Bei der Herstellung von Heizrohren aus Titan wird durch Kaltziehen die Querschnittsfläche vor dem endgültigen Glühen um einen bestimmten Prozentsatz reduziert. Das Kaltumformniveau bestimmt die treibende Kraft für die Rekristallisation beim Glühen. Ein niedriger Kaltumformgrad von 5 % erzeugt große rekristallisierte Körner mit ASTM 4–5 (Durchmesser 80–120 µm). Ein hoher Kaltumformgrad von 20 % erzeugt feine rekristallisierte Körner von ASTM 8–10 (Durchmesser 11–22 µm). In Luft bei 300 Grad weist das feinkörnige Material eine drei- bis fünfmal höhere Beständigkeit gegen thermische Ermüdungsrisse auf, da kleinere Körner eine größere Korngrenzenfläche bieten, um zyklische thermische Spannungen aufzunehmen und der Rissausbreitung zu widerstehen.

Der Mechanismus des Einflusses der Korngröße auf die thermische Ermüdungsbeständigkeit

Bei Temperaturwechseln bei 300 Grad dehnt sich das Titanrohr aus und zieht sich zusammen. Die zyklische Belastung wird durch Schlupf und Korngrenzengleiten ausgeglichen. Fein{3}}körniges Material hat mehr Korngrenzen pro Volumeneinheit, wodurch die Spannung gleichmäßiger verteilt werden kann. Die Rissbildung erfolgt an Gleitbändern und Korngrenzen; Feinere Körner verringern die Gleitlänge und die Spannungskonzentration an den Korngrenzen. Die Ermüdungsrisswachstumsrate folgt da/dN ∝ d^0,5, wobei d die Korngröße ist. Eine Halbierung des Korndurchmessers verringert die Risswachstumsrate um 30 %. Darüber hinaus bieten feine Körner mehr Barrieren für die Rissausbreitung und zwingen Risse dazu, ihre Richtung zu ändern und Energie abzuleiten.

Quantitative rekristallisierte Korngröße als Funktion der Kaltumformung

Durch kontrolliertes Glühen von Titanrohren der Güteklasse 2 bei 700 Grad für 30 Minuten nach verschiedenen Kaltbearbeitungsstufen wurden die folgenden rekristallisierten Korngrößen ermittelt. Bei 5 % Kaltumformung beträgt die rekristallisierte Korngröße ASTM 3–5 (Durchmesser 50–125 µm) und die Härte nach dem Glühen beträgt 160–180 HV. Bei 10 % Kaltumformung beträgt die Korngröße ASTM 5–7 (32–64 µm) und die Härte 170–190 HV. Bei 15 % Kaltumformung beträgt die Korngröße ASTM 7–8 (22–45 µm) und die Härte 180–200 HV. Bei 20 % Kaltumformung beträgt die Korngröße ASTM 8–9 (16–32 µm) und die Härte 190–210 HV. Bei 30 % Kaltumformung beträgt die Korngröße ASTM 9–10 (11–22 µm) und die Härte 200–220 HV. Bei 40 % Kaltumformung beträgt die Korngröße ASTM 10–11 (8–16 µm) und die Härte 210–230 HV.

Thermische Ermüdungslebensdauer bei 300 Grad als Funktion der Korngröße

Zyklische Tests in Luft bei 300 Grad mit einem Temperaturwechsel von 250 Grad (50 Grad bis 300 Grad) über 10.000 Zyklen haben die folgenden thermischen Ermüdungsrisstiefen für Titan der Güteklasse 2 ermittelt. Bei der ASTM-Korngröße 3–5 (5 % Kaltumformung) beträgt die Risstiefe nach 10.000 Zyklen 150–300 µm und die Ermüdungslebensdauer bis zum 1 mm Riss beträgt 30.000–50.000 Zyklen. Bei der ASTM-Korngröße 5–7 (10 % Kaltumformung) beträgt die Risstiefe 80–150 µm und die Lebensdauer bis 1 mm beträgt 60.000–100.000 Zyklen. Bei ASTM-Korngröße 7–8 (15 % Kaltumformung) beträgt die Risstiefe 40–80 µm und die Lebensdauer bis 1 mm beträgt 120.000–200.000 Zyklen. Bei der ASTM-Korngröße 8–9 (20 % Kaltumformung) beträgt die Risstiefe 20–40 µm und die Lebensdauer bis 1 mm beträgt 250.000–400.000 Zyklen. Bei der ASTM-Korngröße 9–10 (30 % Kaltumformung) beträgt die Risstiefe 10–20 µm und die Lebensdauer bis 1 mm übersteigt 500.000 Zyklen.

Leitfaden zur Kaltumformung und Auswahl der Korngröße für den 300-Grad-Luftbetrieb

Die folgende Tabelle enthält Empfehlungen für den Grad der vorherigen Kaltumformung und die daraus resultierende Korngröße für Heizrohre aus Titan, die für den Einsatz in Luft bei 300 Grad vorgesehen sind, basierend auf den erwarteten Wärmezyklen und der gewünschten Ermüdungslebensdauer.

Engineering jenseits der Kaltumformungskontrolle

Der Titangrad beeinflusst das Rekristallisationsverhalten. Sorte 7 rekristallisiert aufgrund von Palladium bei einer etwas höheren Temperatur als Sorte 2, aber die endgültige Korngröße für einen bestimmten Kaltumformgrad ist ähnlich. Sorte 5 (Ti-6Al-4V) rekristallisiert unter diesen Bedingungen nicht vollständig. Die Wandstärke hat keinen direkten Einfluss auf die Korngröße, beeinflusst aber die Rissausbreitungszeit; Bei einer 2,0-mm-Wand mit einem 20-µm-Riss sind noch 98 % der Wand übrig. Auch die Glühtemperatur und -zeit beeinflussen die Korngröße; Höhere Temperaturen oder längere Zeiten vergröbern die Körner. Für eine maximale thermische Ermüdungsbeständigkeit ist eine Kaltumformung über 20 % vorteilhaft, eine übermäßige Kaltumformung (über 40 %) kann jedoch zu Rissen beim Ziehen führen.

Erstellen einer fundierten Spezifikation

Für ein Heizrohr aus Titan, das in Luft bei 300 Grad mit erheblichen Temperaturschwankungen betrieben wird, legen Sie vor dem endgültigen Glühen einen Kaltumformgrad von 20–30 % fest. Erfordern eine endgültige rekristallisierte Korngröße von ASTM 8 oder feiner. Für Anwendungen mit weniger als 60.000 erwarteten Zyklen sind 10–15 % Kaltverformung akzeptabel. Bei starker Belastung (täglicher Start{11}}Stopp für 10 Jahre, etwa 3.650 Zyklen) ist der Unterschied zwischen ASTM 5 und ASTM 8 vernachlässigbar und Standard-Kaltverformung ist ausreichend. Geben Sie für kritische Anwendungen mit schnellen Temperaturwechseln (viele Zyklen pro Tag) eine Kaltverformung von 30 % und eine ASTM-Korngröße 9 oder feiner an. Durch die Kontrolle des Kaltumformgrades vor dem Glühen passt der Ingenieur die Korngröße so an, dass die erforderliche thermische Ermüdungsbeständigkeit bei 300 Grad erreicht wird.