Pertimbangan Utama dalam Pengolahan Paduan Titanium
1. Reaktivitas Kimia dan Sensitivitas Suhu
Titanium menunjukkan reaktivitas kimia yang sangat tinggi pada suhu tinggi, yang secara mendasar membentuk setiap aspek pengolahannya. Di atas sekitar 600 derajat Celcius, titanium secara agresif menyerap oksigen, nitrogen, dan hidrogen dari atmosfer sekitarnya. Oksigen dan nitrogen larut secara interstisial ke dalam fase alfa, membentuk lapisan permukaan yang keras dan rapuh yang dikenal sebagai kotak alfa. Lapisan ini secara signifikan menurunkan ketahanan lelah dan keuletan, dan harus dihilangkan seluruhnya melalui pemesinan, penggilingan, atau pengawetan kimia setelah pengoperasian-suhu tinggi. Penyerapan hidrogen menimbulkan ancaman yang lebih berbahaya, karena menyebabkan penggetasan hidrogen yang mungkin tidak terlihat sampai terjadi pembebanan layanan. Bahkan pada suhu serendah 300 derajat Celcius, titanium dapat mengambil hidrogen dari kelembapan-yang mengandung atmosfer atau pelumas hidrokarbon.
Suhu transus beta, yang menandai batas antara bidang fase alfa-beta dan beta, bervariasi berdasarkan komposisi paduan. Untuk Ti-6Al-4V suhunya sekitar 995 derajat Celcius, sedangkan untuk Ti-5Al-2.5Sn suhunya mendekati 1040 derajat Celcius. Pemrosesan di atas beta transus menghasilkan struktur mikro beta yang kasar dan bertransformasi pipih dengan sifat keuletan dan kelelahan yang lebih rendah. Oleh karena itu, pemrosesan termomekanis harus mengontrol suhu puncak secara hati-hati, dengan jendela pemrosesan yang sempit yang memerlukan pemantauan suhu yang tepat dan hasil yang cepat.
Konduktivitas termal paduan titanium sangat buruk, sekitar-keenam dibandingkan baja karbon. Selama pemesinan atau penggilingan, panas terkonsentrasi pada antarmuka-benda kerja pahat, bukannya menghilang ke dalam material curah. Hal ini menyebabkan peningkatan suhu pemotongan, percepatan keausan pahat, dan potensi kerusakan permukaan benda kerja termasuk pembentukan kotak alfa akibat pemanasan gesekan.
2. Tantangan Pemesinan
Paduan titanium menghadirkan kesulitan pemesinan yang berat yang membedakannya dari material rekayasa konvensional. Bahan tersebut cenderung menggumpal dan mengelas pada alat pemotong karena afinitas kimianya yang tinggi, terutama pada suhu tinggi yang dihasilkan selama pemotongan. Formasi tepi-yang dibangun ini menghasilkan penyelesaian permukaan yang buruk dan akurasi dimensi yang tidak dapat diprediksi. Modulus elastisitas yang rendah, kira-kira setengah dari baja, menyebabkan pegas dan defleksi yang signifikan akibat gaya pemotongan, sehingga mempersulit pencapaian toleransi yang ketat pada benda kerja yang ramping.
Pemilihan alat pemotong sangat mempengaruhi keberhasilan pemesinan. Perkakas karbida yang disemen dengan struktur butiran halus dan kandungan kobalt yang tinggi memberikan keseimbangan terbaik antara kekerasan dan ketangguhan. Alat berlian polikristalin menawarkan kinerja luar biasa untuk-operasi penyelesaian berkecepatan tinggi, meskipun dengan biaya yang jauh lebih tinggi. Geometri pahat memerlukan sudut rake positif untuk mengurangi gaya pemotongan dan sudut relief yang besar untuk meminimalkan gesekan. Pinggiran tajam sangat penting karena-titanium yang diperkeras bahkan lebih sulit dipotong dibandingkan material yang dianil.
