Analiză și exemple de aplicare a procesului de forjare a aliajelor de titan în industria aviației

Analiză și exemple de aplicare a procesului de forjare a aliajelor de titan în industria aviației

Rezumat: introduce în principal aliajul de titan și tehnologia de forjare. Luând ca exemplu defectele de forjare ale pieselor forjate TC4 găsite în producția de aviație și procesul de îmbunătățire a procesului, analizează caracteristicile procesului de forjare a aliajelor de titan și perspectivele de aplicare și dezvoltare a acestuia în industria aviației.

1. Prezentare generală

Odată cu marea dezvoltare a economiei naționale și a științei și tehnologiei țării noastre, industriile aerospațiale și aviatice au introdus noi oportunități de dezvoltare în ultimii ani, mai ales după înființarea proiectului național „aeronave mari”, industria de producție a aviației civile va deveni un un nou punct de creștere economică care conduce dezvoltarea economică națională, cu perspective largi de dezvoltare. Pentru a îmbunătăți continuu gradul avansat, fiabilitatea și aplicabilitatea aeronavelor și pentru a crește competitivitatea pe piața internațională a aeronavelor interne, întreprinderile producătoare de aviație civilă au cerințe din ce în ce mai mari pentru selecția materialelor de fabricație pentru aviație; Principalele caracteristici ale aliajului de titan sunt greutatea specifică mică, rezistența ridicată și rezistența bună la căldură și rezistența la coroziune. A devenit principalul material de alegere pentru componentele moderne de forță aeronautică, reducând foarte mult greutatea aeronavei, printre care piesele forjate din aliaj de titan TC4 (Ti{-6AL{-4V) și TB6 sunt mai folosite în aviație. de fabricație.

2. Clasificarea aliajelor de titan și a proceselor de forjare

În funcție de microstructura la temperatura camerei, aliajele de titan pot fi împărțite în trei tipuri: aliaje de tip, aliaje de tip + -și aliaje de tip. Printre acestea, termoplasticele și aliajele de tip + -au o relație mică cu viteza de deformare, în timp ce aliajele de tip -au o maleabilitate bună, dar temperatura prea scăzută poate provoca precipitații în fază. Procesul de forjare al aliajului de titan este împărțit în convenționale. forjare și forjare la temperatură înaltă în funcție de relația dintre temperatura de forjare și temperatura de tranziție.

2.1 Forjare convențională a aliajului de titan

Aliajele de titan deformate utilizate în mod obișnuit sunt de obicei forjate sub temperatura de tranziție, care se numește forjare convențională. În funcție de temperatura de încălzire a semifabricatului în zona de fază (+), acesta poate fi subdivizat în forjare în zona superioară cu două faze și forjare. în zona inferioară bifazată.?

2.1.1 Forjare în zona inferioară bifazată

Forjarea în zona inferioară cu două faze este în general încălzită și forjată la 40 ~ 50 de grade sub temperatura de tranziție. În acest moment, faza de naștere și participă la deformare în același timp. Cu cât temperatura de deformare este mai mică, cu atât este mai mare numărul de faze implicate în deformare. În comparație cu deformarea regiunii, procesul de recristalizare a fazei este mai mare. regiunea în două faze este accelerată brusc. Noile boabe formate prin recristalizare nu numai că precipită de-a lungul graniței inițiale deformate, dar apar și în stratul intermediar dintre granița și stratul de tablă. Piesele forjate produse prin acest proces au rezistență ridicată și plasticitate bună, dar tenacitatea lor la rupere și proprietățile de fluaj au încă un potențial mare.

2.1.2 Forjare în zona superioară bifazată

Este forjat la o temperatură de 10-15 grade sub punctul de tranziție de fază /( + ). Țesutul final după deformare conține mai mult țesut transformat, ceea ce poate îmbunătăți performanța la fluaj și rezistența la fractură a țesutului; plasticitatea, rezistența și duritatea aliajului de titan pot fi combinate.

2.2 Forjare la temperatură ridicată a aliajului de titan

Cunoscut și sub denumirea de „forjare”, este împărțit în două tipuri: prima este metoda de proces de încălzire a semifabricatului în zonă, începerea și finalizarea forjarii în zonă; a doua este metoda de proces de încălzire a semifabricatului în zonă, de pornire a forjarii în zonă și de control al unei cantități mari de deformare pentru a finaliza forjarea în zona în două faze, denumită „subforjare”. Forjarea zonelor în două faze, forjarea poate obține o rezistență mai mare la fluaj și duritate la rupere, ceea ce este, de asemenea, favorabil îmbunătățirii proprietăților la oboseală ale aliajelor de titan.

