Tubi in titanio Ti-6Al-4V grado 5: applicazioni e fabbricazione
Mar 26, 2024
Cos'è il tubo in titanio di grado 5
Ti-6Al-4V, scritto anche Ti 6-4 e standardizzato come Grado 5 con UNS R56400, è una lega di titanio alfa-beta che contiene nominalmente il 6% di alluminio e il 4% di vanadio. Sotto forma di tubo fornisce circa il doppio della resistenza del titanio commercialmente puro pur mantenendo una densità di soli 4,43 g/cm3, circa il 56% dell'acciaio. La lega è trattabile termicamente, risponde al trattamento della soluzione e all'invecchiamento e può essere fornita ricotta per la fabbricazione o in una condizione di resistenza più elevata per l'hardware finito.
Ogni volta che si parla di tubi compaiono due gradi correlati. Il grado 23 (Ti-6Al-4V ELI, UNS R56407) ha limiti di ossigeno e ferro inferiori per una migliore resistenza alla frattura ed è il valore predefinito per gli impianti chirurgici. Il grado 9 (Ti-3Al-2.5V, UNS R56320) è una lega a bassa resistenza e più formabile, ampiamente utilizzata per tubi idraulici e per tubi senza saldatura lavorati a freddo. Un richiamo alla specifica deve quindi indicare la qualità, il percorso di produzione e la condizione, non semplicemente il nome della lega.
Specifiche e dati meccanici
I tubi in titanio vengono normalmente ordinati secondo ASTM B338 per condensatori e scambiatori di calore, secondo ASTM B861 per tubi o secondo i numeri ASME SB corrispondenti per il servizio a pressione. La tabella fornisce le proprietà minime tipiche del tubo ricotto senza saldatura.
| Grado | Designazione | Resistenza alla trazione tipica | Carico di snervamento tipico | Allungamento |
|---|---|---|---|---|
| Grado 2 | UNS R50400 | 345MPa | 275MPa | 20 per cento |
| Grado 5 | UNS R56400 | 895MPa | 828MPa | 10 per cento |
| Grado 9 | UNS R56320 | 620MPa | 483MPa | 15 per cento |
| Grado 23 | UNS R56407 | 860 MPa | 795MPa | 10 per cento |
La chimica di grado 5 è strettamente controllata: alluminio dal 5,5 al 6,75%, vanadio dal 3,5 al 4,5%, ferro 0,30% massimo, ossigeno 0,20% massimo, carbonio 0,08% massimo, azoto 0,05% massimo e idrogeno 0,015% massimo. L'ossigeno è un rinforzo interstiziale nel titanio, quindi un piccolo cambiamento nel tetto dell'ossigeno sposta sia la resistenza che la duttilità, motivo per cui il Grado 23 esiste come richiamo separato.
Settori applicativi
Hardware per il settore aerospaziale e della difesa
Le linee idrauliche, i tubi del carburante e pneumatici, le staffe del motore, i dispositivi di fissaggio e i componenti di attuazione utilizzano tubi di grado 5 e grado 9. L'attrazione è data dalla resistenza specifica a temperature moderate insieme alla prestazione alla fatica che è difficile eguagliare con l'alluminio con pareti di spessore comparabile.
Dispositivi medici
Il tubo di grado 23 viene utilizzato per componenti di impianti, aste di strumenti, grezzi di viti ossee e hardware spinale. La biocompatibilità, la compatibilità con la risonanza magnetica e la capacità di essere anodizzato per la codifica a colori favoriscono il titanio rispetto all'acciaio inossidabile in queste applicazioni.
Marino e offshore
L'acqua di mare è aggressiva nei confronti della maggior parte dei metalli strutturali, tuttavia il titanio resiste attraverso una pellicola passiva stabile che si riforma istantaneamente quando viene graffiata. I tubi vengono quindi utilizzati per scambiatori di calore raffreddati con acqua di mare-, treni di desalinizzazione, alloggiamenti di strumenti sottomarini e tubazioni di navi dove i cloruri escludono l'acciaio al carbonio.
Impianti chimici e di processo
Reattori, colonne, condensatori e linee di trasferimento che gestiscono mezzi ossidanti utilizzano tubi di Grado 5 e Grado 2. Laddove il flusso di processo si riduce notevolmente, vengono sostituiti i gradi per cuscinetti in palladio- anziché aumentare lo spessore delle pareti.