Parameter pemotongan harus dipilih secara konservatif. Kedalaman pemotongan harus cukup untuk menjaga pahat tetap berada di bawah-lapisan yang diperkeras yang dibuat oleh lintasan sebelumnya. Tingkat pemakanan harus memberikan ketebalan chip yang memadai untuk menghindari gesekan daripada pemotongan. Kecepatan pemotongan umumnya dibatasi pada 30 hingga 60 meter per menit untuk pengerjaan seadanya, dengan kecepatan yang lebih tinggi untuk penyelesaian akhir. Aplikasi cairan pendingin banjir bersifat wajib, menyalurkan cairan pendingin-bertekanan tinggi, bervolume-tinggi langsung ke zona pemotongan untuk mengontrol suhu dan membilas chip. Pendingin yang larut dalam air dengan aditif bertekanan ekstrem lebih disukai, namun kehati-hatian harus diberikan untuk memastikan cairan pendingin tidak mengandung senyawa terklorinasi yang dapat menyebabkan keretakan korosi akibat tekanan.
Pemasangan benda kerja memerlukan perhatian khusus karena modulus titanium yang rendah dan kecenderungannya terhadap getaran. Pengaturan yang kaku dengan overhang minimal sangat penting. Bahan peredam dapat dimasukkan ke dalam desain perlengkapan. Pemotongan terputus-putus sebisa mungkin harus dihindari, karena siklus termal yang berulang mempercepat kegagalan pahat akibat kelelahan termal.
3. Pengolahan Penggilingan dan Abrasive
Penggilingan paduan titanium menimbulkan bahaya dan tantangan tertentu. Konduktivitas termal material yang buruk menyebabkan suhu penggilingan melonjak, berpotensi memicu partikel titanium halus jika terdapat cukup oksigen. Kebakaran titanium selama penggilingan, meskipun jarang terjadi jika dilakukan tindakan pencegahan yang tepat, bisa sangat hebat dan sulit dipadamkan. Alat pemadam air atau karbon dioksida konvensional tidak efektif; pasir kering atau alat pemadam kebakaran Kelas D khusus diperlukan.
Pemilihan abrasif lebih menyukai roda aluminium oksida atau silikon karbida dengan struktur terbuka dan ikatan vitrifikasi. Struktur terbuka memungkinkan pembersihan chip dan penetrasi cairan pendingin. Kecepatan roda biasanya dikurangi dibandingkan dengan penggilingan baja, sementara kecepatan kerja dan laju pemakanan ditingkatkan untuk mencegah terjadinya penumpukan dan panas berlebih. Pembalutan terus menerus menjaga ketajaman roda dan efisiensi pemotongan. Aliran cairan pendingin yang berlebihan, sekali lagi menghindari senyawa terklorinasi, sangatlah penting.
Operasi penggilingan dan pemolesan sabuk juga memerlukan kontrol parameter yang cermat. Sabuk abrasif yang dilapisi dengan zirkonia alumina atau butiran keramik bekerja dengan baik. Roda kontak harus relatif lunak agar sesuai dengan benda kerja dan mengurangi pemanasan lokal. Perkembangan grit secara bertahap dari kasar ke halus menghasilkan integritas permukaan yang optimal.
4. Membentuk Operasi
Pembentukan dingin paduan titanium dapat dilakukan tetapi dibatasi oleh kekuatan luluh material yang tinggi dan pegas yang kuat. Jari-jari tekukan harus besar, biasanya tiga hingga lima kali ketebalan material untuk Ti-6Al-4V dalam kondisi anil, dibandingkan dengan satu hingga dua kali lipat untuk paduan aluminium. Kompensasi springback memerlukan teknik overbending atau bottoming, dengan derajat pastinya ditentukan secara empiris untuk setiap kondisi material dan geometri.
Pembentukan panas memperluas jangkauan yang bisa diterapkan tetapi menimbulkan masalah kasus alfa. Temperatur pembentukan antara 540 dan 760 derajat Celcius memungkinkan terjadinya deformasi yang lebih besar dengan pengurangan pegas, meskipun komponen yang terbentuk memerlukan perlakuan permukaan selanjutnya untuk menghilangkan lapisan reaksi apa pun. Pembentukan superplastik pada suhu 870 hingga 925 derajat Celcius memanfaatkan struktur butiran sangat halus yang dapat dicapai pada paduan titanium tertentu, sehingga memungkinkan fabrikasi komponen ruang angkasa yang kompleks dari lembaran tunggal. Proses ini memerlukan kontrol suhu yang tepat dalam kisaran plus atau minus 10 derajat Celsius dan laju regangan terkendali sekitar 10 hingga minus 4 per detik.
