Prestazioni dei pezzi fucinati in titanio GR5 sotto pressa idraulica e processo di forgiatura a martello
Prefazione
La lega di titanio GR5 ha buone proprietà complete e può essere utilizzata nei settori aerospaziale, petrolchimico, dell'ingegneria navale, dei trasporti e in altri campi. Con il rapido sviluppo dell'industria aerospaziale cinese, è in aumento anche la domanda di pezzi forgiati in lega di titanio GR5. Pertanto, la ricerca sui pezzi fucinati in lega di titanio GR5 è di grande importanza.
La forgiatura è una tecnologia di lavorazione speciale che può migliorare significativamente la resistenza e la durezza dei materiali metallici. Presenta i vantaggi di un'elevata efficienza produttiva, bassi costi di produzione e una buona qualità del prodotto. Con lo sviluppo e il progresso della tecnologia di forgiatura, anche la tecnologia di forgiatura è in costante sviluppo. e perfezione.
Negli ultimi anni, i pezzi forgiati in leghe di titanio sono diventati sempre più ampiamente utilizzati nel campo aerospaziale e i loro requisiti prestazionali sono diventati sempre più elevati. Come preparare pezzi forgiati in lega di titanio GR5 di alta qualità e ad alte prestazioni è diventato un problema urgente nel campo aerospaziale.
Processo produttivo dei pezzi fucinati delle leghe di titanio
La lega di titanio è un materiale metallico con eccellenti proprietà complete. Grazie alla sua bassa densità, all'elevata resistenza specifica e alla buona resistenza alla corrosione, è ampiamente utilizzato nell'aerospaziale, nell'ingegneria navale e in altri campi. Attualmente, i processi di produzione delle leghe di titanio comprendono principalmente la forgiatura e la fusione, di cui la forgiatura è divisa in forgiatura a freddo e forgiatura a caldo.
La forgiatura a freddo utilizza un martello da forgiatura per colpire verticalmente i pezzi fucinati in lega di titanio a temperatura ambiente, facendo sì che il metallo scorra lentamente e in modo uniforme lungo la lunghezza della forgiatura, in modo da formare una microstruttura uniforme all'interno della forgiatura. I vantaggi della forgiatura a freddo sono attrezzature semplici, ampio intervallo di temperature di forgiatura, adatte alla produzione di massa e bassi costi di produzione; gli svantaggi sono il processo di forgiatura complesso, l'elevata resistenza alla deformazione e i lunghi tempi di forgiatura.
La forgiatura a caldo si riferisce alla formazione di un gran numero di microstrutture e difetti strutturali, come martensite, ferrite, ecc., all'interno della forgiatura attraverso estrusione a caldo, forgiatura isotermica, normalizzazione isotermica e altri processi. I vantaggi della forgiatura a caldo sono l'attrezzatura semplice e la capacità di resistere a grandi forze di deformazione e temperature di deformazione; gli svantaggi sono cicli produttivi lunghi e bassa efficienza produttiva.
Durante il processo di forgiatura della lega di titanio GR5, poiché il suo coefficiente di dilatazione termica è diverso dai materiali metallici tradizionali, ha un ampio intervallo di temperature di forgiatura e buone proprietà di lavorazione a caldo.
Pertanto, i pezzi fucinati in lega di titanio GR5 sono generalmente prodotti mediante forgiatura. Per garantire la qualità dei pezzi forgiati in lega di titanio GR5, questi vengono generalmente riscaldati a un intervallo di temperature di processo prima di essere forgiati utilizzando una pressa.
Per lo stampaggio a caldo delle leghe di titanio esistono attualmente due metodi principali: uno consiste nel mettere il pezzo forgiato nel forno di riscaldo e riscaldarlo alla temperatura di processo prima della forgiatura; l'altro è forgiare a caldo la lega di titanio mediante forgiatura a caldo. Tra questi, la forgiatura a caldo si riferisce a un metodo in cui la lega di titanio che è stata riscaldata alla temperatura di processo viene inserita in uno stampo e formata attraverso lo stampo.
I vantaggi della forgiatura a caldo sono la piccola resistenza alla deformazione e la deformazione uniforme, che possono ridurre i difetti interni dei pezzi fucinati e migliorare la qualità e le prestazioni dei pezzi fucinati; lo svantaggio è che richiede un'elevata precisione dimensionale e accuratezza della forma dei pezzi fucinati.
