Download Cost-Effective Metastable Beta Titanium Alloys via Powder Metallurgy and more Quizzes Metallurgical Engineering in PDF only on Docsity!
Metalurgi serbuk yang memenuhi syarat paduan titanium beta metastabil
dengan merancang konsolidasi dan pemrosesan proses pendek
Robby Henryan 2613181049 [1] Abstrak Rute pemrosesan waktu singkat telah dirancang untuk memproduksi paduan titanium metastabil metastabil (PM) metastabil bubuk (PM) yang terjangkau dan berkualitas tinggi, yang mengandung konsolidasi bubuk cepat (pengepresan termomekanik yang dimodifikasi), pemrosesan termomekanis satu langkah (penempaan panas uniaksial mati sederhana yang terbuka oleh pers industri) dan perlakuan panas cepat (anil satu langkah pada berbagai suhu hanya selama satu jam). Berdasarkan karakterisasi mikrostruktur yang komprehensif dan pemeriksaan properti mekanik, mekanisme evolusi mikrostruktur yang mendasari dan hubungan mikrostruktur-properti paduan yang dihasilkan diungkap dan dijelaskan secara menyeluruh. Struktur makro homogen dan struktur mikro butiran halus tanpa partikel yang tidak larut dan pori-pori besar diperoleh untuk paduan setelah konsolidasi serbuk termomekanis sebagai hasil dari efek bersamaan deformasi eksternal dan difusi suhu tinggi. Penempaan d ie- die satu langkah diverifikasi untuk menghasilkan paduan PM yang padat dan bersuara dengan skala besar dan kekuatan tinggi. Dikaitkan dengan kesesuaian yang harmonis dari presipitasi α hierarkis dan struktur butir yang heterogen, kombinasi kekuatan-keuletan sinergis dicapai untuk paduan setelah pemrosesan spesifik dan perlakuan panas dengan kekuatan tarik dan regangan pada nilai kegagalan 1386,5 MPa / 7,3% dan 1252,3 MPa / 9.0 %, masing-masing. Kombinasi kekuatan-keuletan ini sebanding dan / atau bahkan lebih baik daripada paduan titanium β metastabil lainnya yang dibuat oleh beberapa pendekatan metalurgi PM dan ingot dengan biaya dan konsumsi waktu yang relatif tinggi. Kata Kunci : Pemrosesan Hemat Biaya, Paduan Titanium, Metalurgi Serbuk, Evolusi Struktur Mikro, Sifat Mekanis.
1. Pendahuluan Titanium dan paduannya telah menjadi bahan yang menjanjikan untuk industri maju karena sifat fisik dan mekaniknya yang seimbang, diantaranya paduan titanium beta metastabil adalah bahan khusus yang menarik untuk aplikasi kedirgantaraan dan kelautan berkat kinerjanya yang luar biasa termasuk kekuatan spesifik yang tinggi, ketahanan korosi yang sangat baik. dan rentang suhu layanan yang luas. Namun, aplikasi paduan titanium beta metastabil hanya dibatasi dalam beberapa bidang tertentu seperti pesawat terbang dan peralatan militer, di mana biaya produksi bukanlah pertimbangan sensitif. Pemanfaatan paduan titanium beta metastabil dapat diperluas ke area lain yang diperlukan dan penting (mobil, sipil, arsitektur, dll.) Hanya jika biayanya dapat diterima dengan menyederhanakan pemrosesan panas, memperpendek prosedur manufaktur dan menghindari pemesinan besar-besaran [1]. Pendekatan metalurgi serbuk (PM) telah dianggap dan diterapkan sebagai kandidat yang layak untuk menghasilkan bagian titanium dengan bentuk hampir bersih dan kualitas yang baik terhadap metode metalurgi ingot (IM). Ide awal untuk membuat produk paduan titanium dari bubuk menggunakan bubuk pra-paduan (PA) untuk menghasilkan bagian yang hampir berbentuk jaring dan berkinerja tinggi, menghindari pemrosesan yang mahal dan prosedur pemesinan besar-besaran (lihat rute PA dan IM pada Gambar. 1). Namun, bubuk paduan titanium PA biasanya mahal karena diproduksi dari ingot paduan yang dibuat dengan baik dan diatomisasi dengan berbagai teknik yang intensif energi dan memakan waktu. Oleh karena itu, pendekatan PA biasanya digunakan untuk membuat komponen yang hampir bersih dan berbentuk kompleks dengan beberapa cara yang rumit, seperti pengepresan isostatik panas (HIP), pencetakan injeksi logam (MIM) dan manufaktur aditif (AM), dan produk harus memiliki performa mekanis / fisik yang lebih baik daripada produk IM tanpa mempertimbangkan biaya [1].