2.3 Forjare izotermă a aliajului de titan

Acest tip de proces folosește superplasticitatea și mecanismul de fluaj al materialului pentru a produce piese forjate mai complexe, ceea ce necesită ca matrița să fie preîncălzită și menținută în intervalul de 760 ~ 980 de grade; presa hidraulică aplică presiune la o valoare predeterminată, iar viteza de lucru a presei este ajustată automat de rezistența la deformare a semifabricatului. Deoarece matrița este încălzită, nu este nevoie să folosiți o grindă mobilă atât de rapidă pentru a evita răcirea rapidă. Multe piese forjate utilizate în aeronave au caracteristicile pereților subțiri și nervurilor înalte, astfel încât acest tip de proces a fost aplicat în producția de aviație, cum ar fi procesul de forjare cu matriță izotermă de precizie din aliaj de titan TB6 al unui anumit tip de aeronave autohtone.

3. Analiza defectelor și îmbunătățirea procesului de forjare TC4

3.1 Apariția și analiza defectelor la forjarile TC4

Când o fabrică a efectuat producția de probă a pieselor forjate TC4 conform farului, mai mulți indicatori de performanță ai pieselor forjate au fost detectați ca fiind necalificați. Printre acestea, indicele de „fractură de stres cu crestătură” a fost mai mic de 5 ore. Având în vedere această problemă, structura metalografică a TC4 ar trebui mai întâi analizată, iar apoi trebuie găsit motivul din procesul de forjare.

3.1.1 Caracteristicile morfologice ale organizării metalografice a TC4

Aliajul de titan TC4 este un aliaj de titan +, compoziția este Ti-6AL-4V, structura recoaptă este faza +, care conține 6?Aluminiul elementar stabilizat îmbunătățește rezistența fazei prin întărirea topiturii solide și vanadiul are o capacitate mai mică de a stabiliza faza -. Prin urmare, numărul de faze din țesutul recoapt este mic, reprezentând aproximativ 7-10?.

În diferite condiții de tratament termic și procesare termică, proporțiile, proprietățile și morfologia fazelor de bază și ale aliajelor TC4 sunt foarte diferite. Temperatura de tranziție a aliajului TC4 este de aproximativ 1000 de grade. Dacă TC4 este încălzit la 950 de grade, țesutul rezultat după răcirea cu aer este în curs de dezvoltare + țesut de tranziție; dacă este încălzit la 1100 de grade și răcit cu aer, se obține un țesut gros și complet transformat în fază, care se numește țesut Wei. Dacă încălzirea și deformarea acționează în același timp, efectul este mai evident. Aliajul TC4 este încălzit peste temperatura de tranziție, dar deformarea este mică, iar țesutul Wei este format. Caracteristicile sale organizatorice sunt: ​​plasticitate scăzută și rezistență la impact, dar rezistență bună la fluaj. Dacă temperatura de deformare inițială este peste tranziție, dar gradul de deformare este suficient de mare, caracteristicile țesutului rezultat sunt: ​​partea de limită a granulelor trasă de fază este zdrobită, iar partea de fază în dungi este distorsionată, ceea ce se numește țesut asemănător ochiului. Se caracterizează printr-o plasticitate și un impact mai buni. tenacitate decât organizarea lui Wei, similară cu organizarea izometrică a cristalelor fine, temperatură ridicată de lungă durată și performanță bună la fluaj. Dacă temperatura de încălzire este mai mică decât temperatura de tranziție și gradul de deformare este suficient, se obține o structură izometrică. Se caracterizează prin performanță generală bună, în special plasticitate ridicată și rezistență la impact. Dacă partea cu temperatură înaltă a regiunii fazei + este deformată și apoi recoaptă la temperatură ridicată pentru a forma o structură mixtă, performanța sa generală este bună.

Din analiza de mai sus a organizării metalografice, se poate aprecia că, dacă performanța TC4 scade, aceasta poate fi cauzată de două legături în procesul de forjare.:

①Temperatura de încălzire este prea mare, ajungând sau depășind temperatura de tranziție;

②Gradul de deformare al pieselor forjate nu este suficient de mare.