Esistono tre metodi principali di forgiatura a caldo delle leghe di titanio: uno è la forgiatura continua, che utilizza macchinari per forgiare in continuo i pezzi fucinati, che è anche il metodo attualmente più utilizzato; l'altra è la forgiatura semicontinua, il che significa che i fucinati ruotano nello stampo, ma non possono. Viene eseguita la forgiatura continua; la terza è la forgiatura libera, cioè non viene eseguita alcuna rotazione durante il processo di forgiatura, ma la forgiatura può essere piegata.
Osservazione e analisi organizzativa
Osservando la struttura metallografica dei pezzi fucinati in lega di titanio GR5, si può vedere che la struttura del grezzo dopo la forgiatura è martensite colonnare quasi circolare + una piccola quantità di austenite trattenuta, mentre la struttura del forgiato è martensite colonnare quasi circolare + una piccola quantità dell'austenite trattenuta. C'è un'evidente differenza tra i due corpi e il pezzo grezzo presenta un ampio ritiro laterale dopo la forgiatura, con conseguente differenza nella dimensione laterale della forgiatura.
Durante il processo di forgiatura, a causa dell'elevata temperatura della pressa idraulica, la lega ad alta temperatura viene rapidamente riscaldata oltre i 1000 gradi, il che si traduce in un'eccessiva velocità di riscaldamento della forgiatura, un raffreddamento insufficiente e un'ossidazione superficiale.
Allo stesso tempo, una temperatura di forgiatura eccessiva porta anche ad una deformazione eccessiva durante il processo di forgiatura della pressa idraulica e durante il successivo riscaldamento si verificano ossidazione e decarburazione. Questi due motivi portano a grandi differenze nelle dimensioni laterali dei pezzi fucinati.
L'analisi della microstruttura dei pezzi fucinati mostra che la velocità di raffreddamento durante il processo di forgiatura è relativamente elevata, mentre la velocità di raffreddamento del pezzo grezzo dopo la forgiatura con macchina idraulica è relativamente piccola. L'eccessivo aumento della temperatura durante il processo di forgiatura provoca grandi differenze nelle dimensioni trasversali dei pezzi fucinati. Allo stesso tempo, durante il processo di forgiatura, anche i grani di forgiatura crescono in misura diversa.
A causa della rapida velocità di raffreddamento del pezzo grezzo dopo la forgiatura, la dimensione dei grani della forgiatura è notevolmente diversa. La granulometria del pezzo fucinato durante il processo di forgiatura è significativamente maggiore della granulometria del pezzo grezzo dopo la forgiatura con macchina idraulica; la microstruttura prodotta durante il processo di forgiatura è prevalentemente quasi circolare e colonnare. Martensite + una piccola quantità di austenite trattenuta; durante il processo di forgiatura, i grani di forgiatura sono grossolani e distribuiti in modo non uniforme.
A causa dell'elevata temperatura di forgiatura, la lega di titanio GR5 ha elevata resistenza e durezza a temperatura ambiente, mentre la temperatura di forgiatura è troppo bassa, con conseguente capacità di deformazione plastica insufficiente, tempra e ossidazione insufficienti.
Inoltre, a causa dell'elevata temperatura di riscaldamento della pressa idraulica, durante la forgiatura si verifica l'ossidazione e sulla superficie del grezzo forgiato finale compaiono incrostazioni di ossido.
Esperimento sulle proprietà di trazione
Le proprietà di trazione a temperatura ambiente della lega di titanio GR5 sono influenzate da molti fattori, tra cui la composizione della lega, la dimensione del grano, la velocità di deformazione, il grado di deformazione, ecc.
Innanzitutto il diametro dei pezzi fucinati è generalmente inferiore a quello delle barre laminate a caldo. La temperatura di deformazione è inferiore durante il riscaldamento della forgiatura ed è difficile controllare il grado di deformazione durante il processo di deformazione. Pertanto, le proprietà di trazione dei pezzi forgiati sono fortemente influenzate dal materiale di base e dal processo di forgiatura. Nelle stesse condizioni, le proprietà di trazione della lega di titanio GR5 forgiata mediante pressa idraulica sono migliori di quelle forgiate mediante martello da forgiatura, ma durante la forgiatura a martello si presenta un problema chiave: la deformazione per compressione a caldo.
Poiché durante il processo di forgiatura della pressa idraulica è presente un certo grado di riscaldamento e raffreddamento, la temperatura e la velocità di deformazione possono essere controllate meglio durante il trattamento termico, garantendo così una maggiore plasticità. A causa della temperatura di riscaldamento più bassa e della velocità di raffreddamento più rapida durante la forgiatura a martello, la plasticità dei pezzi fucinati non è buona come quella dei pezzi fucinati con pressa idraulica.
