Výkon titanových výkovků GR5 v procesu hydraulického lisu a kovacího kladiva
Předmluva
Titanová slitina GR5 má dobré komplexní vlastnosti a lze ji použít v letectví, petrochemii, lodním inženýrství, dopravě a dalších oborech. S rychlým rozvojem čínského leteckého průmyslu se také zvyšuje poptávka po výkovcích z titanové slitiny GR5. Výzkum výkovků z titanové slitiny GR5 má proto velký význam.
Kování je speciální technologie zpracování, která dokáže výrazně zlepšit pevnost a tvrdost kovových materiálů. Má výhody vysoké efektivity výroby, nízkých výrobních nákladů a dobré kvality produktu. S rozvojem a pokrokem technologie kování se neustále vyvíjí i technologie kování. a dokonalost.
V posledních letech se výkovky z titanové slitiny stále více používají v leteckém průmyslu a požadavky na jejich výkon jsou stále vyšší. Jak připravit vysoce kvalitní, vysoce výkonné výkovky z titanové slitiny GR5 se stalo naléhavým problémem v oblasti letectví a kosmonautiky.
Proces výroby výkovků ze slitiny titanu
Titanová slitina je kovový materiál s vynikajícími komplexními vlastnostmi. Díky své nízké hustotě, vysoké specifické pevnosti a dobré odolnosti proti korozi je široce používán v letectví, námořním inženýrství a dalších oborech. Mezi výrobní procesy titanových slitin v současnosti patří především kování a odlévání, z nichž se kování dělí na kování za studena a kování za tepla.
Kování za studena používá kovací kladivo k vertikálnímu úderu na výkovky z titanové slitiny při pokojové teplotě, což způsobuje pomalé a rovnoměrné proudění kovu po délce výkovku, aby se vytvořila jednotná mikrostruktura uvnitř výkovku. Výhody kování za studena jsou jednoduché zařízení, široký rozsah teplot kování, vhodné pro hromadnou výrobu a nízké výrobní náklady; nevýhodou je složitý proces kování, vysoká odolnost proti deformaci a dlouhá doba kování.
Kování za tepla označuje tvorbu velkého množství mikrostrukturních a strukturálních defektů, jako je martenzit, ferit atd., uvnitř výkovku prostřednictvím vytlačování za tepla, izotermického kování, izotermické normalizace a dalších procesů. Výhodou výkovků za tepla je jednoduché vybavení a schopnost odolávat velkým deformačním silám a deformačním teplotám; nevýhodou jsou dlouhé výrobní cykly a nízká efektivita výroby.
Během procesu kování titanové slitiny GR5 má díky vlastnímu koeficientu tepelné roztažnosti odlišnému od tradičních kovových materiálů široký rozsah teplot kování a dobré vlastnosti při zpracování za tepla.
Proto se výkovky z titanové slitiny GR5 obecně vyrábějí kováním. Aby byla zajištěna kvalita výkovků z titanové slitiny GR5, jsou obvykle před kováním pomocí lisu zahřívány na rozsah procesní teploty.
Pro kování titanových slitin za tepla existují v současné době dva hlavní způsoby: jedním je vložení výkovku do ohřívací pece a zahřátí na procesní teplotu před kováním; druhým je kování titanové slitiny za tepla prostřednictvím kování za tepla. Mezi nimi se zápustkové kování za tepla týká způsobu, při kterém se titanová slitina, která byla zahřátá na procesní teplotu, umístí do formy a formuje se skrz formu.
Výhody kování za tepla jsou malý deformační odpor a rovnoměrná deformace, což může snížit vnitřní vady výkovků a zlepšit kvalitu a výkon výkovků; nevýhodou je, že vyžaduje vysokou rozměrovou přesnost a tvarovou přesnost výkovků.
Existují tři hlavní způsoby kování titanových slitin za tepla: jedním je kontinuální kování, které využívá strojní zařízení k kontinuálnímu kování výkovků, což je v současnosti také nejpoužívanější metoda; druhý je polokontinuální kování, to znamená, že výkovky se ve formě otáčí, ale nemohou Provádí se kontinuální kování; třetí je volné kování, to znamená, že během procesu kování se neprovádí rotace, ale výkovek lze ohýbat.
