Performanța pieselor forjate de titan GR5 sub presă hidraulică și proces de forjare cu ciocan de forjare

Prefaţă

Aliajul de titan GR5 are proprietăți cuprinzătoare bune și poate fi utilizat în domeniul aerospațial, petrochimic, inginerie marină, transport și alte domenii. Odată cu dezvoltarea rapidă a industriei aerospațiale din China, cererea pentru elemente forjate din aliaj de titan GR5 este, de asemenea, în creștere. Prin urmare, cercetările asupra forjatelor din aliaj de titan GR5 sunt de mare importanță.

Forjarea este o tehnologie specială de prelucrare care poate îmbunătăți semnificativ rezistența și duritatea materialelor metalice. Are avantajele unei eficiențe ridicate a producției, costuri reduse de producție și calitate bună a produsului. Odată cu dezvoltarea și progresul tehnologiei de forjare, tehnologia de forjare este, de asemenea, în continuă dezvoltare. si perfectiunea.

În ultimii ani, piesele forjate din aliaj de titan au devenit din ce în ce mai utilizate pe scară largă în domeniul aerospațial, iar cerințele lor de performanță au devenit din ce în ce mai mari. Cum se prepară piesele forjate din aliaj de titan GR5 de înaltă calitate, de înaltă performanță a devenit o problemă urgentă în domeniul aerospațial.

Procesul de producție a pieselor forjate din aliaj de titan

Aliajul de titan este un material metalic cu proprietăți complete excelente. Datorită densității sale scăzute, rezistenței specifice ridicate și rezistenței bune la coroziune, este utilizat pe scară largă în domeniul aerospațial, ingineriei maritime și în alte domenii. În prezent, procesele de fabricație ale aliajelor de titan includ în principal forjarea și turnarea, dintre care forjarea este împărțită în forjare la rece și forjare la cald.

Forjarea la rece folosește un ciocan de forjare pentru a lovi vertical piesele forjate din aliaj de titan la temperatura camerei, determinând ca metalul să curgă lent și uniform pe lungimea forjarii, astfel încât să formeze o microstructură uniformă în interiorul forjarii. Avantajele forjarii la rece sunt echipamente simple, gamă largă de temperaturi de forjare, potrivite pentru producția de masă și costuri de producție reduse; dezavantajele sunt procesul complex de forjare, rezistența ridicată la deformare și timpul lung de forjare.

 

Forjarea la cald se referă la formarea unui număr mare de microstructuri și defecte structurale, cum ar fi martensită, ferită etc., în interiorul forjarii prin extrudare la cald, forjare izotermă, normalizare izotermă și alte procese. Avantajele forjatelor la cald sunt echipamentele simple și capacitatea de a rezista la forțe mari de deformare și la temperaturi de deformare; dezavantajele sunt cicluri lungi de producție și eficiență scăzută a producției.

În timpul procesului de forjare a aliajului de titan GR5, datorită coeficientului său de dilatare termică diferit de materialele metalice tradiționale, are o gamă largă de temperaturi de forjare și proprietăți bune de prelucrare la cald.

Prin urmare, piesele forjate din aliaj de titan GR5 sunt în general produse prin forjare. Pentru a asigura calitatea pieselor forjate din aliaj de titan GR5, acestea sunt în general încălzite la un interval de temperatură de proces înainte de a fi forjate folosind o presă.

Pentru forjarea la cald a aliajelor de titan, există în prezent două metode principale: una este introducerea piesei forjate în cuptorul de încălzire și încălzirea acesteia la temperatura procesului înainte de forjare; celălalt este de a forja la cald aliajul de titan prin forjare cu matriță la cald. Printre acestea, forjarea cu matriță la cald se referă la o metodă în care aliajul de titan care a fost încălzit la temperatura procesului este plasat într-o matriță și format prin matriță.

Avantajele forjarii cu matriță la cald sunt rezistența la deformare mică și deformarea uniformă, care poate reduce defectele interne ale pieselor forjate și poate îmbunătăți calitatea și performanța pieselor forjate; dezavantajul este că necesită precizie dimensională ridicată și precizie de formă a pieselor forjate.

Există trei metode principale de forjare cu matriță la cald a aliajelor de titan: una este forjarea continuă, care folosește mașini pentru a forja continuu forjare, care este și cea mai utilizată metodă în prezent; celălalt este forjare semi-continuă, ceea ce înseamnă că forjarile se rotesc în matriță, dar nu se realizează forjare continuă; a treia este forjarea liberă, adică nu se efectuează nicio rotație în timpul procesului de forjare, dar forjarea poate fi îndoită.