Nelle stesse condizioni, la forgiatura può migliorare significativamente le proprietà di trazione della lega di titanio GR5 più della forgiatura a martello. Per i pezzi fucinati in lega di titanio GR5 con le stesse specifiche, le proprietà di trazione della forgiatura con pressa idraulica sono migliori di quelle della forgiatura con martello; Nelle stesse condizioni, la forgiatura a martello può migliorare significativamente le proprietà di trazione della lega di titanio GR5 rispetto alla forgiatura con pressa idraulica.
Quando il carico di snervamento è lo stesso, le proprietà di trazione post-forgiatura della lega di titanio GR5 forgiata mediante pressa idraulica sono migliori di quelle della lega di titanio GR5 forgiata mediante martello da forgiatura. Questo perché i pezzi fucinati con pressa idraulica presentano una piccola tensione residua interna dovuta a fattori quali piccola deformazione, bassa temperatura di deformazione e bassa velocità di deformazione; e le proprietà di trazione della lega di titanio GR5 forgiata mediante martello da forgiatura dopo la forgiatura sono migliori di quelle dopo la forgiatura con pressa idraulica.
Questo perché durante la forgiatura con un martello da forgiatura, durante i processi di forgiatura e martellatura viene generato un grande stress residuo, che provoca un grande stress di trazione all'interno del materiale, con conseguente grande deformazione plastica del materiale; mentre durante la forgiatura con una pressa idraulica, durante il processo di forgiatura il metallo è in uno stato di libero flusso e non vi sono tensioni residue all'interno del materiale, garantendo così il grado di deformazione plastica del materiale.
Analisi dei risultati delle prestazioni dei test meccanici
Il valore di resistenza e l'allungamento del campione di lega di titanio GR5 dopo la forgiatura con una pressa idraulica sono maggiori di quelli dopo la forgiatura con un martello da forgiatura. Questo perché un gran numero di elementi impuri vengono prodotti all'interno della forgiatura durante il processo di forgiatura e la presenza di questi elementi impuri provoca la deformazione della lega di titanio GR5. Grave ricristallizzazione.
Durante il processo di laminazione, a causa della grande pressione di laminazione, il fenomeno della concentrazione delle tensioni è evidente. Alcuni elementi impuri vengono estrusi all'interno della lega di titanio GR5 e formano una fase grossolana ricca di Ti sui bordi del grano, che provoca la produzione di una grande quantità di energia all'interno della forgiatura. Le dislocazioni e i posti vacanti forniscono le condizioni per un'ulteriore deformazione della lega di titanio GR5.
Il valore di resistenza del campione di lega di titanio GR5 dopo la forgiatura con un martello da forgiatura è inferiore a quello del campione dopo la forgiatura con una pressa idraulica. Questo perché durante il processo di forgiatura a martello si formano un gran numero di dislocazioni e posti vacanti all'interno della forgiatura e si formano piccole particelle sui bordi dei grani. La fase ricca di Ti provoca un'evidente ricristallizzazione della lega di titanio GR5.
Si può vedere che le caratteristiche di frattura del campione di lega di titanio GR5 dopo la forgiatura con un martello da forgiatura sono: frattura principalmente duttile, integrata da frattura fragile locale.
Ciò è dovuto all'elevata pressione di forgiatura durante il processo di forgiatura al martello, che fa sì che alcuni elementi impuri formino fasi grossolane ricche di Ti sui bordi del grano. Allo stesso tempo, durante il processo di forgiatura a martello, vengono generati un gran numero di dislocazioni e posti vacanti, causando evidenti cambiamenti nella lega di titanio GR5. fenomeno della ricristallizzazione.
A causa della bassa temperatura di forgiatura e dell'elevata velocità di forgiatura durante la forgiatura a martello, all'interno del materiale vengono generati un gran numero di fonti di cricche, pori e altri elementi difettosi, con conseguente evidente ricristallizzazione della lega di titanio GR5.
Prospettive applicative e direzione di sviluppo
La lega di titanio GR5 è ampiamente utilizzata nel settore aerospaziale, nelle apparecchiature mediche, nei trasporti e in altri campi grazie alle sue eccellenti proprietà complete. Soprattutto nel campo aerospaziale, la lega di titanio GR5 è diventata il materiale principale.
La lega di titanio GR5 presenta i vantaggi di bassa densità, elevata resistenza specifica e rigidità specifica, resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione. È ampiamente utilizzato nella produzione di parti strutturali chiave come rotori di aerei, code, telai di rinforzo della fusoliera e serbatoi di carburante principali e ausiliari.
