Zmogljivost titanovih odkovkov GR5 pod hidravlično stiskalnico in kovanjem s kovanjem s kladivom
Predgovor
Titanova zlitina GR5 ima dobre celovite lastnosti in se lahko uporablja v vesoljski, petrokemični, pomorski tehniki, transportu in na drugih področjih. S hitrim razvojem kitajske vesoljske industrije se povečuje tudi povpraševanje po odkovkih iz titanove zlitine GR5. Zato so raziskave odkovkov iz titanove zlitine GR5 velikega pomena.
Kovanje je posebna tehnologija obdelave, ki lahko bistveno izboljša trdnost in trdoto kovinskih materialov. Ima prednosti visoke proizvodne učinkovitosti, nizkih proizvodnih stroškov in dobre kakovosti izdelkov. Z razvojem in napredkom tehnologije kovanja se nenehno razvija tudi tehnologija kovanja. in popolnost.
V zadnjih letih se odkovki iz titanove zlitine vse pogosteje uporabljajo na področju letalstva, njihove zahteve glede zmogljivosti pa so vse višje. Kako pripraviti visokokakovostne, visoko zmogljive odkovke iz titanove zlitine GR5, je postalo pereč problem na področju vesolja.
Postopek izdelave odkovkov iz titanove zlitine
Titanova zlitina je kovinski material z odličnimi celovitimi lastnostmi. Zaradi nizke gostote, visoke specifične trdnosti in dobre odpornosti proti koroziji se pogosto uporablja v vesolju, pomorskem inženiringu in na drugih področjih. Trenutno proizvodni procesi titanovih zlitin vključujejo predvsem kovanje in litje, od tega kovanje delimo na hladno in vroče kovanje.
Hladno kovanje uporablja kovaško kladivo za navpično udarjanje po odkovkih iz titanove zlitine pri sobni temperaturi, zaradi česar kovina teče počasi in enakomerno po dolžini odkovka, tako da tvori enotno mikrostrukturo znotraj odkovka. Prednosti hladnega kovanja so preprosta oprema, široko temperaturno območje kovanja, primerno za množično proizvodnjo in nizki proizvodni stroški; slabosti so zapleten postopek kovanja, visoka odpornost na deformacijo in dolg čas kovanja.
Vroče kovanje se nanaša na nastanek velikega števila mikrostrukturnih in strukturnih napak, kot so martenzit, ferit itd., znotraj kovanja z vročim iztiskanjem, izotermnim kovanjem, izotermno normalizacijo in drugimi postopki. Prednosti vročih odkovkov so enostavna oprema in sposobnost, da prenesejo velike deformacijske sile in deformacijske temperature; slabosti so dolgi proizvodni cikli in nizka proizvodna učinkovitost.
Med postopkom kovanja titanove zlitine GR5 ima zaradi lastnega toplotnega razteznega koeficienta, ki se razlikuje od tradicionalnih kovinskih materialov, široko temperaturno območje kovanja in dobre lastnosti vroče obdelave.
Zato se odkovki iz titanove zlitine GR5 običajno proizvajajo s kovanjem. Da bi zagotovili kakovost odkovkov iz titanove zlitine GR5, jih običajno segrejemo na temperaturno območje postopka, preden jih kojemo s stiskalnico.
Za vroče kovanje titanovih zlitin trenutno obstajata dve glavni metodi: ena je, da se odkovanec postavi v grelno peč in segreje na temperaturo postopka pred kovanjem; drugi je vroče kovanje titanove zlitine z vročim kovanjem. Med njimi se vroče kovanje nanaša na metodo, pri kateri se titanova zlitina, segreta na temperaturo postopka, postavi v kalup in oblikuje skozi kalup.
Prednosti vročega kovanja so majhna deformacijska odpornost in enakomerna deformacija, ki lahko zmanjša notranje napake odkovkov in izboljša kakovost in učinkovitost odkovkov; slabost je, da zahteva visoko dimenzijsko in oblikovno natančnost odkovkov.
Obstajajo trije glavni načini vročega kovanja titanovih zlitin: eden je kontinuirno kovanje, ki uporablja stroje za kontinuirano kovanje odkovkov, kar je trenutno tudi najbolj razširjena metoda; drugo je polkontinuirano kovanje, kar pomeni, da se odkovki vrtijo v kalupu, ne morejo pa Kontinuirano kovanje se izvaja; tretji je prosto kovanje, to pomeni, da se med postopkom kovanja ne izvaja vrtenje, lahko pa se odkovek upogne.