Pembentukan regangan, penarikan dalam, dan pembentukan hidro masing-masing menghadirkan tantangan tersendiri. Pelumasan sangat penting secara menyeluruh, dengan molibdenum disulfida, grafit, atau senyawa pembentuk titanium khusus yang diaplikasikan pada permukaan cetakan dan permukaan kosong. Bahan cetakan memerlukan permukaan yang keras-tahan aus; baja perkakas nitridasi atau superalloy berbahan dasar nikel-umumnya digunakan.
5. Pertimbangan Pengelasan
Pengelasan fusi paduan titanium memerlukan perlindungan atmosfer yang ketat karena titanium cair bereaksi keras dengan oksigen, nitrogen, dan hidrogen. Pelindung yang tidak memadai menghasilkan las yang keropos dan rapuh dengan sifat mekanik yang sangat berkurang. Pengelasan gas inert tungsten dengan pelindung argon dengan kemurnian tinggi mewakili proses manual yang paling umum, meskipun pengelasan busur plasma, pengelasan berkas elektron, dan pengelasan laser banyak digunakan untuk produksi otomatis.
Sistem pelindung harus melindungi tidak hanya kolam cair tetapi juga seluruh zona-yang terkena dampak panas hingga suhu turun di bawah sekitar 400 derajat Celcius. Pelindung belakang yang membentang di belakang obor dan pembersihan akar di bagian belakang adalah praktik standar. Kemurnian argon harus melebihi 99,995 persen, dengan titik embun di bawah minus 50 derajat Celcius. Kontaminasi apa pun dari udara, kelembapan, atau hidrokarbon menyebabkan perubahan warna las mulai dari kuning jerami hingga biru hingga abu-abu atau putih, dengan penggetasan yang semakin parah.
Pemilihan logam pengisi umumnya sesuai dengan komposisi paduan dasar, meskipun sedikit modifikasi dapat meningkatkan kemampuan las. Untuk Ti-6Al-4V, pengisi komposisi yang cocok adalah standarnya. Pemanasan awal umumnya tidak diperlukan dan berpotensi membahayakan karena lamanya waktu berada dalam kisaran suhu reaktif. Perlakuan panas pasca-pengelasan biasanya melibatkan penghilangan tegangan pada suhu 540 hingga 650 derajat Celcius, meskipun perlakuan larutan dan penuaan mungkin diperlukan untuk mengembalikan sifat penuh pada paduan yang dapat diberi perlakuan panas.
Pengelasan dalam kondisi beta, diikuti dengan-perlakuan panas pasca pengelasan, menawarkan keuntungan untuk bagian tebal dengan mengurangi kerentanan retak penahan. Namun, struktur butiran beta kasar memerlukan kontrol yang cermat terhadap pendinginan selanjutnya untuk menghindari sifat yang tidak dapat diterima.
6. Protokol Perlakuan Panas
Perlakuan panas pada paduan titanium memerlukan tungku vakum atau atmosfer inert untuk mencegah pembentukan kotak alfa. Tingkat vakum biasanya berkisar antara 10 hingga minus 3 milibar atau lebih, dengan tingkat kebocoran diverifikasi sebelum setiap siklus. Penimbunan kembali argon dapat digunakan untuk operasi pendinginan, meskipun kemurnian gas harus memenuhi standar ketat yang sama seperti gas pelindung pengelasan.
Mill annealing pada suhu 700 hingga 760 derajat Celcius dengan pendingin udara memberikan penghilang stres dan optimalisasi properti sederhana. Anil dupleks, yang melibatkan perlakuan larutan beta diikuti dengan anil alfa-beta, meningkatkan ketahanan mulur dan stabilitas termal. Perawatan solusi dan penuaan memaksimalkan kekuatan melalui pengendapan fase alfa yang terkontrol dalam matriks beta metastabil. Suhu pengolahan larutan, biasanya 925 hingga 955 derajat Celsius untuk Ti-6Al-4V, harus dikontrol dalam batas sempit untuk mencapai keseimbangan alfa primer dan beta transformasi yang diinginkan. Pemilihan media quenching menyeimbangkan laju pendinginan terhadap distorsi, dengan air, quenching polimer, atau gas paksa, masing-masing menawarkan trade-off yang berbeda.
