En titanstav med en diameter på 10 mm kan bära en belastning på 30 ton och även fungera som hjärtstent i människokroppen i 20 år. "Alla-prestandan för detta material stöds av en extremt rigorös tillverkningsprocess. Från råvaror till färdiga produkter kan varje avvikelse på 0,1 % göra hela partiet med produkter oanvändbart. Följande sex steg utgör linjen "gör-eller-bryt" vid tillverkning av titanstavar.
1. Att välja rätt råvaror: prestandas "gener".
Prestanda hos titanstavar låses in från råvarustadiet.
Flyg: Ti-6Al-4V (GR5) används flitigt och balanserar styrka och seghet på 900 MPa-nivå.
Medicinska implantat: Innehållet av föroreningar måste kontrolleras strikt. För varje 1 ppm ökning av föroreningar ökar risken för avstötning med 10 %.
Vid beredning av ingredienserna bör även titansvampen och aluminium-vanadinlegeringen vägas med milligram-nivåprecision för att undvika fluktuationer i spårämnen som kan leda till okontrollerbar mikrostruktur i ett senare skede.
2. Smältning: "Alchemizing" i ett vakuum
Titan kommer att "svälja" syre och kväve vid temperaturer över 1 500 grader och blir spröda direkt. Därför måste smältningsprocessen utföras i en vakuumbågsomsmältningsugn (VAR) eller en elektronstråle kallhärdsugn (EBCHM).
• VAR: Genom att smälta de komprimerade elektroderna lager för lager som "3D-utskrift", kan göt med en renhet på över 99,995 % erhållas.
EBCHM: Genom att använda elektronstråleskanning kan inneslutningar med hög-densitet som volfram och molybden förångas direkt. Flygrotor-titanstavar måste smältas om två gånger.
Efter en smältning måste prover tas för spektral jämförelse. Om komponentsegregeringen är större än 0,3 % kommer hela ugnen att skrotas.
3. Termomekanisk bearbetning: Smide "diskus" till senor och ben
Titangötet värms först upp till fasövergångspunkten (cirka 995 grader ), och rubbas sedan upprepade gånger och dras i + två--fasområdet.
Endast när smidesförhållandet är större än eller lika med 3:1 kan de inre mikro-porerna komprimeras.
Varje passdeformation bör kontrolleras inom 20 % till 40 %. Om det är för snabbt, kommer det att orsaka riva; går det för långsamt blir kornen grova.
Därefter varmvalsas den- till ämnen, med ett temperaturfelkrav på ±5 grader . Annars kan prestandaskillnaden mellan de främre och bakre delarna av samma stång nå 15 %.
4. Värmebehandling: "Fin-justering" av mikrostruktur
Homogeniserande glödgning: 850 grader /2 h för att eliminera kompositionssegregering;
Lösningsbehandling och åldring: 940 graders vattensläckande + 540 graders åldring i 4 timmar, vilket gör att + fasförhållandet når 80:20 och styrkan kan ökas ytterligare med 12 %.
5. Ytbehandling: Armering av titanstavarna
• Betning: Den blandade lösningen av HF och HNO₃ tar bort oxidskalet och avslöjar den silvervita-basen.
Kulblästring: 0,3 mm stålkulor träffar ytan med 60 m/s, introducerar tryckspänning på 200 MPa-nivån och ökar utmattningslivslängden med 50 %.
Elektrolytisk polering: Medicinska titanstavar genomgår elektrolytisk polering för att uppnå en ytråhet på Ra Mindre än eller lika med 0,1 μm, vilket minskar bakteriell vidhäftning med 80 %.
Anodoxidation: En 2 μm oxidfilm bildas, som inte bara är korrosionsbeständig- utan även kan färgas.
6. Detektering: Skärmrisker ner till "noll"
• Kemisk sammansättning: Varje stav inspekteras med en spektrometer. Om elementaravvikelsen överstiger 0,01 % skrotas den.
Mekaniska egenskaper: Slumpmässig provtagning för dragprovning, om brottöjningen är mindre än 10 % kommer hela partiet att returneras.
Icke-destruktiv testning:
- Ultraljudstestning (UT): Detekterade inneslutningar och defekter i titanstavar större än Ф0,8 mm.
- Eddy Current ET: Upptäck ytsprickor på 0,05 mm djup;
Mikrostruktur: Undersök kornstorleken och fördelningen under ett metallografiskt mikroskop.
Slutsats
Tillverkningen av titanstavar är en kamp mot "mikron-nivådefekter". Från föroreningskontroll på ppm-nivå till en ytråhet på 1 μm, varje steg utmanar de fysiska gränserna. I framtiden kan 3D-utskrift och nästan-nät-formning förkorta processen, men strävan efter "ultimativ prestanda" kommer aldrig att äventyras.