Organizační pozorování a analýza
Pozorováním metalografické struktury výkovků z titanové slitiny GR5 lze vidět, že struktura surového materiálu po kování je téměř kruhový sloupcový martenzit + malé množství zbytkového austenitu, zatímco struktura výkovku je téměř kruhový sloupcový martenzit + malé množství zbytkového austenitu. Mezi oběma tělesy je zřejmý rozdíl a polotovar má po kování velké boční smrštění, což má za následek rozdíl v boční velikosti výkovku.
Během procesu kování se vlivem vysoké teploty hydraulického lisu vysokoteplotní slitina rychle zahřeje nad 1000 stupňů, což má za následek nadměrnou rychlost ohřevu kování, nedostatečné kalení a povrchovou oxidaci.
Nadměrná teplota kování zároveň vede i k nadměrné deformaci při procesu kování hydraulického lisu a při následném ohřevu dochází k oxidaci a oduhličení. Tyto dva důvody vedou k velkým rozdílům v bočních rozměrech výkovků.
Analýza mikrostruktury výkovků ukazuje, že rychlost ochlazování během procesu kování je relativně velká, zatímco rychlost ochlazování polotovaru po hydraulickém strojním kování je relativně malá. Nadměrný nárůst teploty během procesu kování má za následek velké rozdíly v příčných rozměrech výkovků. Současně během procesu kování rostou v různé míře také zrna kování.
Vzhledem k rychlé rychlosti ochlazování polotovaru po kování je velikost zrna výkovku značně odlišná. Velikost zrna výkovku během procesu kování je výrazně větší než velikost zrna polotovaru po kování hydraulickým strojem; mikrostruktura vytvořená během procesu kování je převážně téměř kruhová a sloupcová. Martenzit + malé množství zadrženého austenitu; během procesu kování jsou zrna kování hrubá a nerovnoměrně rozložená.
Titanová slitina GR5 má díky vysoké teplotě kování vysokou pevnost a tvrdost při pokojové teplotě, přičemž teplota kování je příliš nízká, což má za následek nedostatečnou schopnost plastické deformace, nedostatečné kalení a oxidaci.
Navíc vlivem vysoké teploty ohřevu hydraulického lisu dochází při kování k oxidaci a na povrchu finálního výkovku se objevují oxidové okují.
Experiment s tahovými vlastnostmi
Tahové vlastnosti titanové slitiny GR5 při pokojové teplotě jsou ovlivněny mnoha faktory, včetně složení slitiny, velikosti zrna, rychlosti deformace, stupně deformace atd.
Za prvé, průměr výkovků je obecně menší než průměr tyčí válcovaných za tepla. Teplota deformace je při ohřevu kování nižší a je obtížné řídit míru deformace během procesu deformace. Proto jsou tahové vlastnosti výkovků velmi ovlivněny základním materiálem a procesem kování. Za stejných podmínek jsou tahové vlastnosti titanové slitiny GR5 vykované hydraulickým lisem lepší než vlastnosti vykované kovacím kladivem, ale při kování na kovacím kladivu nastává klíčový problém - deformace tlakem za tepla.
Protože během procesu kování hydraulického lisu dochází k určitému stupni zahřívání a ochlazování, lze teplotu deformace a rychlost deformace při tepelném zpracování lépe řídit a zajistit tak vyšší plasticitu. Vzhledem k nižší teplotě ohřevu a rychlejší rychlosti ochlazování při kovacím bucharovém kování není plasticita výkovků tak dobrá jako u výkovků na hydraulickém lisu.
Za stejných podmínek může kování výrazně zlepšit tahové vlastnosti titanové slitiny GR5 více než kování kladivem. U výkovků z titanové slitiny GR5 stejných specifikací jsou tahové vlastnosti kování na hydraulickém lisu lepší než u kování na kladivu; za stejných podmínek může kovací kladivo výrazně zlepšit tahové vlastnosti titanové slitiny GR5 než kování na hydraulickém lisu.
