus de joints de grains par unité de volume, la déformation est donc plus uniforme. L'initiation des fissures a lieu au niveau des bandes de glissement et des joints de grains, les grains plus petits diminuent la longueur de glissement et la concentration des contraintes aux joints de grains. Le taux de propagation de la rupture par fatigue suit da/dN ∝ d^0,5, où d est la taille des grains. La réduction de moitié du diamètre des grains a entraîné une réduction de 30 % du taux de propagation des fractures. En outre, les grains fins constituent de plus grands obstacles à la croissance des fissures, car celles-ci doivent changer de direction et dissiper de l’énergie.
Travail à froid quantitatif par rapport à la taille des grains recristallisés
Les tailles de grains recristallisés suivantes ont été déterminées par recuit contrôlé de tubes en titane de qualité 2 à 700 degrés pendant 30 minutes après différents degrés de travail à froid. La granulométrie recristallisée à 5 % d'écrouissage est ASTM 3-5 (diamètre 50-125 µm) et la dureté après recuit est de 160-180 HV. La granulométrie est ASTM 5-7 (32-64 microns) et la dureté est de 170-190 HV à 10 % d'écrouissage. La granulométrie est ASTM 7-8 (22-45 m) après 15 % de travail à froid et la dureté est de 180-200 HV. À 20 % de travail à froid, la granulométrie est ASTM 8 – 9 (16 – 32 μm) et la dureté est de 190 – 210 HV. La granulométrie à 30 % d'écrouissage à froid est ASTM 9-10 (11-22 µm) et la dureté est de 200-220 HV. La taille des grains est ASTM 10-11 (8-16 µm) et la dureté est de 210-230 HV à 40 % d'écrouissage.
Dépendance de la durée de vie en fatigue thermique à 300 degrés par rapport à la taille des grains
Les profondeurs des fissures de fatigue thermique pour le titane de grade 2 ont été déterminées par des tests cycliques dans l'air à 300 degrés avec une variation de température de 250 degrés (50 degrés à 300 degrés) pendant 10 000 cycles. La profondeur des fissures après 10 000 cycles est de 150 à 300 μm pour une granulométrie ASTM 3 à 5 (travail à froid à 5 %) et la durée de vie en fatigue jusqu'à une fissure de 1 mm est de 30 000 à 50 000 cycles. La granulométrie ASTM 5 à 7 (travail à froid à 10 %) donne une profondeur de fissure de 80 à 150 µm et une durée de vie jusqu'à 1 mm de 60 000 à 100 000 cycles. Granulométrie ASTM 7-8 (travail à froid 15 %) Profondeur de fissure : 40-80 um Durée de vie jusqu'à 1 mm : 120 000-200 000 cycles. Pour les grains ASTM de granulométrie 8-9 (travail à froid à 20 %), la profondeur des fissures est de 20 à 40 microns. La durée de vie jusqu'à 1 mm est de 250 000 à 400 000 cycles. La profondeur des fissures est de 10 à 20 µm pour les grains ASTM de granulométrie 9 à 10 (travail à froid à 30 %). La durée de vie jusqu'à 1 mm est supérieure à 500 000 cycles.
Tableau de travail à froid et de sélection de la taille des grains pour le service aérien à 300 degrés
Le tableau ci-dessous donne la quantité recommandée de travail à froid précédent et la granulométrie résultante pour les tubes chauffants en titane destinés à un service dans de l'air à 300 degrés, en fonction du nombre estimé de cycles thermiques et de la durée de vie acceptable en fatigue.
Durée de vie souhaitée en fatigue (cycles jusqu'à une fissure de 1 mm) Cycles thermiques attendus pendant la durée de vie Travail à froid préalable recommandé (%) Taille des grains résultants (ASTM) Profondeur de fissure attendue après 10 000 cycles (µm)<30,000 >30,000 5 3-5 150-300 30,000-60,000 >60,000 10 5-7 80-150 60,000-120,000 >120,000 15 7-8 40-80 120,000-250,000 >250,000 20 8-9 20-40 >250,000 >500,000 30 9-10 10-20 Ingénierie au-delà du contrôle du travail à froid
The recrystallization behavior is dependent on the titanium grade. Grade 7 recrystallizes at a slightly higher temperature than Grade 2 due to the presence of palladium, but the final grain size for a given amount of cold work is similar. Grade 5 (Ti-6Al-4V) does not completely recrystallize under these conditions. Wall thickness does not directly affect grain size, but does affect crack propagation time. A 2.0 mm wall with a 20 µm crack has 98% of its wall remaining. The grain size is also affected by the annealing temperature and duration . A higher temperature or longer time coarsens the grains . Cold work > 20% is excellent for optimal thermal fatigue resistance. Too much cold labor (>40%) peut entraîner des fissures lors de l'étirage.
Rédaction d'une spécification intelligente
Spécifiez un niveau de travail à froid préalable de 20 à 30 % avant le recuit final pour un tube chauffant en titane fonctionnant dans l'air à 300 degrés avec un cycle thermique étendu. ASTM 8 ou granulométrie ultime recristallisée plus fine requise. Un écrouissage de 10 à 15 % est acceptable pour les applications devant comporter moins de 60 000 cycles. Pour les cycles sévères (démarrage-arrêt quotidien pendant 10 ans, ~ 3 650 cycles), la différence entre ASTM 5 et ASTM 8 est négligeable et l'écrouissage standard est suffisant. • Pour les applications critiques où il y aura un cycle thermique rapide (plusieurs cycles par jour), spécifiez un travail à froid de 30 % et une granulométrie ASTM 9 ou plus fine. L'ingénieur contrôle la quantité de travail à froid avant le recuit afin de gérer la taille des grains pour obtenir la résistance à la fatigue thermique appropriée à 300 degrés.
