Persyaratan Teknis dan Standar Referensi untuk Pelat Paduan Titanium
1. Klasifikasi Materi dan Nilai
Pelat paduan titanium secara luas diklasifikasikan menjadi empat kategori berdasarkan struktur mikro dan komposisi paduannya. Paduan alfa, seperti Ti-5Al-2.5Sn (Grade 6), terutama mengandung stabilisator alfa seperti aluminium dan timah. Paduan ini menawarkan kemampuan las dan ketahanan mulur yang sangat baik pada suhu tinggi, sehingga cocok untuk struktur badan pesawat dan aplikasi kriogenik. Paduan dekat-alfa, termasuk Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 9) dan Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, menggabungkan sejumlah kecil stabilisator beta sambil mempertahankan struktur dominan alfa. Mereka memberikan peningkatan stabilitas suhu tinggi untuk komponen mesin turbin gas.
Paduan alfa-beta mewakili kategori yang paling banyak digunakan, dengan Ti-6Al-4V (Grade 5) menjadi paduan yang digunakan di sektor kedirgantaraan, medis, dan industri. Paduan ini mencapai keseimbangan optimal antara kekuatan, keuletan, dan ketangguhan patah melalui struktur mikro dua fase. Varian interstisial ekstra rendah, Ti-6Al-4V ELI (Grade 23), membatasi kandungan oksigen, besi, dan hidrogen untuk meningkatkan toleransi kerusakan pada aplikasi kritis. Paduan beta seperti Ti-10V-2Fe-3Al dan Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn dapat diolah dengan larutan dan berumur untuk mencapai tingkat kekuatan tertinggi di antara paduan titanium, dengan keunggulan khusus dalam sifat mampu bentuk sebelum perlakuan panas.
2. Persyaratan Komposisi Kimia
Komposisi kimia pelat paduan titanium harus dikontrol dengan ketat untuk memastikan sifat mekanik dan ketahanan korosi yang konsisten. Untuk Ti-6Al-4V (Grade 5), kandungan aluminium berkisar antara 5,50 hingga 6,75 persen, sedangkan vanadium berkisar antara 3,50 hingga 4,50 persen. Besi dibatasi maksimal 0,30 persen, oksigen maksimal 0,20 persen, karbon maksimal 0,08 persen, nitrogen maksimal 0,05 persen, dan hidrogen maksimal 0,015 persen. Jumlah seluruh unsur sisa tidak boleh melebihi 0,40 persen.
Untuk grade ELI, aluminium dibatasi 5,50-6,50 persen, besi maksimal 0,25 persen, oksigen maksimal 0,13 persen, dan hidrogen maksimal 0,0125 persen. Penurunan tingkat interstisial ini secara signifikan meningkatkan ketangguhan dan keuletan patah, itulah sebabnya tingkat ini wajib untuk implan bedah dan komponen struktural ruang angkasa yang penting. Ti-5Al-2.5Sn (Grade 6) mengizinkan aluminium antara 4,00 dan 6,00 persen, timah antara 2,00 dan 3,00 persen, dengan besi hingga 0,50 persen dan hidrogen hingga 0,020 persen. Batas oksigen tersebut sesuai dengan standar Ti-6Al-4V sebesar 0,20 persen.
3. Persyaratan Properti Mekanik
Pada suhu ruangan dalam arah memanjang, pelat Ti-6Al-4V harus mencapai kuat tarik ultimit minimal 895 MPa, kuat luluh minimal pada offset 0,2 persen sebesar 828 MPa, perpanjangan minimal 10 persen, dan reduksi luas minimal 25 persen. Varian ELI mempertahankan persyaratan perpanjangan dan reduksi yang sama namun dengan tingkat kekuatan yang sedikit berkurang: kekuatan tarik ultimat minimum 860 MPa dan kekuatan luluh minimum 795 MPa. Ti-5Al-2.5Sn membutuhkan kekuatan tarik minimum 827 MPa, kekuatan luluh minimum 759 MPa, dan metrik keuletan yang sesuai.