Suhu penuaan 480 hingga 600 derajat Celsius menghasilkan kombinasi kekuatan-keuletan yang bervariasi, dengan suhu yang lebih rendah meningkatkan kekuatan dan suhu yang lebih tinggi meningkatkan ketangguhan. Waktu penuaan harus cukup untuk transformasi sempurna, biasanya 4 hingga 16 jam tergantung pada suhu dan ukuran bagian.
Inspeksi-pasca perlakuan panas mencakup pembuatan profil-kekerasan mikro untuk memverifikasi penghilangan selubung alfa secara menyeluruh, pemeriksaan metalografi untuk mengonfirmasi struktur mikro target, dan pengujian mekanis untuk memvalidasi properti.
7. Pengolahan Kimia dan Perawatan Permukaan
Penggilingan dan pengawetan kimia menghilangkan selubung dan kerak alfa dari titanium yang diproses secara termal. Larutan pengawet standar mengandung asam fluorida dan asam nitrat dalam air, dengan perbandingan tipikal 1 bagian HF berbanding 4 hingga 6 bagian HNO3 berdasarkan volume. Asam nitrat berfungsi untuk mengoksidasi dan mempasifkan permukaan sementara HF melarutkan titanium oksida. Rasio HF terhadap HNO3 harus melebihi 4 banding 1 untuk mencegah penyerapan hidrogen berlebihan selama pengawetan. Suhu larutan antara 20 dan 60 derajat Celcius mengendalikan laju pengetsaan, dengan suhu yang lebih tinggi menghasilkan penghilangan material yang lebih cepat namun meningkatkan risiko pengambilan hidrogen.
Penggilingan kimia untuk pengurangan berat atau pembentukan kontur menggunakan bahan kimia serupa pada suhu tinggi. Menutupi dengan lapisan tahan asam-mendefinisikan area yang akan dihilangkan. Faktor etsa, yaitu rasio etsa lateral dan vertikal, harus diperhitungkan dalam desain masker.
Anodisasi menghasilkan film oksida pelindung dan dekoratif pada titanium. Anodisasi tipe 2 dalam larutan asam kromat atau sulfat menciptakan-permukaan yang tahan aus. Anodisasi warna tipe 3 memanfaatkan interferensi optik dalam film oksida tipis untuk menghasilkan berbagai warna tanpa pewarna, berguna untuk identifikasi bagian dan penandaan perangkat medis. Lapisan anodisasi bersifat biokompatibel dan meningkatkan osseointegrasi untuk implan ortopedi.
Perawatan pasif dalam asam nitrat menghilangkan kontaminasi besi permukaan dan meningkatkan ketahanan terhadap korosi. Hal ini sangat penting untuk titanium kelas medis yang harus memenuhi persyaratan biokompatibilitas yang ketat.
8. Penempaan dan Pemrosesan Termomekanis
Penempaan paduan titanium memerlukan kondisi isotermal atau mendekati-isotermal untuk mengatasi jendela pemrosesan yang sempit dan tekanan aliran yang tinggi. Penempaan konvensional di atas beta transus menghasilkan struktur mikro bertransformasi kasar dengan keuletan terbatas. Penempaan alfa-beta, dilakukan 15 hingga 50 derajat Celcius di bawah transus beta, menyempurnakan struktur mikro melalui rekristalisasi dinamis fase alfa, sehingga menghasilkan sifat mekanik yang unggul.
Penempaan isotermal menggunakan cetakan superalloy yang dipertahankan pada suhu penempaan, mengurangi kehilangan panas dan memungkinkan gaya tekan yang lebih rendah. Hal ini memungkinkan pembentukan bentuk dekat-jaring-dengan pemesinan berikutnya yang minimal. Namun, biaya cetakan sangat besar dan waktu siklusnya panjang.