Observație și analiză organizațională

Observând structura metalografică a pieselor forjate din aliaj de titan GR5, se poate observa că structura brută după forjare este martensită columnară aproape circulară + o cantitate mică de austenită reținută, în timp ce structura forjării este martensită columnară aproape circulară + o cantitate mică. de austenita retinuta. Există o diferență evidentă între cele două corpuri, iar semifabricatul are o contracție laterală mare după forjare, rezultând o diferență în dimensiunea laterală a forjarii.

În timpul procesului de forjare, datorită temperaturii ridicate a presei hidraulice, aliajul de temperatură înaltă este încălzit rapid la peste 1000 de grade, ceea ce are ca rezultat o viteză excesivă de încălzire a forjarii, o călire insuficientă și oxidarea suprafeței.

În același timp, temperatura excesivă de forjare duce și la deformare excesivă în timpul procesului de forjare al presei hidraulice, iar oxidarea și decarburarea au loc în timpul încălzirii ulterioare. Aceste două motive duc la diferențe mari în dimensiunile laterale ale pieselor forjate.

Analiza microstructurii pieselor forjate arată că viteza de răcire în timpul procesului de forjare este relativ mare, în timp ce viteza de răcire a semifabricatului după forjarea mașinii hidraulice este relativ mică. Creșterea excesivă a temperaturii în timpul procesului de forjare are ca rezultat diferențe mari în dimensiunile transversale ale pieselor forjate. În același timp, în timpul procesului de forjare, boabele de forjare cresc și ele în grade diferite.

Datorită vitezei rapide de răcire a semifabricatului după forjare, dimensiunea granulelor de forjare este foarte diferită. Dimensiunea granulelor de forjare în timpul procesului de forjare este semnificativ mai mare decât dimensiunea de granule a semifabricatului după forjare cu mașină hidraulică; microstructura produsă în timpul procesului de forjare este în principal aproape circulară și columnară. Martensită + o cantitate mică de austenită reținută; în timpul procesului de forjare, boabele de forjare sunt grosiere și distribuite neuniform.

Datorită temperaturii ridicate de forjare, aliajul de titan GR5 are rezistență și duritate ridicate la temperatura camerei, în timp ce temperatura de forjare este prea scăzută, rezultând o capacitate de deformare plastică insuficientă, călire și oxidare insuficiente.

În plus, datorită temperaturii ridicate de încălzire a presei hidraulice, oxidarea are loc în timpul forjarii, iar pe suprafața semifabricatului forjat final apare depuneri de oxid.

Experimentul proprietății la tracțiune

Proprietățile de tracțiune la temperatura camerei ale aliajului de titan GR5 sunt afectate de mulți factori, inclusiv compoziția aliajului, dimensiunea granulelor, rata de deformare, gradul de deformare etc.

În primul rând, diametrul pieselor forjate este în general mai mic decât cel al barelor laminate la cald. Temperatura de deformare este mai scăzută în timpul încălzirii forjarii și este dificil de controlat gradul de deformare în timpul procesului de deformare. Prin urmare, proprietățile de tracțiune ale pieselor forjate sunt foarte afectate de materialul de bază și de procesul de forjare. În aceleași condiții, proprietățile de întindere ale aliajului de titan GR5 forjat prin presa hidraulică sunt mai bune decât cele forjate cu ciocanul de forjare, dar există o problemă cheie în timpul forjarii cu ciocanul de forjare - deformarea prin compresie la cald.

Deoarece există un anumit grad de încălzire și răcire în timpul procesului de forjare al presei hidraulice, temperatura de deformare și rata de deformare pot fi controlate mai bine în timpul tratamentului termic, asigurând astfel o plasticitate mai mare. Datorită temperaturii de încălzire mai scăzute și vitezei de răcire mai rapide în timpul forjarii cu ciocan, plasticitatea pieselor forjate nu este la fel de bună ca cea a pieselor forjate hidraulice.

În aceleași condiții, forjarea poate îmbunătăți semnificativ proprietățile de tracțiune ale aliajului de titan GR5 mai mult decât forjarea cu ciocan. Pentru piesele forjate din aliaj de titan GR5 cu aceleași specificații, proprietățile de tracțiune ale forjarii cu presa hidraulică sunt mai bune decât cele ale forjarii cu ciocan de forjare; în aceleași condiții, forjarea cu ciocan poate îmbunătăți semnificativ proprietățile de tracțiune ale aliajului de titan GR5 decât forjarea cu presa hidraulică.

