Un tub de titani mai és simplement "un tub". La mateixa mida i grau nominal es poden subministrar en diversos estats metal·lúrgics, i l'estat decideix el límit elàstic, la ductilitat, la soldabilitat i el comportament a la corrosió molt més que la química sola. Els compradors que especifiquen només un diàmetre exterior i un gruix de paret sovint reben un producte dimensionalment correcte però metal·lúrgicament incorrecte per al deure. Els estats descrits a continuació cobreixen la gran majoria de comandes d'intercanviadors de calor, condensadors i canonades de procés.
Estat recuit
El tub totalment recuit és la condició de subministrament predeterminada per al titani comercialment pur. El treball en fred durant la reducció del tub va seguit d'un recuit que recristal·litza l'estructura, eliminant l'enduriment per treball i restaurant la ductilitat. El resultat és un tub amb una resistència moderada, una excel·lent conformabilitat i un comportament previsible en soldadura, per això el material recuit domina el servei del condensador i l'intercanviador de calor en aigua de refrigeració lleugerament corrosiva. El tub-alleujat d'estrès es troba entre la condició treballada en fred i la condició completament recuita: prou recuit per relaxar l'estrès residual i millorar l'estabilitat dimensional, però no suficient per completar la recristal·lització, de manera que es conserva una part útil de la força de treball en fred.
Estat treballat en fred
El tub treballat en fred es subministra sense un recuit de recristal·lització total i, per tant, té una major resistència a costa de la ductilitat. S'utilitza quan el tub ha de resistir una pressió o vibració específica i on els requisits de flexió i envasat són modestos. El desavantatge és que la tensió residual fa que el tub sigui més sensible a l'esquerda per corrosió per tensió en determinats entorns, i qualsevol operació de soldadura posterior recuit parcialment la zona afectada per la calor i crea una discontinuïtat de resistència que s'ha de tenir en compte en el disseny.
Superplàstic i estat-de gra fi
Quan el titani es processa a una estructura de gra fi i equiaxial, normalment en el rang d'uns pocs micròmetres, el material recuit desenvolupa un comportament superplàstic: es pot estirar diversos centenars per cent a temperatura elevada sense coll ni fractura. Per al tub de titani, aquest estat és valuós de dues maneres. Permet realitzar operacions de conformació complexes en un sol pas a una pressió de conformació relativament baixa i proporciona un producte resistent i tolerant a danys-que resisteix l'esquerdament sota una càrrega de velocitat elevada, cosa que el fa atractiu com a material d'intercanvi de calor en un servei exigent. La formació superplàstica d'aliatges de titani alfa-beta com el Ti-6Al-4V es realitza normalment en el rang d'aproximadament 870-950 graus a velocitats de tensió lentes.
Estat endurit per precipitacions
L'enduriment per precipitació, també anomenat envelliment, s'aplica als aliatges de titani que responen a un tractament de solució seguit d'un tractament d'envelliment. El tub es tracta en solució a alta temperatura, s'apaga i després envelleix a una temperatura més baixa de manera que precipitin fases secundàries fines dins de l'estructura. El tub envellit té una gran resistència i duresa a temperatura ambient i conserva una resistència útil a temperatura elevada, per això s'escull el producte endurit per precipitació per als intercanviadors de calor que funcionen sota combinacions severes d'alta temperatura i alta pressió. Els tractaments d'envelliment típics d'aliatges de titani alfa-beta i beta cauen entre uns 480 i 540 graus, amb el temps i la temperatura seleccionats per equilibrar la resistència i la ductilitat.
Estructures Alpha, Alpha-Beta i Beta
L'estat d'un tub de titani està estretament lligat a la seva estructura de fase. Els aliatges alfa, inclosos els graus comercialment purs i els graus de corrosió estabilitzats amb pal·ladi- o molibdè-, són d'una sola fase, són fàcilment soldables i moderadament resistents. Els aliatges alfa-beta com el Ti-6Al-4V contenen ambdues fases: ofereixen resistència mitjana a alta, bona plasticitat i bon rendiment de soldadura i s'utilitzen àmpliament per als intercanviadors de calor a temperatures mitjanes. Els aliatges beta es poden envellir fins a una resistència molt alta, però necessiten un control de procés més estricte i són menys comuns en forma de tub per al servei general d'intercanvi de calor.