Untuk layanan suhu tinggi, pelat Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo harus menunjukkan kekuatan tarik minimum 620 MPa pada 315 derajat Celcius, dengan ketahanan mulur terverifikasi pada 425 derajat Celcius. Ketangguhan patah merupakan parameter penting untuk desain tahan kerusakan. Pelat ELI Ti-6Al-4V harus mencapai ketangguhan patah regangan bidang K_IC minimal 75 MPa akar kuadrat meter, sedangkan Ti-5Al-2.5Sn memerlukan minimal 55 MPa akar kuadrat meter. Kebutuhan energi tumbukan Charpy V-notch masing-masing adalah 20 joule dan 16 joule.
4. Toleransi Dimensi dan Permukaan Akhir
Toleransi ketebalan bervariasi berdasarkan ketebalan pelat. Untuk pelat hingga 6,35 milimeter, toleransi standarnya adalah plus atau minus 0,13 milimeter, dengan toleransi presisi diperketat menjadi plus atau minus 0,08 milimeter. Antara 6,35 dan 25,4 milimeter, toleransi standar menjadi plus atau minus 0,25 milimeter, dengan presisi pada plus atau minus 0,13 milimeter. Untuk pelat yang melebihi 25,4 milimeter hingga 50,8 milimeter, toleransi standarnya adalah plus atau minus 0,38 milimeter dan toleransi presisinya adalah plus atau minus 0,25 milimeter.
Toleransi lebarnya ditambah 6,35 milimeter tanpa minus dalam kondisi standar, diperketat menjadi plus 3,18 milimeter untuk presisi. Toleransi panjang ditambah standar 25 milimeter, ditambah presisi 13 milimeter. Kerataan tidak boleh melebihi 3,2 milimeter per meter berdasarkan persyaratan standar, atau 1,6 milimeter per meter untuk pelat presisi. Tepi camber dibatasi pada standar 3,2 milimeter per 3 meter, dan presisi 1,6 milimeter per 3 meter.
Persyaratan penyelesaian permukaan bergantung pada metode pemrosesan. Pelat canai panas-harus mencapai kekasaran permukaan Ra yang tidak melebihi 6,3 mikrometer. Pelat-yang digulung dingin atau diasamkan secara kimia memerlukan Ra tidak melebihi 3,2 mikrometer. Presisi-pelat tanah menuntut Ra tidak melebihi 1,6 mikrometer.
5. Persyaratan Metalurgi
Struktur mikro pelat paduan titanium alfa-beta dalam kondisi penggilingan-anil harus terdiri dari fase alfa primer setara yang didistribusikan dalam matriks beta yang ditransformasi. Fase alfa batas butir yang terus menerus tidak diperbolehkan karena menurunkan keuletan dan ketahanan lelah. Ukuran butiran harus ASTM 5 atau lebih halus, dengan produksi tipikal yang mencapai ASTM 6 hingga 8. Kotak alfa, lapisan permukaan yang diperkaya oksigen-yang terbentuk selama-pemrosesan suhu tinggi, harus dihilangkan seluruhnya. Verifikasi memerlukan pembuatan profil kekerasan mikro yang menunjukkan tidak adanya lonjakan kekerasan di permukaan, atau pemeriksaan metalografi yang memastikan tidak ada lapisan stabil alfa yang tersisa.
Bintik beta, yang merupakan wilayah pengayaan penstabil-beta yang dilokalisasi, dilarang dalam aplikasi ruang angkasa yang penting. Mereka dideteksi melalui pemeriksaan makro-etch menggunakan reagen yang sesuai. Konten inklusi diberi peringkat berdasarkan ASTM E45 Metode A, dengan tingkat maksimum A2, B2, C2, dan D2 yang diizinkan masing-masing untuk inklusi oksida tipis, berat, silikat, dan globular.