Sport motoristici e prodotti di consumo
I sistemi di scarico, i tubi del telaio e i telai delle biciclette sfruttano la massa ridotta e la resistenza alla fatica della lega. Questi mercati stimolano anche la domanda di tubi-a pareti sottili, di piccolo-diametro con una superficie brillante e-esente da difetti.
Pratica di fabbricazione e saldatura
Taglia e lavora con utensili affilati e abbondante refrigerante; il titanio conduce male il calore, quindi il calore si concentra sul tagliente e la durata dell'utensile ne risente.
Salda mediante arco di tungsteno a gas con schermatura-in argon di elevata purezza e uno schermo finale. Qualsiasi accumulo di azoto, ossigeno o umidità-produce un cordone di saldatura colorato e fragile.
Giudicare la qualità della saldatura in base al colore: un cordone argentato o paglierino chiaro è accettabile nella maggior parte delle procedure, mentre blu, viola o grigio indicano contaminazione e richiedono la rimozione.
Utilizzare il metallo d'apporto corrispondente laddove richiesto da una specifica e verificare la composizione chimica e la pulizia del materiale d'apporto prima dell'uso.
Non pulire mai il titanio con una spazzola o un abrasivo che ha toccato l'acciaio al carbonio; la contaminazione da ferro provoca la formazione di idruri e un cedimento precoce.
La piegatura a freddo è possibile a raggi modesti con il raggio di curvatura e il supporto del mandrino corretti; la ricottura tra fasi di formatura severe previene la fessurazione.
Idee sbagliate comuni
Spesso si presume che i tubi in titanio siano semplicemente un sostituto più resistente dell'acciaio inossidabile. In pratica i due si comportano diversamente: il titanio ha un modulo elastico inferiore, vicino a 114 GPa, quindi un tubo di titanio flette più di un tubo di acciaio di identiche dimensioni, e il suo coefficiente di dilatazione termica è inferiore. Un secondo malinteso riguarda la difficoltà di saldatura, che in realtà deriva dalla contaminazione atmosferica più che dal metallo stesso; un giunto adeguatamente spurgato si salda in modo pulito. Un terzo è che una maggiore resistenza significa sempre Grado 5. Laddove dominano tenacità, formabilità o semplicità di saldatura, il tubo di Grado 2 o Grado 9 è la risposta ingegneristica migliore.
Domande frequenti
D: Il Grado 5 è uguale al Ti-6Al-4V?
SÌ. Grado 5 è la designazione del grado standard e UNS R56400 identifica la stessa chimica; Ti 6-4 è la comune abbreviazione di negozio.
D: Quando il Grado 23 dovrebbe sostituire il Grado 5?
Ogni volta che sono necessari una maggiore tenacità e un contenuto interstiziale inferiore, in genere per dispositivi impiantabili e parti aerospaziali-critiche per la frattura.
D: I tubi in titanio possono essere saldati in aria?
Il bagno di fusione deve essere protetto dall'aria. È necessaria la protezione dell'arco con gas inerte-e lo spurgo della parte finale e di supporto, inoltre è necessario ispezionare il colore del cordone finito prima dell'accettazione.
D: Come si comportano i tubi in titanio nell'acqua di mare?
Ottimo. Il film di ossido passivo offre un'eccellente resistenza all'acqua di mare e al lavaggio ad alta velocità dell'acqua di mare, motivo per cui viene scelto per gli scambiatori di calore marini.
D: Il tubo di grado 5 necessita di trattamento termico dopo la saldatura?
A differenza delle leghe alfa-beta come le leghe di grado 5 che sono invecchiate, il tubo saldato viene generalmente utilizzato allo stato ricotto o come-saldato quando lo standard applicabile lo consente; qualsiasi trattamento termico post-saldatura deve seguire le specifiche in vigore.
D: Quale spessore di parete è pratico per i tubi di grado 5?
Il tubo senza saldatura viene prodotto in un'ampia gamma, comunemente da circa 0,5 mm fino a diversi millimetri di parete con diametri esterni da pochi millimetri a circa 100 mm; la busta esatta dipende dal mulino e dalle specifiche ordinate.