Organizacijsko opazovanje in analiza
Če opazujemo metalografsko strukturo odkovkov iz titanove zlitine GR5, je razvidno, da je struktura surovega materiala po kovanju skoraj krožni stolpični martenzit + majhna količina zadržanega avstenita, medtem ko je struktura odkovka skoraj krožni stolpični martenzit + majhna količina zadržanega avstenita. Obstaja očitna razlika med obema telesoma in surovec ima veliko stransko krčenje po kovanju, kar ima za posledico razliko v stranski velikosti odkovka.
Med postopkom kovanja se zaradi visoke temperature hidravlične stiskalnice visokotemperaturna zlitina hitro segreje na več kot 1000 stopinj, kar povzroči prekomerno hitrost segrevanja kovanja, nezadostno kaljenje in površinsko oksidacijo.
Hkrati previsoka temperatura kovanja vodi tudi do prekomerne deformacije med postopkom kovanja hidravlične stiskalnice, pri poznejšem segrevanju pa pride do oksidacije in razogljičenja. Ta dva razloga vodita do velikih razlik v stranskih dimenzijah odkovkov.
Analiza mikrostrukture odkovkov kaže, da je hitrost ohlajanja med postopkom kovanja relativno velika, medtem ko je hitrost ohlajanja surovca po hidravličnem strojnem kovanju relativno majhna. Posledica prevelikega dviga temperature med postopkom kovanja so velike razlike v prečnih dimenzijah odkovkov. Hkrati se med postopkom kovanja v različni meri razrastejo tudi kovska zrna.
Zaradi hitrega ohlajanja surovca po kovanju je velikost zrn odkovka zelo različna. Velikost zrn odkovka med postopkom kovanja je bistveno večja od velikosti zrn surovca po kovanju s hidravličnim strojem; mikrostruktura, ki nastane med postopkom kovanja, je večinoma skoraj okrogla in stebrasta. Martenzit + majhna količina zadržanega avstenita; med postopkom kovanja so kovaška zrna groba in neenakomerno razporejena.
Zaradi visoke temperature kovanja ima titanova zlitina GR5 visoko trdnost in trdoto pri sobni temperaturi, medtem ko je temperatura kovanja prenizka, kar ima za posledico nezadostno sposobnost plastične deformacije, nezadostno kaljenje in oksidacijo.
Poleg tega zaradi visoke temperature segrevanja hidravlične stiskalnice med kovanjem pride do oksidacije in na površini končnega kovanega surovca se pojavi oksidni kamen.
Eksperiment z natezno lastnostjo
Na natezne lastnosti titanove zlitine GR5 pri sobni temperaturi vplivajo številni dejavniki, vključno s sestavo zlitine, velikostjo zrn, hitrostjo deformacije, stopnjo deformacije itd.
Prvič, premer odkovkov je na splošno manjši od premera vroče valjanih palic. Temperatura deformacije je med segrevanjem kovanja nižja in težko je nadzorovati stopnjo deformacije med procesom deformacije. Zato na natezne lastnosti odkovkov močno vplivata osnovni material in postopek kovanja. Pod enakimi pogoji so natezne lastnosti titanove zlitine GR5, kovane s hidravlično stiskalnico, boljše od tistih, ki so kovane s kovaškim kladivom, vendar obstaja ključna težava med kovanjem s kovanjem s kladivom - deformacija pri vročem stiskanju.
Ker je med postopkom kovanja hidravlične stiskalnice določena stopnja segrevanja in ohlajanja, je mogoče med toplotno obdelavo bolje nadzorovati temperaturo deformacije in hitrost deformacije, s čimer se zagotovi večja plastičnost. Zaradi nižje temperature segrevanja in hitrejšega ohlajanja med kovanjem s kladivom plastičnost odkovkov ni tako dobra kot pri odkovkih s hidravlično stiskalnico.
Pod enakimi pogoji lahko kovanje bistveno izboljša natezne lastnosti titanove zlitine GR5 bolj kot kovanje s kladivom. Za odkovke iz titanove zlitine GR5 z enakimi specifikacijami so natezne lastnosti kovanja s hidravlično stiskalnico boljše kot pri kovanju s kladivom; pod enakimi pogoji lahko kovanje s kladivom bistveno izboljša natezne lastnosti titanove zlitine GR5 kot kovanje s hidravlično stiskalnico.