deformasi mereka dipelajari. Perlu disebutkan bahwa diperlukan waktu hingga 10 jam untuk menyinter sekumpulan titanium compact pada suhu yang diinginkan dari awal pemanasan hingga penyelesaian pendinginan billet hingga suhu kamar. Proses lama ini menghasilkan konsumsi energi yang tinggi dan efisiensi produksi yang rendah selama manufaktur industri, yang mengurangi daya saing produk titanium BE-PM dalam hal sifat hemat biaya yang diinginkan.
2. Metode Penelitian 2.1. Material Penelitian Material yang digunakan pada penelitian ini yaitu : 1. Unsur Paduan Ti- 55521 2. Unsur Paduan Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe (Ti-55511) 3. Unsur Paduan Ti-10V-3Fe-3Al (Ti-1033) 2.2. Metode Penelitian 2.2.1. Konsolidasi Serbuk Paduan PM Ti-5553 dalam penelitian ini disintesis dari campuran serbuk dengan komposisi nominal Ti-5Al-5Mo-5 V-3Cr (wt%) yang dibuat dari serbuk unsur bubuk titanium hidrida-dehidrida (HDH) (−200) mesh, 99.6%), Al powder (− mesh, 99.9%), Al35-V65, Al15-Mo85 dan Al30-Cr70 (wt%) master alloy powder (−75 μm, kemurnian komersial). Pemilihan bubuk mentah ini didasarkan pada sifat hemat biaya, ukuran kecil dan morfologi permukaan tidak beraturan (kecuali bubuk Al bulat) yang membuatnya lebih baik untuk dipadatkan dan dikonsolidasikan selama pemadatan hangat dan TPC. Paduan tersebut dikonsolidasikan dari bubuk mentah melalui proses pencampuran bubuk, pemadatan hangat, dan TPC. Diagram skema yang menunjukkan rute preparasi ini ditunjukkan pada Gambar. 3. Serbuk mentah pertama kali ditimbang (500 g) untuk membuat komposisi nominal Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (wt%). Setelah itu, blender berbentuk V digunakan untuk mencampurkan serbuk ke dalam campuran yang homogen dengan kecepatan putaran 60 rpm selama 90 menit. Campuran bubuk tersebut kemudian dipadatkan dengan hangat menjadi compact hijau (kepadatan relatif sekitar 84%) menggunakan cetakan berpelumas grafit (bentuk silinder, diameter 56 mm) pada suhu sekitar 250 ° C dan tekanan uniaksial sekitar 400 MPa di udara.
