المعالجة الحرارية للمعادن اللاحديدية للتيتانيوم على الطائرة

تتم معالجة التيتانيوم حرارياً للأغراض التالية مها تخفيف الضغوط التي تنشأ أثناء التشكيل البارد أو المعالجة الآلية والتلدين بعد العمل الساخن أو العمل البارد أو لتوفير أقصى ليونة للعمل البارد اللاحق والتصلب الحراري لتحسين القوة وتخفيف التوتر.

 تخفيف الإجهاد Stress Relieving

يستخدم تخفيف الإجهاد بشكل عام لإزالة تركيزات الإجهاد الناتجة عن تكوين صفيحة التيتانيوم، ويتم إجراؤه في درجات حرارة تتراوح من 650 درجة فهرنهايت إلى 1000 درجة فهرنهايت ويختلف الوقت عند درجة الحرارة من بضع دقائق لطبقة رقيقة جدًا إلى ساعة أو أكثر للأقسام الثقيلة والعلاج النموذجي لتخفيف التوتر هو 900 درجة فهرنهايت لمدة 30 دقيقة، يليه تبريد الهواء.

يمكن إزالة اللون أو الحجم الذي يتشكل على سطح المعدن أثناء تخفيف الضغط بسهولة عن طريق التخليل في المحاليل الحمضية، كما يحتوي المحلول الموصى به على 10 إلى 20 بالمائة حمض نيتريك و 1 إلى 3 بالمائة حمض الهيدروفلوريك، كما يجب أن يكون المحلول في درجة حرارة الغرفة أو أعلى قليلاً.

التلدين الكامل Full Annealing

يوفر التلدين من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المتانة والليونة في درجة حرارة الغرفة وثبات الأبعاد والهيكلية في درجات حرارة مرتفعة وتحسين التشغيل الآلي.

عادة ما يتم استدعاء التلدين الكامل كتحضير لمزيد من العمل، كما يتم إجراؤه عند 1200-1.650 درجة فهرنهايت ويختلف الوقت عند درجة الحرارة من 16 دقيقة إلى عدة ساعات، اعتمادًا على سمك المادة وكمية العمل البارد الذي يتعين القيام به والمعالجة المعتادة للسبائك المعدنية شائعة الاستخدام هي 1300 درجة فهرنهايت لمدة ساعة واحدة، يليها تبريد هوائي ينتج عن التلدين الكامل عمومًا تكوين قشور كافية تتطلب استخدام إزالة الترسبات الكاوية، مثل حمام ملح هيدريد الصوديوم.

تصلب حراري Thermal Hardening

لا يمكن معالجة التيتانيوم غير الممزوج بالحرارة، ولكن يمكن تقوية السبائك المستخدمة بشكل شائع في بناء الطائرات عن طريق المعالجة الحرارية، عادةً عند بعض التضحية في الليونة وللحصول على أفضل النتائج، يوصى بإخماد الماء من 1450 درجة فهرنهايت، متبوعًا بإعادة التسخين إلى 900 درجة فهرنهايت لمدة 8 ساعات.

التصلب Casehardening

إن النشاط الكيميائي للتيتانيوم وامتصاصه السريع للأكسجين والنيتروجين والكربون في درجات حرارة منخفضة نسبيًا يجعل تقسية الغلاف مفيدًا للتطبيقات الخاصة، كما يمكن استخدام النتردة أو الكربنة أو النيترة الكربونية لإنتاج حالة مقاومة للاهتراء بعمق 0.0001 إلى 0.0002 بوصة.

الصقل والصب والبثق والعمل البارد والتصلب

التطريق هو عملية تشكيل منتج بالطرق أو الضغط، وعندما يتم تشكيل المادة تحت درجة حرارة إعادة التبلور، فإنها تسمى على البارد مصقولة وعندما تعمل فوق درجة حرارة إعادة التبلور، يشار إليها على أنها ساخنة مصقولة وطريقة التشكيل بالسقوط هي عملية طرق يتم فيها استخدام سبيكة ساخنة، ويتم وضعها بين زوج من القوالب المشكلة في آلة تسمى المطرقة المسقطة، ويتم إسقاط وزن يبلغ عدة أطنان على القالب العلوي، وينتج عن هذا إجبار المعدن الساخن على اتخاذ شكل قوالب، نظرًا لأن العملية سريعة جدًا، يتم تغيير بنية حبيبات المعدن، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في قوة الجزء النهائي.