Penggulungan cincin, ekstrusi, dan penempaan putar masing-masing mengadaptasi prinsip pengerjaan logam konvensional dengan karakteristik spesifik titanium. Bahan cetakan harus tahan terhadap afinitas kimia titanium pada suhu tinggi, dengan paduan dasar nikel dan keramik dapat diterapkan pada baja perkakas yang tidak memadai.
Urutan pemrosesan termomekanis menggabungkan deformasi terkontrol dengan perlakuan panas untuk mencapai struktur mikro yang disesuaikan. Untuk paduan alfa-beta, hal ini biasanya melibatkan suhu-tinggi untuk memecah struktur tuang, diikuti dengan suhu-yang lebih rendah untuk menyempurnakan morfologi alfa, dan diakhiri dengan anil atau perlakuan larutan dan penuaan.
9. Pengendalian Mutu dan Inspeksi
In-proses komponen paduan titanium menekankan verifikasi integritas permukaan. Inspeksi visual mengidentifikasi perubahan warna yang mengindikasikan kontaminasi atmosfer selama pemrosesan termal. Inspeksi penetran pewarna mendeteksi-kerusakan permukaan akibat pemesinan, penggilingan, atau pemrosesan termal. Inspeksi ultrasonik memverifikasi kesehatan internal, dengan kriteria penerimaan mengacu pada standar-lubang dasar datar.
Pengujian-kekerasan mikro mengonfirmasi penghilangan selubung alfa secara menyeluruh, dengan kekerasan permukaan tidak melebihi 110 persen kekerasan inti untuk sebagian besar spesifikasi. Pemeriksaan metalografi memvalidasi jenis struktur mikro, ukuran butir, dan tidak adanya cacat seperti flek beta atau alfa batas butir kontinu.
Pengujian mekanis meliputi pengujian tarik pada suhu ruangan dan suhu tinggi, pengujian ketangguhan patah untuk aplikasi kritis, dan pengujian kelelahan jika diperlukan persyaratan desain. Semua pengujian harus menggunakan spesimen yang dikerjakan dari lokasi yang representatif dengan persiapan permukaan yang tepat untuk menghindari efek takik.
Analisis kimia memverifikasi bahwa elemen interstisial tetap berada dalam spesifikasi, terutama untuk kadar ELI yang batasan oksigen, nitrogen, dan hidrogennya sangat ketat. Analisis hidrogen sangat penting karena unsur ini dapat meningkat selama pemrosesan melalui kontaminasi atmosfer atau cairan pendingin.
10. Pertimbangan Keamanan dan Lingkungan
Pemrosesan titanium menimbulkan beberapa bahaya keselamatan yang memerlukan pengendalian khusus. Partikel titanium halus, terutama yang berukuran di bawah 500 mikrometer, bersifat piroforik dan dapat terbakar akibat percikan api, listrik statis, atau benturan mekanis. Debu penggilingan, serpihan mesin, dan bubuk dari operasi manufaktur aditif harus dikumpulkan dalam sistem atmosfer inert atau dengan peralatan vakum khusus menggunakan selang konduktif untuk mencegah penumpukan listrik statis. Pemadaman kebakaran memerlukan bubuk kering Kelas D, pasir kering, atau banjir argon; air, karbon dioksida, atau alat pemadam halon dapat memperparah kebakaran titanium.
Titanium tetraklorida dan senyawa klorida lainnya yang digunakan dalam produksi spons menimbulkan bahaya pernafasan, meskipun hal ini menjadi perhatian utama produsen primer dibandingkan pembuat komponen. Pendingin permesinan memerlukan pemantauan terhadap degradasi bakteri yang dapat menghasilkan hidrogen sulfida atau senyawa beracun lainnya.
Peraturan lingkungan mengatur pembuangan larutan pengawet bekas yang mengandung asam fluorida, yang memerlukan netralisasi dan pengendapan fluorida sebelum dibuang. Daur ulang chip melalui proses peleburan busur vakum memulihkan titanium yang berharga sekaligus mengurangi dampak terhadap lingkungan, meskipun chip harus dipisahkan berdasarkan tingkat paduan dan dibersihkan dari cairan pemotongan.