TPC dari compact hijau dicapai dengan pengepresan panas yang dimodifikasi, dilakukan menggunakan pengepres hidrolik oli 100 ton yang dilengkapi dengan ruang sarung tangan. Kompak hijau pertama kali dipanaskan secara induktif hingga suhu target sekitar 1275 ° C dengan laju pemanasan sangat tinggi hingga 200 ° C / menit. Pemanasan induktif cepat dari bedak bubuk hijau diaktifkan oleh koil induksi tembaga dan catu daya eksternal frekuensi tinggi. Kumparan induksi membawa arus bolak- balik, yang menciptakan medan magnet yang menginduksi arus eddy dalam bubuk logam konduktor yang padat untuk menghasilkan efek termal yang kuat. Setelah ditahan pada suhu selama sekitar 9 menit, kompaksi panas dipindahkan ke cetakan berpelumas grafit yang sedikit lebih besar (bentuk silinder, diameternya 58 mm), diikuti dengan pengepresan panas uniaksial untuk mengkonsolidasikan billet paduan secara termomekanik. Atmosfer argon yang mengalir diaplikasikan ke dalam ruang selama proses pemanasan, pengepresan dan pendinginan untuk mengontrol tingkat oksigen (di bawah 200 ppm) untuk menghilangkan oksidasi yang serius. 2.2.2. Termomekanis Pemrosesan Termomekanis dan Perlakuan Panas Kondisi pemrosesan termomekanik dirancang untuk billet paduan PM Ti- 5553 yang terkonsolidasi, kemudian buka satu langkah yang ditentukan. penempaan mati dilakukan pada kondisi yang berbeda (suhu, laju regangan dan mode pendinginan) untuk menghasilkan paduan ukuran besar ( as-forged ) dengan biaya rendah dan konsumsi waktu yang berkurang. Jendela pemrosesan optimal dari paduan disarankan sebagai: suhu deformasi antara 900 ° C – 1050 ° C, laju regangan di bawah 1 s − 1, dan derajat deformasi lebih tinggi dari 70% pengurangan ketinggian. Paduan PM Ti- 5553 menunjukkan kemampuan kerja panas yang sangat baik dengan aliran yang stabil dan kontrol struktur mikro yang memuaskan dalam jendela pemrosesan ini. Selain itu, kondisi 950 ° C / 0.01 s − 1 dapat menjadi wilayah pemrosesan "terbaik" yang potensial, karena terjadinya rekristalisasi dinamis ekstensif (DRX) dengan penghalusan butir yang
2.2.3. Karakterisasi Material Billet yang terkonsolidasi dipotong kawat sepanjang arah penampang dan kemudian permukaannya dikerjakan dengan tepat. Setelah itu, permukaan penampang diukir secara langsung dan seragam dalam reagen Kroll yang dimodifikasi yang mengandung 10 vol% HF, 20 vol% HNO3 dan 70 vol% H2O untuk melihat struktur makro dari billet tersebut. Mikroskopi optik (OM, OLYMPUS-PMG3), pemindaian mikroskop elektron (SEM, JSM- 6460 dan Hitachi-S4700), mikroskop elektron transmisi terkoreksi penyimpangan bola (ACTEM, JEM-ARM200F) dan mikroskop elektron transmisi (TEM, JEM-2100) digunakan untuk memeriksa struktur mikro dari sampel paduan. Sampel untuk pengamatan struktur mikro OM dan SEM digerus terlebih dahulu (kertas SiC) dan dipoles mekanis (silika gel) untuk mencapai permukaan akhir cermin diikuti dengan etsa (reagen Kroll yang dimodifikasi tersebut di atas) untuk mengungkap struktur mikro. Untuk preparasi sampel TEM, cakram paduan kecil dengan diameter 3 mm digiling terlebih dahulu hingga ketebalan 60 μm, dan kemudian berkas ion digiling untuk pemeriksaan. Analisis difraksi sinar-X (XRD) dilakukan pada difraktometer sinar-X D Advance (Bruker Ltd., USA) yang dilengkapi dengan sumber radiasi Cu Kα (λ = 0,154157 nm) untuk menentukan konstitusi fasa paduan yang diproses. Spesimen tarik berbentuk tulang anjing dengan bagian pengukur 20 mm x 2 mm x 2 mm disiapkan (pemesinan pelepasan listrik dan penggilingan permukaan) dari paduan pada berbagai kondisi. Kemudian, pengujian tarik suhu kamar dilakukan pada mesin uji universal (Instron 4204) pada laju regangan 10−4 s − 1, mengikuti standar ASTM E8 / E8M- 16ae1 (untuk bahan logam P / M). Setelah pengujian tarik, fitur fraktografi
dikarakterisasi dengan SEM (JSM-6460). Setidaknya tiga spesimen diuji selama pengujian tarik di setiap kondisi untuk akurasi dan keandalan eksperimental. Pengukuran kekerasan dilakukan dengan menggunakan penguji kekerasan mikro (FM700, Leco Ltd.) dengan indentor piramida persegi kanan berlian yang memiliki sudut lancip 136 °, mengikuti standar ASTM E92–17 (Kekerasan Vickers). Beban diberi tekanan selama 10 detik untuk pengujian, dan pengukuran diulang 10 kali untuk mendapatkan perilaku sampel rata-rata.