6. Persyaratan Pengujian Non-Destruktif
Pengujian ultrasonik wajib dilakukan untuk semua pelat dengan ketebalan 6,35 milimeter atau lebih, yang dilakukan sesuai kriteria AMS-STD-2154 Kelas A. Indikasi yang melebihi lubang dasar datar berukuran 3,2 milimeter tidak dapat diterima. Pengujian penetran pewarna berlaku untuk semua permukaan akhir sesuai ASTM E1417, tanpa indikasi linier yang panjangnya melebihi 3,2 milimeter. Pengujian radiografi dicadangkan untuk area pengelasan atau perbaikan sesuai ASTM E1742. Pengujian arus Eddy dapat menggantikan pengujian ultrasonik pada pelat tipis di bawah 6,35 milimeter, mengikuti prosedur ASTM E426 dengan sensitivitas yang ditetapkan berdasarkan kesepakatan antara pembeli dan pemasok.
7. Kondisi Perlakuan Panas
Pelat-giling anil diproses pada suhu 704 hingga 760 derajat Celcius diikuti dengan pendinginan udara. Kondisi ini memberikan sifat seimbang untuk aplikasi umum. Anil dupleks melibatkan perlakuan larutan pada suhu 954 derajat Celcius dengan pendinginan air, diikuti dengan pendinginan udara pada suhu 538 derajat Celcius, sehingga meningkatkan ketangguhan patah untuk desain yang tahan terhadap kerusakan-. Pelat yang diolah dengan larutan dan berumur mencapai kekuatan maksimum melalui perlakuan pada suhu 927 derajat Celcius dengan pendinginan air, kemudian penuaan pada suhu 538 derajat Celcius selama 4 hingga 8 jam. Anil beta pada 1010 derajat Celcius dengan pendinginan udara, diikuti dengan stabilisasi pada 760 derajat Celcius, menghasilkan transformasi struktur mikro beta yang dioptimalkan untuk ketahanan mulur dalam aplikasi mesin dirgantara. Penghilangan tegangan pada suhu 538 hingga 649 derajat Celcius mengikuti operasi pemesinan atau pembentukan.
Semua perlakuan panas harus dilakukan dalam ruang hampa pada suhu 10 hingga minus 3 milibar atau lebih baik, atau dalam atmosfer argon dengan kemurnian tinggi. Setiap kotak alfa yang terbentuk selama perlakuan panas harus dihilangkan seluruhnya sebelum pemeriksaan akhir.
8. Standar yang Direferensikan
Spesifikasi utama pelat paduan titanium adalah ASTM B265, yang mencakup strip, lembaran, dan pelat paduan titanium dan titanium. Standar ini menetapkan batasan komposisi kimia, persyaratan sifat mekanik, toleransi dimensi, dan ketentuan kualitas umum. ASTM B348 untuk batangan dan billet memberikan referensi pengujian mekanis tambahan.
Untuk metodologi pengujian mekanis, ASTM E8 dan E8M mengatur pengujian tegangan bahan logam. Verifikasi kekerasan mengikuti ASTM E18 untuk kekerasan Rockwell atau ASTM E10 untuk kekerasan Brinell. Penilaian kandungan inklusi menggunakan ASTM E45, yang diadaptasi untuk paduan titanium. Pengukuran ukuran butir mengikuti ASTM E112. Pembuatan profil kekerasan-mikro per ASTM E384 mendeteksi kasus alfa sisa. Preparasi dan etsa sampel metalografi masing-masing mengikuti ASTM E3 dan ASTM E407.
Standar pengujian-non-destruktif mencakup ASTM E1417 untuk pengujian penetran cair, ASTM E1742 untuk pemeriksaan radiografi, dan ASTM E426 untuk pengujian arus eddy elektromagnetik pada produk tipis. Panduan persiapan permukaan dan pembersihan kerak terdapat di ASTM B600.
