티타늄 히터 튜브 제조 시 냉간 인발은 최종 어닐링 전에 -단면적을 일정 비율만큼 줄입니다. 냉간 가공 수준은 어닐링 중 재결정화의 원동력을 결정합니다. 5%의 낮은 냉간 가공 수준에서는 ASTM 4~5(직경 80~120μm)의 큰 재결정 입자가 생성됩니다. 20%의 높은 냉간 가공 수준에서는 ASTM 8~10(직경 11~22μm)의 미세한 재결정 입자가 생성됩니다. 300도 공기 중에서 미세 입자 재료는 열 피로 균열에 대한 저항성이 3~5배 더 높습니다. 입자가 작을수록 주기적인 열 변형을 수용하고 균열 전파에 저항하기 위해 더 많은 입자 경계 영역을 제공하기 때문입니다.

열 피로 저항에 대한 입자 크기 영향의 메커니즘

300도의 열 순환 중에 티타늄 튜브가 팽창하고 수축합니다. 순환 변형은 미끄러짐과 결정립계 미끄러짐에 의해 수용됩니다. 미세한-입자 재료는 단위 부피당 더 많은 입자 경계를 가지므로 변형이 더욱 균일하게 분산됩니다. 균열 시작은 슬립 밴드와 결정립 경계에서 발생합니다. 미세한 입자는 미끄러짐 길이와 입자 경계에서의 응력 집중을 감소시킵니다. 피로 균열 성장률은 da/dN ∝ d^0.5를 따릅니다. 여기서 d는 입자 크기입니다. 입자 직경을 절반으로 줄이면 균열 성장 속도가 30% 감소합니다. 또한 미세한 입자는 균열 전파에 더 많은 장벽을 제공하여 균열의 방향을 바꾸고 에너지를 소산시킵니다.

냉간 가공의 함수로서 정량적 재결정 결정립 크기

다양한 냉간 작업 수준에 따라 700도에서 30분 동안 2등급 티타늄 튜브를 제어된 어닐링을 통해 다음과 같은 재결정 입자 크기가 확립되었습니다. 5% 냉간 가공에서 재결정된 입자 크기는 ASTM 3~5(직경 50~125μm)이고, 어닐링 후 경도는 160~180HV입니다. 10% 냉간 가공에서 입자 크기는 ASTM 5~7(32~64μm)이고 경도는 170~190HV입니다. 15% 냉간 가공에서 입자 크기는 ASTM 7–8(22–45 µm)이고 경도는 180–200 HV입니다. 20% 냉간 가공에서 입자 크기는 ASTM 8–9(16–32 µm)이고 경도는 190–210 HV입니다. 30% 냉간 가공에서 입자 크기는 ASTM 9–10(11–22 µm)이고 경도는 200–220 HV입니다. 40% 냉간 가공에서 입자 크기는 ASTM 10–11(8–16 µm)이고 경도는 210–230 HV입니다.

입자 크기에 따른 300도에서의 열피로 수명

10,000회 주기에 걸쳐 250도(50도 ~ 300도)의 온도 변화를 갖는 300도의 공기 중에서 반복 테스트를 통해 2등급 티타늄에 대해 다음과 같은 열 피로 균열 깊이가 확립되었습니다. ASTM 입자 크기 3~5(5% 냉간 가공)의 경우 10,000주기 후 균열 깊이는 150~300μm이고 1mm 균열까지의 피로 수명은 30,000~50,000주기입니다. ASTM 입자 크기 5~7(10% 냉간 가공)의 경우 균열 깊이는 80~150μm이고 1mm까지의 수명은 60,000~100,000주기입니다. ASTM 입자 크기 7~8(15% 냉간 가공)의 경우 균열 깊이는 40~80μm이고 1mm까지의 수명은 120,000~200,000주기입니다. ASTM 입자 크기 8~9(20% 냉간 가공)의 경우 균열 깊이는 20~40μm이고 1mm까지의 수명은 250,000~400,000주기입니다. ASTM 입자 크기 9~10(30% 냉간 가공)의 경우 균열 깊이는 10~20μm이고 1mm까지의 수명은 500,000사이클을 초과합니다.

300도 항공 서비스를 위한 냉간 가공 및 입자 크기 선택 가이드

다음 표는 예상되는 열 주기와 원하는 피로 수명을 기준으로 300도 공기에서 사용하도록 고안된 티타늄 히터 튜브의 이전 냉간 작업 수준과 결과적인 입자 크기에 대한 권장 사항을 제공합니다.

냉간 작업 제어를 넘어서는 엔지니어링

티타늄 등급은 재결정 거동에 영향을 미칩니다. 등급 7은 팔라듐으로 인해 등급 2보다 약간 높은 온도에서 재결정되지만 주어진 냉간 가공 수준에 대한 최종 입자 크기는 비슷합니다. 5등급(Ti-6Al-4V)은 이러한 조건에서 완전히 재결정되지 않습니다. 벽 두께는 입자 크기에 직접적인 영향을 미치지 않지만 균열 전파 시간에는 영향을 미칩니다. 20μm 균열이 있는 2.0mm 벽은 벽의 98%가 남아 있습니다. 어닐링 온도와 시간도 입자 크기에 영향을 미칩니다. 온도가 높거나 시간이 길면 곡물이 거칠어집니다. 최대 열피로 저항을 위해서는 20% 이상의 냉간 가공이 유리하지만, 과도한 냉간 가공(40% 이상)은 인발 시 균열이 발생할 수 있습니다.

정보에 근거한 사양 작성

상당한 열 순환이 있는 300도의 공기 중에서 작동하는 티타늄 히터 튜브의 경우 최종 어닐링 전에 사전 냉간 가공 수준을 20~30%로 지정합니다. ASTM 8 이상의 최종 재결정 입자 크기가 필요합니다. 예상 주기가 60,000회 미만인 응용 분야의 경우 10~15% 냉간 가공이 허용됩니다. 가혹한 사이클링(10년 동안 매일 시작{11}}중지, 약 3,650사이클)의 경우 ASTM 5와 ASTM 8의 차이는 무시할 수 있으며 표준 냉간 작업이면 충분합니다. 빠른 열 순환(하루에 여러 주기)이 있는 중요한 응용 분야의 경우 냉간 가공을 30%로 지정하고 ASTM 입자 크기를 9 이상으로 지정하십시오. 어닐링 전에 냉간 가공 수준을 제어함으로써 엔지니어는 300도에서 필요한 열 피로 저항을 달성할 수 있도록 입자 크기를 조정합니다.