Când limita de curgere este aceeași, proprietățile de tracțiune post-forjare ale aliajului de titan GR5 forjat prin presa hidraulică sunt mai bune decât cele ale aliajului de titan GR5 forjat cu ciocanul de forjare. Acest lucru se datorează faptului că piesele forjate de presa hidraulice au un stres rezidual intern mic din cauza unor factori precum deformarea mică, temperatura scăzută de deformare și rata lentă de deformare; iar proprietățile de întindere ale aliajului de titan GR5 forjat prin forjare ciocan după forjare sunt mai bune decât cele după forjare prin presa hidraulică.

Acest lucru se datorează faptului că la forjarea cu un ciocan de forjare, se generează o tensiune reziduală mare în timpul proceselor de forjare și ciocanare, ceea ce provoacă o tensiune mare de întindere în interiorul materialului, rezultând o deformare plastică mare a materialului; în timp ce la forjare cu o presă hidraulică, în timpul procesului de forjare Metalul se află într-o stare de curgere liberă și nu există solicitări reziduale în interiorul materialului, asigurându-se astfel gradul de deformare plastică a materialului.

Analiza rezultatelor performanței testelor mecanice

Valoarea rezistenței și alungirea probei de aliaj de titan GR5 după forjare cu o presă hidraulică sunt mai mari decât cele după forjare cu un ciocan de forjare. Acest lucru se datorează faptului că un număr mare de elemente de impurități sunt produse în interiorul forjării în timpul procesului de forjare, iar prezența acestor elemente de impurități face ca aliajul de titan GR5 să sufere deformarea. Recristalizare severă.

În timpul procesului de laminare, datorită presiunii mari de laminare, fenomenul de concentrare a tensiunilor este evident. Unele elemente de impurități sunt extrudate în interiorul aliajului de titan GR5 și formează o fază grosieră bogată în Ti pe granițele granulelor, ceea ce determină producerea unei cantități mari de energie în interiorul forjării. Dislocațiile și locurile libere oferă condiții pentru deformarea ulterioară a aliajului de titan GR5.

Valoarea rezistenței probei de aliaj de titan GR5 după forjare cu un ciocan de forjare este mai mică decât cea a probei după forjare cu o presă hidraulică. Acest lucru se datorează faptului că în interiorul forjării se formează un număr mare de dislocații și locuri libere în timpul procesului de forjare cu ciocan de forjare și se formează particule mici pe granițele granulelor. Faza bogată în Ti determină recristalizarea evidentă a aliajului de titan GR5.

Se poate observa că caracteristicile de rupere ale probei de aliaj de titan GR5 după forjare cu un ciocan de forjare sunt: ​​în principal fractură ductilă, completată de fractură locală fragilă.

Acest lucru se datorează presiunii ridicate de forjare în timpul procesului de forjare cu ciocan de forjare, care face ca unele elemente de impurități să formeze faze grosiere bogate în Ti pe limitele granulelor. În același timp, un număr mare de dislocații și locuri libere sunt generate în timpul procesului de forjare cu ciocan de forjare, provocând modificări evidente în aliajul de titan GR5. fenomen de recristalizare.

Datorită temperaturii scăzute de forjare și vitezei rapide de forjare în timpul forjarii cu ciocan de forjare, în interiorul materialului sunt generate un număr mare de surse de fisuri, pori și alte elemente defecte, ceea ce duce la recristalizarea evidentă a aliajului de titan GR5.

Perspective de aplicare și direcție de dezvoltare

Aliajul de titan GR5 este utilizat pe scară largă în industria aerospațială, echipamente medicale, transport și alte domenii datorită proprietăților sale excelente cuprinzătoare. În special în domeniul aerospațial, aliajul de titan GR5 a devenit principalul material.

Aliajul de titan GR5 are avantajele densității scăzute, rezistenței specifice ridicate și rigidității specifice, rezistenței la temperaturi ridicate și rezistenței la coroziune. Este utilizat pe scară largă în fabricarea pieselor structurale cheie, cum ar fi rotoarele aeronavei, cozile, cadrele de armare a fuzelajului și rezervoarele principale și auxiliare de combustibil.