Ko je meja tečenja enaka, so natezne lastnosti titanove zlitine GR5, kovane s hidravlično stiskalnico, po kovanju boljše od lastnosti titanove zlitine GR5, kovane s kovaškim kladivom. To je zato, ker imajo odkovki s hidravlično stiskalnico majhno notranjo preostalo napetost zaradi dejavnikov, kot so majhna deformacija, nizka temperatura deformacije in počasna hitrost deformacije; in natezne lastnosti titanove zlitine GR5, kovane s kovaškim kladivom po kovanju, so boljše od tistih po kovanju s hidravlično stiskalnico.
To je zato, ker pri kovanju s kovaškim kladivom nastane velika zaostala napetost med procesoma kovanja in udarnega kladiva, kar povzroči veliko natezno napetost znotraj materiala, kar ima za posledico veliko plastično deformacijo materiala; medtem ko je pri kovanju s hidravlično stiskalnico med postopkom kovanja kovina v sipkem stanju in znotraj materiala ni zaostalih napetosti, s čimer je zagotovljena stopnja plastične deformacije materiala.
Analiza rezultatov delovanja mehanskih preskusov
Vrednost trdnosti in raztezek vzorca titanove zlitine GR5 po kovanju s hidravlično stiskalnico sta večja kot po kovanju s kovaškim kladivom. To je zato, ker se med postopkom kovanja znotraj odkovka proizvede veliko število nečistoč in prisotnost teh nečistoč povzroči deformacijo titanove zlitine GR5. Huda rekristalizacija.
Med postopkom valjanja je zaradi velikega tlaka valjanja očiten pojav koncentracije napetosti. Nekateri elementi nečistoč so ekstrudirani v notranjost titanove zlitine GR5 in na mejah zrn tvorijo grobo fazo, bogato s Ti, kar povzroči, da se znotraj odkovka proizvaja velika količina energije. Dislokacije in prosta mesta zagotavljajo pogoje za nadaljnjo deformacijo titanove zlitine GR5.
Vrednost trdnosti vzorca titanove zlitine GR5 po kovanju s kovaškim kladivom je nižja kot pri vzorcu po kovanju s hidravlično stiskalnico. To je zato, ker se med postopkom kovanja s kovaškim kladivom znotraj odkovka oblikuje veliko število dislokacij in prostih mest, na mejah zrn pa nastanejo majhni delci. Faza, bogata s Ti, povzroči očitno rekristalizacijo titanove zlitine GR5.
Vidimo lahko, da so značilnosti loma vzorca titanove zlitine GR5 po kovanju s kovaškim kladivom: predvsem duktilni lom, dopolnjen z lokalnim krhkim lomom.
To je posledica visokega tlaka kovanja med postopkom kovanja s kovaškim kladivom, zaradi česar nekateri elementi nečistoč tvorijo grobe faze, bogate s Ti, na mejah zrn. Hkrati se med postopkom kovanja s kovanjem s kladivom ustvari veliko število dislokacij in prostih mest, kar povzroči očitne spremembe v titanovi zlitini GR5. pojav rekristalizacije.
Zaradi nizke temperature kovanja in visoke hitrosti kovanja med kovanjem s kovanjem s kladivom se znotraj materiala ustvari veliko število virov razpok, por in drugih okvarjenih elementov, kar povzroči očitno rekristalizacijo titanove zlitine GR5.
Možnosti uporabe in smer razvoja
Titanova zlitina GR5 se zaradi svojih odličnih celovitih lastnosti pogosto uporablja v letalstvu, medicinski opremi, transportu in na drugih področjih. Zlasti na vesoljskem področju je titanova zlitina GR5 postala glavni material.
Titanova zlitina GR5 ima prednosti nizke gostote, visoke specifične trdnosti in specifične togosti, visoke temperaturne odpornosti in odpornosti proti koroziji. Široko se uporablja pri izdelavi ključnih strukturnih delov, kot so rotorji letal, repi, ojačitveni okvirji trupa ter glavni in pomožni rezervoarji za gorivo.