3. Hasil Penelitian 3.1. Struktur Makro dan Mikro Awal dari Paduan yang Terkonsolidasi Foto struktur makro dan gambar struktur mikro optik dari billet paduan yang terkonsolidasi ditunjukkan pada Gambar 6. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, struktur makro penampang dari billet paduan adalah homogen dan ada tidak ada partikel bubuk paduan utama yang tidak terlarut. Alasan mengapa pendekatan TPC dapat mengkonsolidasikan paduan titanium dengan baik dalam waktu yang singkat adalah efek bersamaan dari deformasi eksternal dan difusi suhu tinggi. Efek ini memungkinkan partikel bubuk unsur larut sepenuhnya dalam matriks dengan cepat karena peningkatan laju difusi dan kemampuan bergerak partikel. Sebaliknya, waktu yang lebih lama diperlukan untuk pelarutan dan pemadatan partikel dalam pendekatan sintering vakum tanpa tekanan. Gbr. 6b-c menunjukkan mikrostruktur awal paduan PM Ti-5553 yang terkonsolidasi. Terlihat bahwa paduan termomekanik-konsolidasi terdiri dari fase β ekuaksi primer, dengan ukuran butir rata-rata sekitar 100 μm, dan daerah fasa pengendapan terdistribusi dalam matriks butir β atau dekat batas butir β. Selain itu, telah dibuktikan bahwa presipitasi terdiri dari fasa acicular α dan lath α ″ yang bertanggung jawab atas fraktur awal paduan yang terkonsolidasi. Perlu juga disebutkan bahwa beberapa pori sisa terlihat dalam struktur mikro, tetapi jumlah (kurang dari 2%) dan ukurannya (kurang dari 2 μm) sangat terbatas.
Gambar AC-TEM (lihat Gambar. 8 ) menunjukkan mikrostruktur rinci dari paduan FR1 yang diberi perlakuan panas pada 700 ° C. Endapan α menunjukkan fitur tri-hirarki yang jelas terdiri dari bilah berukuran besar αp (diverifikasi oleh pola SAED pada Gambar 8 b), αs acicular / seperti batang halus, dan α tersier seperti jarum skala nano (αt, terletak di dalam struktur βTF). Koeksistensi fase αt dan β di dalam struktur βTF selanjutnya dikonfirmasi oleh pola SAED pada Gambar. 8c. Fase acicular / rod-like αs terdispersi secara acak dalam mikro dengan berbagai arah, dan struktur βTF didistribusikan antara fase lath αp dan αs. Sementara itu, kerapatan dislokasi sangat rendah pada struktur mikro, yang berarti tegangan sisa paduan FR-1 hampir dihilangkan dengan pemulihan statis dan stabilitas struktur mikro paduan meningkat secara signifikan setelah perlakuan panas pada suhu 700 ° C.
Ketika meningkatkan suhu perlakuan panas ke suhu yang relatif tinggi yaitu 800 ° C dan 850 ° C, struktur mikro paduan FOR-1 yang diberi perlakuan panas menjadi sangat berbeda dibandingkan dengan paduan yang diberi perlakuan panas pada suhu 600 ° C – 750 ° C, seperti yang ditunjukkan di Gambar 7e1-f5. Struktur βUFG sebelumnya yang ditunjukkan dalam paduan tempa telah menghilang, fasa αs kasar dengan bentuk seperti batang dan bola terlihat, dan fase αp reng menunjukkan kecenderungan kasar dan speroidisasi yang jelas. Selain itu, ada beberapa daerah bebas presipitasi yang hanya terdiri dari fase β. Gambar. 9 menunjukkan struktur mikro TEM rinci dari paduan FR-1 yang diberi perlakuan panas pada 850 ° C. Jelas bahwa hanya fase αs yang kasar (seperti batang dan bentuk bola, yang dikonfirmasi oleh pola SAED pada Gambar 9b) dan matriks β yang diamati dan tidak ada struktur βTF, fase αt, dislokasi yang terlihat.