الصب Casting

يتم تشكيل الصب عن طريق صهر المعدن وصبه في قالب بالشكل المطلوب، نظرًا لعدم حدوث تشوه بلاستيكي للمعدن، فلا يمكن تغيير شكل الحبيبات أو اتجاهها، ويمكن التحكم في حجم الكسب للمعدن من خلال معدل التبريد وسبائك المعدن والمعالجة الحرارية، عادة ما تكون المصبوبات أقل قوة وأكثر هشاشة من المنتجات المصنوعة من نفس المادة وبالنسبة للأشكال المعقدة أو العناصر ذات الممرات الداخلية، مثل شفرات التوربينات.

وقد يكون الصب هو العملية الأكثر اقتصادا باستثناء أجزاء المحرك، كما يتم تصنيع معظم المكونات المعدنية الموجودة على متن الطائرة بدلاً من الصب، وتبدأ جميع المنتجات المعدنية في شكل صب، ويتم تحويل المعادن المشغولة من سبائك الصب عن طريق تشوه البلاستيك وبالنسبة لسبائك الألومنيوم عالية القوة، يلزم تقليل الأبعاد في السُمك بنسبة 80 إلى 90 في المائة من المادة للحصول على الخصائص الميكانيكية العالية للهيكل المشغول بالكامل، وكل من سبائك الحديد والألمنيوم مصبوبة لاستخدامات الطائرات، حيث يحتوي الحديد الزهر على 6 إلى 8 في المائة من الكربون والسيليكون.

الحديد الزهر عبارة عن حديد خام صلب غير قابل للكسر يتم تصنيعه عن طريق الصب أو السكب في قالب، ويتم تسخين سبائك الألومنيوم المصبوب إلى حالتها المنصهرة وصبها في قالب لمنحها الشكل المطلوب.

البثق

تتضمن عملية البثق إجبار المعدن من خلال فتحة في قالب، مما يتسبب في أن يتخذ المعدن شكل فتحة القالب وسيكون شكل القالب هو المقطع العرضي لزاوية أو قناة أو أنبوب أو شكل آخر، وقد يتم بثق بعض المعادن مثل الرصاص والقصدير والألمنيوم على البارد ومع ذلك، يتم تسخين معظم المعادن قبل البثق وتكون الميزة الرئيسية لعملية البثق هي مرونتها على سبيل المثال، بسبب قابليته للتشغيل يمكن أن ينبثق الألمنيوم اقتصاديًا إلى أشكال أكثر تعقيدًا وأحجامًا أكبر، مما هو عملي مع المعادن الأخرى.

يتم إنتاج الأشكال المبثوقة في أقسام بسيطة جدًا ومعقدة للغاية في هذه العملية، يتم تسخين أسطوانة من الألومنيوم  على سبيل المثال إلى 750-850 درجة فهرنهايت، ثم يتم دفعها من خلال فتح قالب بواسطة مكبس هيدروليكي، الفتحة هي الشكل المطلوب للمقطع العرضي للبثق النهائي، ويتم تشكيل العديد من الأجزاء الهيكلية، مثل القنوات والزوايا والمقاطع T والمقاطع Z من خلال عملية البثق والألمنيوم هو أكثر المعادن المبثوقة المستخدمة في الطائرات.

يُبثق الألمنيوم عند درجة حرارة 700-900 درجة فهرنهايت (371-482 درجة مئوية) ويتطلب ضغطًا يصل إلى 80000 رطل/ وصة مربعة (552 ميجا باسكال) بعد البثق، سيخضع المنتج بشكل متكرر لكل من العمليات الحرارية والميكانيكية للحصول على الخصائص المرغوبة وتقتصر عمليات البثق على المواد الأكثر مرونة.

التصلب

ينطبق العمل البارد على العمل الميكانيكي الذي يتم إجراؤه في درجات حرارة أقل من النطاق الحرج، وينتج عنه إجهاد تصلب المعدن في الواقع، غالبًا ما يصبح المعدن صعبًا للغاية بحيث يصعب مواصلة عملية التشكيل دون تليين المعدن عن طريق التلدين.

نظرًا لأنه يتم التخلص من الأخطاء المصاحبة للانكماش في العمل البارد، يتم الحصول على معدن أكثر إحكاما وأفضل ويتم زيادة القوة والصلابة وكذلك حد المرونة، لكن الليونة تنخفض نظرًا لأن هذا يجعل المعدن أكثر هشاشة، يجب تسخينه من وقت لآخر أثناء عمليات معينة لإزالة الآثار غير المرغوب فيها للعمل.

في حين أن هناك العديد من عمليات التشغيل على البارد، فإن العمليتين اللتين يهتم بهما ميكانيكي الطيران بشكل أساسي هما الدرفلة على البارد والسحب على البارد، وتعطي هذه العمليات المعادن الصفات المرغوبة التي لا يمكن الحصول عليها عن طريق العمل على الساخن.