Když je mez kluzu stejná, jsou tahové vlastnosti titanové slitiny GR5 kované hydraulickým lisem po kování lepší než vlastnosti titanové slitiny GR5 kované kovacím kladivem. Je to proto, že výkovky v hydraulickém lisu mají malé vnitřní zbytkové napětí v důsledku faktorů, jako je malá deformace, nízká teplota deformace a pomalá rychlost deformace; a tahové vlastnosti titanové slitiny GR5 kované kovacím kladivem po kování jsou lepší než vlastnosti po kování hydraulickým lisem.
Při kování kovacím kladivem totiž při procesech kování a buchání vzniká velké zbytkové napětí, které způsobuje velké tahové napětí uvnitř materiálu a tím dochází k velké plastické deformaci materiálu; zatímco při kování hydraulickým lisem, při procesu kování Kov je ve volně tekoucím stavu a uvnitř materiálu není žádné zbytkové pnutí, čímž je zajištěna míra plastické deformace materiálu.
Analýza výsledků mechanických zkoušek
Hodnota pevnosti a tažnost vzorku titanové slitiny GR5 po kování na hydraulickém lisu je větší než po kování kovacím kladivem. Je tomu tak proto, že uvnitř výkovku vzniká během procesu kování velké množství příměsových prvků a přítomnost těchto příměsových prvků způsobuje deformaci titanové slitiny GR5. Silná rekrystalizace.
Během procesu válcování je díky velkému válcovacímu tlaku zřejmý fenomén koncentrace napětí. Některé prvky nečistot jsou vytlačovány do vnitřku titanové slitiny GR5 a tvoří na hranicích zrn hrubou fázi bohatou na Ti, což způsobuje, že uvnitř výkovku vzniká velké množství energie. Dislokace a vakance vytvářejí podmínky pro další deformaci titanové slitiny GR5.
Hodnota pevnosti vzorku titanové slitiny GR5 po kování kovacím kladivem je nižší než u vzorku po kování na hydraulickém lisu. Uvnitř výkovku totiž při procesu kování kovacím kladivem vzniká velké množství dislokací a vakancí a na hranicích zrn se tvoří malé částice. Fáze bohatá na Ti způsobuje zjevnou rekrystalizaci titanové slitiny GR5.
Je vidět, že lomové charakteristiky vzorku titanové slitiny GR5 po kování kovacím kladivem jsou: převážně tvárný lom, doplněný o lokální křehký lom.
To je způsobeno vysokým kovacím tlakem během procesu kování kovacím kladivem, který způsobuje, že některé prvky nečistot vytvářejí na hranicích zrn hrubé fáze bohaté na Ti. Současně se během procesu kování na kovacím bucharu vytváří velké množství dislokací a vakancí, které způsobují zjevné změny v titanové slitině GR5. jev rekrystalizace.
V důsledku nízké kovací teploty a vysoké rychlosti kování při kovacím kladivovém kování vzniká uvnitř materiálu velké množství zdrojů trhlin, pórů a jiných vadných prvků, což má za následek zjevnou rekrystalizaci titanové slitiny GR5.
Perspektivy aplikace a směr vývoje
Titanová slitina GR5 je díky svým vynikajícím komplexním vlastnostem široce používána v letectví, lékařském vybavení, dopravě a dalších oborech. Zejména v oblasti letectví se hlavním materiálem stala titanová slitina GR5.
Titanová slitina GR5 má výhody nízké hustoty, vysoké specifické pevnosti a specifické tuhosti, vysoké teplotní odolnosti a odolnosti proti korozi. Je široce používán při výrobě klíčových konstrukčních dílů, jako jsou rotory letadel, ocasní plochy, výztužné rámy trupu a hlavní a pomocné palivové nádrže.