3.1.2 Analiza procesului de forjare TC4

Influența temperaturii de forjare asupra mărimii granulelor și proprietăților la temperatura camerei ale aliajului de titan + este aceea că, pe măsură ce temperatura crește (peste tranziția de fază), granulul devine mai mare, în timp ce alungirea și contracția secțiunii transversale devin mai mici, iar plasticitatea scade. ; pentru a se asigura că piesele forjate TC4 au performanțe generale bune, acestea ar trebui să fie forjate sub temperatura de tranziție. Aliajul de titan are o rezistență ridicată la deformare, dar o conductivitate termică slabă. În timpul forjarii, sub fluxul violent al aliajului și ciocănirea puternică, deformarea poate face ca temperatura părților individuale ale forjarii să depășească temperatura de tranziție, iar gradul de deformare este prea mare, prea mic și alți factori vor cauza boabele. să fie gros, ceea ce va reduce performanța. Pe baza celor de mai sus, se poate determina preliminar că motivele performanței substandard ale forjarilor TC4 pot fi cauzate.:

① Temperatura lotului de semifabricate forjate este prea mare atunci când este încălzită, depășind punctul de tranziție;

② când un singur ciocan este prea greu în timpul forjarii, gradul de deformare al unui singur ciocan este prea mare, provocând supraîncălzirea locală și agregarea și recristalizarea, iar performanța este degradată.

③Temperatura tratamentului termic după forjare este prea mare, astfel încât temperatura forjarii TC4 depășește punctul de tranziție, formând un țesut Wei și reducând performanța forjarii.

3.2 Modificări ale parametrilor procesului de forjare TC4 și rezultate ale testelor

3.2.1 Selectarea și rezultatele parametrilor de testare

Având în vedere analiza de mai sus, modificați parametrii procesului de forjare TC4 (Tabelul 1) și acordați atenție forjării ușoare și rapide atunci când forjați în același timp. (Notă: dimensiunea de tăiere￠50×113, dimensiunea forjare 50×65×65)

Rezultatele testelor: Toți indicatorii de performanță sunt calificați, dintre care indicele de „fractură de efort crestătură” este mai mare de 5 ore.

3.2.2 Analiza rezultatelor testelor

(1) Judecând după temperatura cuptorului și temperatura inițială de forjare, temperatura de încălzire nu este prea mare, chiar dacă depășește 20 de grade, piesele calificate pot fi încă forjate.

(2) În test, o singură lovitură de ciocan a fost folosită pentru a lovi pumnul rapid, iar performanța pieselor forjate de testare a fost la standard, demonstrând că lovirea ușoară și pumnul rapid au fost un factor important în îmbunătățirea performanței forjate.

(3) Temperatura tratamentului termic după forjare este cu 20 de grade mai mică decât parametrul original, ceea ce poate fi, de asemenea, un factor de îmbunătățire a performanței, deoarece din punct de vedere al temperaturii, dacă temperatura cuptorului ajunge la 795 de grade din cauza abaterii de control al temperaturii, aceasta depășește 780 de grade specificate în manualul de producție, ceea ce va duce la o scădere a performanței pieselor forjate.

3.2.3 Verificarea și încheierea rezultatelor testelor

Pentru a verifica în continuare rezultatele testului, a fost efectuat un test în combinație cu producția (Tabelul 2), iar metoda de bătaie ușoară și rapidă a fost încă menținută în timpul ciocănirii; rezultatul a fost că toate piesele forjate au trecut testul, iar indicele de „fractură de efort crestătură” a fost mai mare de 5 ore.

Proprietățile mecanice ale pieselor forjate din aliaj de titan TC4 înainte și după test sunt prezentate mai sus (Tabelul 3). Prin test, se ajunge la concluzia că atunci când se produc piesele forjate din aliaj de titan TC4, parametrii procesului de forjare ar trebui controlați strict; în primul rând, acordați atenție forjării ușoare și rapide în forjare pentru a reduce deformarea unui singur ciocan, iar în al doilea rând, valoarea teoretică a temperaturii de tratament termic după forjare ar trebui setată în intervalul 760 ~ 770 de grade, deci pentru a asigura calitatea forjarii pieselor forjate TC4.

3. Perspectivele de dezvoltare ale tehnologiei de forjare a aliajelor de titan

Procesul de forjare al aliajului de titan este utilizat pe scară largă în industria aviației și în industria aerospațială. Procesul de forjare izotermă a fost utilizat în producția de piese de motoare și piese structurale de aeronave; De asemenea, devine din ce în ce mai popular în industria auto, energie electrică și navală. Bine ați venit. În țările străine, aplicarea aliajelor de titan s-a dezvoltat la un nivel foarte înalt, iar aplicarea aliajelor TiAL și a compușilor intermetalici la temperatură mai mare a fost apreciată de oameni și au fost efectuate multe cercetări; pentru a aplica mai bine aceste materiale, în același timp, s-au făcut multe studii asupra tehnologiei lor de deformare. Oamenii acordă, de asemenea, din ce în ce mai multă atenție cercetărilor privind aliajele de subtitan cu rezistență mai mare. Aplicarea aliajului de titan și cercetarea tehnologiei de forjare va fi în continuare un subiect fierbinte.