Ker ima titanova zlitina GR5 večjo trdnost in plastičnost pri sobni temperaturi, je med kovanjem potrebna obdelava z raztopino, da se izboljšajo njene lastnosti. Vendar bo struktura titanove zlitine GR5 med postopkom kovanja neenakomerno porazdeljena, med postopkom ohlajanja pa bo nastala groba faza, kar bo povzročilo zmanjšanje mehanskih lastnosti zlitine.
Za izboljšanje strukture kovanja titanove zlitine GR5 trenutno obstajata dve pogosto uporabljeni metodi: ena je obdelava s trdno raztopino pred kovanjem, kot je vroče kovanje s hidravlično stiskalnico; druga je obdelava s trdno raztopino med postopkom kovanja, kot je kovanje s kladivom.
V dejanski proizvodnji je zaradi zapletene procesne opreme za kovanje s kladivom, težkega delovanja in visokih proizvodnih stroškov vroče kovanje s hidravlično stiskalnico trenutno bolj pogosto uporabljen postopek.
V primerjavi s hidravličnim kovanjem z vročim kovanjem se je kakovost površine odkovkov s kladivom močno izboljšala, zrna so bolj drobna in enakomerna, za proizvodnjo pa se lahko uporabljajo matrice za kovanje z velikim premerom. Vendar pa je proizvodna učinkovitost kovanja odkovkov s kladivom nizka, proizvodni stroški pa visoki. Ni popolnoma nadomestil postopka vročega kovanja s hidravlično stiskalnico.
V prihodnosti je mogoče z razvojem tehnologije kovanja s kovanjem in raziskavami tehnologije in opreme za kovanje predvideti, da se bosta proizvodna učinkovitost in kakovost odkovkov s kovanjem kladiv močno izboljšali.
V dejanski proizvodnji, ker bo med postopkom kovanja nastala velika količina toplote, sile in udarne obremenitve, je treba preučiti vpliv izotermnega kovanja na strukturo, mehanske lastnosti in mehansko življenjsko dobo odkovkov s termičnimi simulacijskimi poskusi in pridobite ustrezne procesne parametre, da zagotovite kakovost odkovkov.
Zaradi visoke proizvodne učinkovitosti in nizkih zahtev glede opreme postopka kovanja s kovanjem s kladivom lahko v prihodnosti poskusimo uporabiti odkovke s kovanjem za proizvodnjo ključnih konstrukcijskih delov v vesolju in na drugih področjih, kot so repi letal, glavni in pomožni rezervoarji za gorivo, ojačitveni okvirji trupa in drugi ključni strukturni deli. Nekatere velike odkovke na splošnem civilnem področju je zaradi njihove velike velikosti težko izdelati s postopkom kovanja s kovanjem s kladivom.
Avtorjevo mnenje
Z razvojem vesoljske industrije v moji državi postajajo zahteve glede kakovosti za odkovke iz titanove zlitine vse višje in postopek kovanja je tudi eden od pomembnih dejavnikov, ki vplivajo na kakovost odkovkov.
Z razvojem hidravličnih stiskalnic in kovaških kladiv pri nas pa postaja njihova uporaba vedno bolj razširjena. Ker pa je cena kovaških kladiv razmeroma visoka in je postopek kovanja zapleten, večina domačih letalskih in vesoljskih podjetij raje izbere hidravlične stiskalnice za dokončanje izdelkov. Proizvodnja, s povečanjem števila hidravličnih stiskalnic pa sta se močno izboljšala tudi njen postopek kovanja in kakovost.
Obenem postaja postopek kovanja vedno bolj prilagodljiv, ker je mogoče parametre kovanja prilagoditi potrebam med postopkom kovanja. Vendar pa trenutno kitajska domača tehnologija in oprema za hidravlične stiskalnice ne moreta v celoti izpolniti zahtev za odkovke na področju letalstva. Zato razvoj vesoljskega področja zahteva kovanje Povečalo se bo tudi povpraševanje po tehnologiji.
reference
1. Yao Weidong: Raziskave postopka kovanja in lastnosti mikrostrukture odkovkov iz titanove zlitine GR5. "Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics", 2017,18 (01): 1036-1037.
2. He Xiaolin: Raziskave obnašanja odkovkov iz titanove zlitine pri vročem delu med postopkom kovanja. "Kitajsko kovanje", 2015 (11): 59-60.
3. Wei Guoli: Trenutna situacija in trend razvoja obsežne proizvodnje odkovkov iz titanove zlitine v moji državi. "Tehnologija zaščite materialov", 2018 (05): 23-26.