Vzhledem k tomu, že titanová slitina GR5 má větší pevnost a plasticitu při pokojové teplotě, je pro zlepšení jejích vlastností během kování nutné zpracování roztokem. Struktura titanové slitiny GR5 však bude během procesu kování nerovnoměrně rozložena a během procesu ochlazování bude vznikat hrubá fáze, což má za následek snížení mechanických vlastností slitiny.
Za účelem zlepšení struktury kování titanové slitiny GR5 se v současné době běžně používají dvě metody: jednou je provedení úpravy v tuhém roztoku před kováním, jako je kování za tepla pomocí hydraulického lisu; druhým je provádění úpravy v tuhém roztoku během procesu kování, jako je kování na kladivu.
Ve skutečné výrobě je v současné době kování za tepla pomocí hydraulického lisu v současnosti častěji používaným procesem, a to z důvodu složitého zařízení pro proces kování na kovacích kladivech, obtížného provozu a vysokých výrobních nákladů.
Ve srovnání s kováním za tepla pomocí hydraulického lisu se kvalita povrchu kovacích kladivových výkovků výrazně zlepšila, zrna jsou jemnější a rovnoměrnější a pro výrobu lze použít zápustky pro velké průměry. Efektivita výroby výkovků na kovácích bucharech je však nízká a výrobní náklady vysoké. Proces kování za tepla v hydraulickém lisu zcela nenahradil.
V budoucnu, s rozvojem technologie kovacího bucharu a výzkumem kovací technologie a zařízení, lze předvídat, že efektivita výroby a kvalita kovacích výkovků na bucharech se výrazně zlepší.
Ve skutečné výrobě, protože během procesu kování bude generováno velké množství tepelného, silového a rázového zatížení, je nutné studovat vliv izotermického kování na strukturu, mechanické vlastnosti a mechanickou životnost výkovků pomocí tepelných simulačních experimentů a získat vhodné parametry procesu pro zajištění kvality výkovků.
Vzhledem k vysoké efektivitě výroby a nízkým nárokům na vybavení procesu kování na kovacích bucharech se v budoucnu můžeme pokusit využít kovací kladivové výkovky k výrobě klíčových konstrukčních dílů v letectví a dalších oborech, jako jsou ocasní plochy letadel, hlavní a pomocné palivové nádrže, kovářské výkovky, kovářské výkovky a další. výztužné rámy trupu a další klíčové konstrukční díly. U některých velkých výkovků v obecné civilní oblasti je vzhledem k jejich velkým rozměrům obtížné je vyrobit pomocí kovacího kladivového kování.
Názor autora
S rozvojem leteckého průmyslu mé země jsou požadavky na kvalitu výkovků z titanové slitiny stále vyšší a vyšší a proces kování je také jedním z důležitých faktorů ovlivňujících kvalitu výkovků.
S rozvojem hydraulických lisů a kovacích bucharů u nás se však jejich aplikace stále více rozšiřují. Protože je však cena kovacích bucharů poměrně vysoká a proces kování složitý, většina tuzemských leteckých společností volí ke kompletaci výrobků raději hydraulické lisy. Výroba, ale s nárůstem počtu hydraulických lisů se výrazně zlepšil i její proces kování a kvalita.
Zároveň, protože parametry kování lze během procesu kování upravit podle potřeb, je proces kování stále flexibilnější. V současné době však čínská domácí technologie a zařízení hydraulického lisu nemůže plně splňovat požadavky na výkovky v oblasti letectví a kosmonautiky. Rozvoj leteckého a kosmického oboru proto vyžaduje kování. Zvýší se také poptávka po technologiích.
Reference
1. Yao Weidong: Výzkum procesu kování a vlastností mikrostruktury výkovků z titanové slitiny GR5. "Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics", 2017,18 (01): 1036-1037.
2. He Xiaolin: Výzkum chování výkovků z titanové slitiny při zpracování za tepla během procesu kování. "China Forging", 2015 (11): 59-60.
3. Wei Guoli: Současná situace a trend vývoje velkovýroby výkovků ze slitin titanu v mé zemi. "Technologie ochrany materiálu", 2018 (05): 23-26.