Poiché la lega di titanio GR5 ha maggiore resistenza e plasticità a temperatura ambiente, durante la forgiatura è necessario un trattamento della soluzione per migliorarne le proprietà. Tuttavia, la struttura della lega di titanio GR5 sarà distribuita in modo non uniforme durante il processo di forgiatura e durante il processo di raffreddamento si formerà una fase grossolana, con conseguente riduzione delle proprietà meccaniche della lega.
Al fine di migliorare la struttura di forgiatura della lega di titanio GR5, esistono attualmente due metodi comunemente utilizzati: uno consiste nell'eseguire un trattamento in soluzione solida prima della forgiatura, come la forgiatura a caldo con pressa idraulica; l'altro è eseguire il trattamento della soluzione solida durante il processo di forgiatura, come la forgiatura a martello.
Nella produzione effettiva, a causa della complessa attrezzatura del processo di forgiatura a martello, del funzionamento difficile e degli elevati costi di produzione, la forgiatura a caldo con pressa idraulica è attualmente un processo più comunemente utilizzato.
Rispetto alla forgiatura a caldo con pressa idraulica, la qualità della superficie dei pezzi fucinati a martello da forgiatura è stata notevolmente migliorata, i grani sono più fini e più uniformi e per la produzione è possibile utilizzare stampi per forgiatura a stampo di grande diametro. Tuttavia, l'efficienza produttiva dei pezzi fucinati a martello è bassa e il costo di produzione è elevato. Non ha completamente sostituito il processo di forgiatura a caldo con pressa idraulica.
In futuro, con lo sviluppo della tecnologia di forgiatura a martello e la ricerca sulla tecnologia e sulle attrezzature di forgiatura, si può prevedere che l'efficienza produttiva e la qualità dei pezzi fucinati a martello saranno notevolmente migliorate.
Nella produzione reale, poiché durante il processo di forgiatura verrà generata una grande quantità di calore, forza e carico d'urto, è necessario studiare l'influenza della forgiatura isotermica sulla struttura, sulle proprietà meccaniche e sulla durata meccanica dei pezzi fucinati attraverso esperimenti di simulazione termica e ottenere parametri di processo adeguati per garantire la qualità dei pezzi fucinati.
A causa dell'elevata efficienza produttiva e dei bassi requisiti di attrezzature del processo di forgiatura a martello, in futuro potremo provare a utilizzare i pezzi forgiati a martello per produrre parti strutturali chiave nel settore aerospaziale e in altri campi, come code di aerei, serbatoi di carburante principali e ausiliari, telai di rinforzo della fusoliera e altre parti strutturali chiave. Per alcuni pezzi fucinati di grandi dimensioni nel settore civile generale, a causa delle loro grandi dimensioni, è difficile produrli utilizzando il processo di forgiatura a martello.
Opinione dell'autore
Con lo sviluppo dell'industria aerospaziale del mio paese, i requisiti di qualità per i pezzi fucinati in lega di titanio stanno diventando sempre più elevati e anche il processo di forgiatura è uno dei fattori importanti che influenzano la qualità dei pezzi fucinati.
Tuttavia, con lo sviluppo delle presse idrauliche e dei magli da forgiatura nel nostro Paese, le loro applicazioni stanno diventando sempre più diffuse. Tuttavia, poiché il prezzo dei martelli da forgiatura è relativamente elevato e il processo di forgiatura è complesso, la maggior parte delle aziende aerospaziali nazionali preferisce scegliere presse idrauliche per completare i prodotti. La produzione, ma con l'aumento del numero di presse idrauliche, anche il processo di forgiatura e la qualità sono stati notevolmente migliorati.
Allo stesso tempo, poiché i parametri di forgiatura possono essere regolati in base alle esigenze durante il processo di forgiatura, il processo di forgiatura sta diventando sempre più flessibile. Tuttavia, al momento, la tecnologia e le attrezzature delle presse idrauliche nazionali non sono in grado di soddisfare pienamente i requisiti per la forgiatura nel settore aerospaziale. Pertanto, lo sviluppo del settore aerospaziale richiede forgiatura. Anche la domanda di tecnologia aumenterà.
Riferimenti
1. Yao Weidong: ricerca sul processo di forgiatura e sulle proprietà microstrutturali dei pezzi forgiati in lega di titanio GR5. "Giornale dell'Università di Aeronautica e Astronautica di Pechino", 2017,18 (01): 1036-1037.
2. He Xiaolin: ricerca sul comportamento a caldo dei pezzi fucinati in lega di titanio durante il processo di forgiatura. "Forgiatura cinese", 2015 (11): 59-60.
3. Wei Guoli: La situazione attuale e la tendenza allo sviluppo della produzione su larga scala di pezzi fucinati in leghe di titanio nel mio paese. "Tecnologia di protezione dei materiali", 2018 (05): 23-26.