Deoarece aliajul de titan GR5 are o rezistență și plasticitate mai mare la temperatura camerei, este necesar un tratament cu soluție în timpul forjarii pentru a-și îmbunătăți proprietățile. Cu toate acestea, structura aliajului de titan GR5 va fi distribuită neuniform în timpul procesului de forjare, iar faza grosieră se va forma în timpul procesului de răcire, rezultând o reducere a proprietăților mecanice ale aliajului.

Pentru a îmbunătăți structura de forjare a aliajului de titan GR5, există în prezent două metode utilizate în mod obișnuit: una este de a efectua tratarea cu soluție solidă înainte de forjare, cum ar fi forjarea cu matriță cu presa hidraulică la cald; celălalt este de a efectua tratarea cu soluție solidă în timpul procesului de forjare, cum ar fi forjarea cu ciocan.

În producția reală, datorită echipamentului complex de proces de forjare cu ciocan de forjare, a funcționării dificile și a costurilor de producție ridicate, forjarea cu matriță la cald prin presa hidraulică este în prezent un proces mai frecvent utilizat.

În comparație cu forjarea cu matriță la cald prin presa hidraulică, calitatea suprafeței pieselor forjate cu ciocan a fost mult îmbunătățită, boabele sunt mai fine și mai uniforme, iar matrițele de forjare cu diametru mare pot fi utilizate pentru producție. Cu toate acestea, eficiența producției de forjare cu ciocan este scăzută, iar costul de producție este ridicat. Nu a înlocuit complet procesul de forjare cu matriță la cald prin presa hidraulică.

În viitor, odată cu dezvoltarea tehnologiei de forjare cu ciocan de forjare și cercetarea tehnologiei și echipamentelor de forjare, se poate prevedea că eficiența producției și calitatea pieselor forjate cu ciocan forjat vor fi mult îmbunătățite.

În producția reală, deoarece o cantitate mare de căldură, forță și sarcină de impact va fi generată în timpul procesului de forjare, este necesar să se studieze influența forjarii izoterme asupra structurii, proprietăților mecanice și duratei de viață mecanice a forjarilor prin experimente de simulare termică și obțineți parametri adecvați de proces pentru a asigura calitatea pieselor forjate.

Datorită eficienței ridicate a producției și cerințelor reduse de echipamente ale procesului de forjare cu ciocan de forjare, în viitor putem încerca să folosim piese forjate cu ciocan de forjare pentru a produce piese structurale cheie în domeniul aerospațial și în alte domenii, cum ar fi cozile aeronavelor, rezervoarele principale și auxiliare de combustibil, cadre de armare a fuzelajului și alte părți structurale cheie. Pentru unele forjate mari din domeniul civil general, din cauza dimensiunilor lor mari, este dificil să le produci folosind procesul de forjare cu ciocan de forjare.

Opinia autorului

Odată cu dezvoltarea industriei aerospațiale a țării mele, cerințele de calitate pentru piesele forjate din aliaj de titan devin din ce în ce mai mari, iar procesul de forjare este, de asemenea, unul dintre factorii importanți care afectează calitatea pieselor forjate.

Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea preselor hidraulice și a ciocanelor de forjare în țara noastră, aplicațiile acestora devin din ce în ce mai răspândite. Cu toate acestea, deoarece prețul ciocanelor de forjare este relativ mare și procesul de forjare este complex, majoritatea companiilor aerospațiale interne preferă să aleagă prese hidraulice pentru a finaliza produsele. Producția, dar odată cu creșterea numărului de prese hidraulice, procesul de forjare și calitatea acestuia au fost, de asemenea, mult îmbunătățite.

În același timp, deoarece parametrii de forjare pot fi ajustați în funcție de necesități în timpul procesului de forjare, procesul de forjare devine din ce în ce mai flexibil. Cu toate acestea, în prezent, tehnologia și echipamentele interne de presa hidraulice din China nu pot îndeplini pe deplin cerințele pentru forjare în domeniul aerospațial. Prin urmare, dezvoltarea domeniului aerospațial necesită forjare Cererea de tehnologie va crește și ea.

referințe
1. Yao Weidong: Cercetări privind procesul de forjare și proprietățile microstructurii pieselor forjate din aliaj de titan GR5. „Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics”, 2017,18 (01): 1036-1037.
2. He Xiaolin: Cercetări privind comportamentul de lucru la cald al pieselor forjate din aliaj de titan în timpul procesului de forjare. „China Forging”, 2015 (11): 59-60.
3. Wei Guoli: Situația actuală și tendința de dezvoltare a producției pe scară largă de aliaje de titan forjate în țara mea. „Tehnologia de protecție a materialelor”, 2018 (05): 23-26.