チタン ヒーター チューブの製造では、最終焼鈍前に冷間引抜きにより断面積が一定の割合で減少します。{0}}冷間加工レベルは、焼きなまし中の再結晶の推進力を決定します。 5% という低い冷間加工レベルでは、ASTM 4 ～ 5 (直径 80 ～ 120 μm) の大きな再結晶粒が生成されます。 20% という高い冷間加工レベルにより、ASTM 8 ～ 10 (直径 11 ～ 22 μm) の微細な再結晶粒が生成されます。 300 度の空気中で、細粒材料は、熱疲労亀裂に対して 3 ～ 5 倍高い耐性を示します。これは、粒子が小さいほど、周期的な熱ひずみに適応し、亀裂の伝播に抵抗するためにより多くの粒界領域が提供されるためです。

結晶粒径が熱疲労耐性に与える影響のメカニズム

300 度の熱サイクル中、チタン チューブは膨張および収縮します。周期的ひずみは、滑りと粒界滑りによって吸収されます。細粒材料には単位体積あたりの粒界が多く、ひずみがより均一に分散されます。亀裂の発生はすべり帯と粒界で発生します。粒子が微細になると、滑り長さが減少し、粒界での応力集中が減少します。疲労亀裂の成長速度は、da/dN ∝ d^0.5 に従います。ここで、d は結晶粒径です。結晶粒径が半分になると亀裂の成長速度が 30% 減少します。さらに、微細な粒子は亀裂の伝播に対するより多くの障壁を提供し、亀裂の方向を変えてエネルギーを散逸させます。

冷間加工の関数としての定量的再結晶粒径

グレード 2 チタンチューブを 700 度で 30 分間、さまざまな冷間加工レベルで制御された焼きなましを行うことにより、次の再結晶粒径が確立されました。 5% の冷間加工では、再結晶粒径は ASTM 3 ～ 5 (直径 50 ～ 125 μm)、焼鈍後の硬度は 160 ～ 180 HV になります。 10% の冷間加工では、結晶粒径は ASTM 5 ～ 7 (32 ～ 64 μm)、硬度は 170 ～ 190 HV になります。 15% の冷間加工では、結晶粒径は ASTM 7 ～ 8 (22 ～ 45 μm)、硬度は 180 ～ 200 HV になります。 20% の冷間加工では、結晶粒径は ASTM 8 ～ 9 (16 ～ 32 μm)、硬度は 190 ～ 210 HV になります。 30% の冷間加工では、結晶粒径は ASTM 9 ～ 10 (11 ～ 22 μm)、硬度は 200 ～ 220 HV になります。 40% の冷間加工では、結晶粒径は ASTM 10 ～ 11 (8 ～ 16 μm)、硬度は 210 ～ 230 HV になります。

結晶粒径の関数としての 300 度での熱疲労寿命

300 度の空気中で 250 度 (50 度から 300 度) の温度変動を伴う 10,000 サイクルにわたる繰り返し試験により、グレード 2 チタンの次の熱疲労亀裂の深さが確立されました。 ASTM 粒度 3 ～ 5 (5% 冷間加工) の場合、10,000 サイクル後の亀裂深さは 150 ～ 300 μm、1 mm 亀裂までの疲労寿命は 30,000 ～ 50,000 サイクルです。 ASTM 粒度 5 ～ 7 (10% 冷間加工) の場合、亀裂の深さは 80 ～ 150 μm、1 mm までの寿命は 60,000 ～ 100,000 サイクルです。 ASTM 粒度 7 ～ 8 (15% 冷間加工) の場合、亀裂深さは 40 ～ 80 µm、1 mm までの寿命は 120,000 ～ 200,000 サイクルです。 ASTM 粒度 8 ～ 9 (20% 冷間加工) の場合、亀裂の深さは 20 ～ 40 µm、1 mm までの寿命は 250,000 ～ 400,000 サイクルです。 ASTM 粒度 9 ～ 10 (30% 冷間加工) の場合、亀裂の深さは 10 ～ 20 μm で、1 mm までの寿命は 500,000 サイクルを超えます。

300 度エアサービス用の冷間加工と粒度選択ガイド

次の表は、予想される熱サイクルと望ましい疲労寿命に基づいて、300 度の空気中での使用を目的としたチタン ヒーター チューブの事前の冷間加工レベルとその結果生じる結晶粒径に関する推奨事項を示しています。

冷間加工制御を超えたエンジニアリング

チタンのグレードは再結晶挙動に影響を与えます。グレード 7 はパラジウムによりグレード 2 よりわずかに高い温度で再結晶しますが、特定の冷間加工レベルでの最終結晶粒径は同様です。グレード 5 (Ti-6Al-4V) は、これらの条件下では完全には再結晶しません。壁の厚さは粒子サイズに直接影響しませんが、亀裂の伝播時間に影響します。 20 μm の亀裂のある 2.0 mm の壁では、壁の 98% が残っています。アニーリングの温度と時間も粒子サイズに影響します。温度が高くなったり、時間が長くなると粒子が粗くなります。熱疲労耐性を最大限に高めるには、20% を超える冷間加工が有益ですが、過剰な冷間加工 (40% を超える) は絞り加工中に亀裂を引き起こす可能性があります。

情報に基づいた仕様の作成

300 度の空気中で大幅な熱サイクルを伴うチタン ヒーター チューブの場合、最終焼鈍前の事前の冷間加工レベルを 20 ～ 30% に指定します。 ASTM 8 以上の最終再結晶粒径が必要です。予想サイクル数が 60,000 未満の用途では、10 ～ 15% の冷間加工が許容されます。過酷なサイクル（10 年間毎日始動{11}}停止、約 3,650 サイクル）の場合、ASTM 5 と ASTM 8 の差はごくわずかであり、標準の冷間加工で十分です。急速な熱サイクル (1 日に多数のサイクル) を伴う重要な用途の場合は、30% の冷間加工と ASTM 粒度 9 以上を指定します。アニーリング前の冷間加工レベルを制御することにより、エンジニアは 300 度で必要な耐熱疲労性を達成するために結晶粒度を調整します。