Selecció d'un estat per al deure
La selecció s'inicia a partir de les condicions del servei en lloc d'una nota preferent. Un intercanviador de calor en servei d'alta temperatura i alta pressió exigeix un producte endurit per precipitació; una aplicació que depèn de la conformabilitat, la tenacitat a l'impacte o la soldabilitat requereix material recuit o superplàstic; un tub que ha de suportar una elevada càrrega estàtica sense un deure tèrmic pot justificar una condició de treball en fred. A continuació, s'han de comprovar altres paràmetres juntament amb l'estat: química i grau del material, dimensions i toleràncies del tub, estat de la superfície, pressió de prova i el procediment de soldadura que s'utilitzarà en la fabricació.
La influència del processament en l'estat
L'estat es crea per la ruta de processament, no només per la redacció de l'ordre de compra. La relació de reducció en fred, la temperatura i el temps de recuit, la velocitat de refredament, el redreçament i el tractament de la superfície final canvien les propietats lliurades. Un canvi de molí de tubs, un canvi en la seqüència de reducció o un canvi de càrrega del forn de recuit poden treure un producte de la condició que es va qualificar originalment. És per això que una especificació d'estat sempre s'ha de vincular a l'estàndard del producte de referència, més habitualment ASTM B338 per a tubs de titani soldats i sense soldadura per a condensadors i intercanviadors de calor, o ASTM B861 per a tubs de titani sense soldadura, juntament amb els requisits de prova mecànica que imposen aquestes normes.
Estats típics i les seves aplicacions
| Estat | Característiques típiques | Aplicació típica |
|---|---|---|
| Recuit | Bona ductilitat i soldabilitat, resistència moderada | Condensadors i intercanviadors de calor, tub de procés general |
| L'estrès alleujat | Reducció de l'estrès residual, part de la força de treball en fred conservada | Tub dimensionalment estable, de formació moderada |
| Treballat en fred | Major resistència, menor ductilitat, major tensió residual | Serveis de pressió i vibració amb conformat limitat |
| Gra fi superplàstic | Elongació molt alta a temperatura elevada, resistent | Formació complexa, deure d'intercanvi de calor d'alta velocitat de tensió |
| Precipitació endurida | Alta resistència i duresa, força calenta útil | Bescanviadors d'alta temperatura i alta pressió severa |
| Estructura alfa-beta | Resistència mitjana a alta, bona plasticitat, soldable | Bescanviadors de calor i tub de procés de temperatura mitjana |
Els requisits mínims de resistència a la tracció difereixen àmpliament entre els graus sota la mateixa norma, des d'aproximadament 240 MPa per a material comercialment pur de grau 1 fins a uns 895 MPa per a l'aliatge de titani de grau 5, per la qual cosa el grau i l'estat sempre s'han d'especificar conjuntament.
Preguntes freqüents
P: Què descriu realment l'"estat" d'un tub de titani?
Descriu l'estat metal·lúrgic produït per les etapes finals del processament, que inclou la recristal·lització, l'esforç residual, l'estructura de fase i la mida del gra, i estableix la resistència i la ductilitat lliurades.
P: Quin estat és millor per a un condensador refrigerat per aigua de mar?
El tub comercialment pur recoit totalment, o un grau resistent a la corrosió{0}}recuit, combina la soldabilitat i la ductilitat necessàries per a la fabricació de tubs-a-tubs amb un rendiment de corrosió adequat.
P: Quan s'ha de seleccionar el tub de titani endurit per precipitació?
Quan l'intercanviador funciona en condicions severes d'alta temperatura i alta pressió on la resistència a la temperatura ambient i la retenció de la duresa a la temperatura són crítiques.
P: Per què és més fàcil formar un tub de titani superplàstic?
Una estructura fina de gra equiaxial permet que el material recuit s'estiri uns quants centenars per cent a temperatura elevada sense coll, de manera que es poden formar formes complexes en menys operacions.
P: El treball en fred millora el tub de titani per a cada aplicació?
No. El tub treballat en fred és més fort, però menys dúctil i més propens a esquerdes per corrosió per tensió, i la soldadura recuit parcialment la zona afectada per la calor.
P: Per què pot arribar el mateix grau amb diferents propietats de diferents molins?
Com que la relació de reducció en fred, el cicle de recuit, la velocitat de refredament i el redreçament configuren l'estat final, de manera que l'estat s'ha de relacionar amb l'estàndard de referència i les seves proves mecàniques.