Spesifikasi Material Dirgantara memberikan persyaratan yang lebih ketat untuk aplikasi-penerbangan penting. AMS 4907 menutupi pelat Ti-6Al-4V dalam kondisi anil. AMS 4911 membahas solusi pelat Ti-6Al-4V yang dirawat dan sudah tua. AMS 4930 menetapkan pelat Ti-6Al-4V interstisial ekstra rendah. AMS 4940 berlaku untuk pelat Ti-5Al-2.5Sn. AMS 4943 mencakup pelat paduan beta Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. AMS 4945 membahas pelat paduan dekat-alfa Ti-8Al-1Mo-1V. Kriteria penerimaan inspeksi ultrasonik ditentukan dalam AMS-STD-2154.
Spesifikasi militer lama mencakup MIL-T-9046 untuk lembaran, strip, dan pelat titanium, serta MIL-T-9047 untuk batangan dan tempa. Pengujian lingkungan mengikuti MIL-STD-810.
Standar internasional mencakup ISO 5832-3 untuk implan bedah paduan Ti-6Al-4V tempa, dan ISO 5832-10 untuk implan paduan Ti-5Al-2.5Fe. Standar Inggris BS 2TA 2 dan BS 2TA 11 mencakup lembaran dan pelat Ti-6Al-4V. DIN 17850 Jerman memberikan spesifikasi teknis untuk paduan titanium tempa. Lembar alamat JIS H4600 Jepang, pelat, dan strip. Standar nasional Tiongkok GB/T 3621 dan standar militer GJB 2505A berlaku untuk pelat paduan titanium tingkat penerbangan.
9. Permohonan-Persyaratan Khusus
Aplikasi struktural dirgantara memerlukan-data kelelahan siklus yang tinggi, analisis toleransi kerusakan, dan kepatuhan NDT Level A per AMS 4907, AMS 4911, dan AMS-STD-2154. Komponen mesin dirgantara memerlukan sifat tarik suhu tinggi, verifikasi ketahanan mulur, dan pengujian stabilitas termal sesuai AMS 4945 dan ASTM E139.
Aplikasi implan medis mewajibkan pengujian biokompatibilitas termasuk uji sitotoksisitas dan sensitisasi, dengan bahan kelas ELI yang wajib sesuai ISO 5832-3, ASTM F136, dan ASTM F1472. Peralatan pemrosesan kimia memerlukan validasi ketahanan korosi pada media proses tertentu dan menunjukkan kemampuan las sesuai ASTM B265, ASTM G28, dan NACE MR0175 atau ISO 15156. Struktur laut dan lepas pantai harus tahan terhadap korosi air laut dan menunjukkan kompatibilitas dengan sistem proteksi katodik sesuai ASTM B265 dan DNV-OS-B401. Aplikasi nuklir mengontrol penampang serapan neutron, stabilitas radiasi, dan kandungan elemen jejak sesuai ASME Boiler dan Pressure Vessel Code Bagian II Bagian D.
10. Sertifikasi dan Dokumentasi
Setiap lot produksi harus disertai dengan Sertifikat Uji Pabrik yang mendokumentasikan hasil analisis kimia, hasil uji sifat mekanik, ketertelusuran nomor panas, dan dimensi aktual yang diukur. Sertifikat ini wajib sesuai ASTM B265. Sertifikat pengujian non-destruktif melaporkan hasil ultrasonik, penetran, atau radiografi dengan catatan kualifikasi operator. Laporan metalurgi mencakup fotomikrograf struktur mikro, ukuran butir yang diukur, dan peringkat inklusi untuk aplikasi kritis. Sertifikat perlakuan panas mendokumentasikan parameter siklus, jenis atmosfer, dan catatan kalibrasi termokopel. Laporan ketertelusuran lengkap menetapkan asal bahan, praktik lelehan, dan riwayat pemrosesan lengkap, yang penting untuk kepatuhan terhadap peraturan dirgantara dan perangkat medis.
