Performanse GR5 titanijumskih otkovaka pod hidrauličnom presom i procesom kovanja kovačkim čekićem
Predgovor
GR5 titanijumska legura ima dobra sveobuhvatna svojstva i može se koristiti u vazduhoplovstvu, petrohemiji, pomorskom inženjerstvu, transportu i drugim poljima. Sa brzim razvojem kineske avio-industrije, potražnja za otkovcima od legure titana GR5 se takođe povećava. Stoga je istraživanje otkovaka od legure titana GR5 od velikog značaja.
Kovanje je posebna tehnologija obrade koja može značajno poboljšati čvrstoću i tvrdoću metalnih materijala. Ima prednosti visoke proizvodne efikasnosti, niske cijene proizvodnje i dobrog kvaliteta proizvoda. Sa razvojem i napretkom tehnologije kovanja, tehnologija kovanja se takođe konstantno razvija. i savršenstvo.
Posljednjih godina, otkovci od legure titana sve se više koriste u avio-svemirskom polju, a zahtjevi za njihovim performansama su sve veći. Kako pripremiti visokokvalitetne otkovke od legure titanijuma GR5 visokih performansi postao je hitan problem u oblasti vazduhoplovstva.
Proces proizvodnje otkovaka od legure titanijuma
Titanijumska legura je metalni materijal sa odličnim sveobuhvatnim svojstvima. Zbog svoje male gustine, visoke specifične čvrstoće i dobre otpornosti na koroziju, široko se koristi u vazduhoplovstvu, pomorskom inženjerstvu i drugim poljima. Trenutno, procesi proizvodnje titanijumskih legura uglavnom uključuju kovanje i livenje, od kojih se kovanje deli na hladno kovanje i toplo kovanje.
Hladno kovanje koristi čekić za kovanje da vertikalno udari otkovke od legure titanijuma na sobnoj temperaturi, uzrokujući da metal polako i ravnomerno teče duž dužine otkovaka, tako da formira ujednačenu mikrostrukturu unutar kovanja. Prednosti hladnog kovanja su jednostavna oprema, širok raspon temperatura kovanja, pogodan za masovnu proizvodnju i niska cijena proizvodnje; nedostaci su složen proces kovanja, visoka otpornost na deformacije i dugo vrijeme kovanja.
Vruće kovanje se odnosi na stvaranje velikog broja mikrostrukturnih i strukturnih defekata, poput martenzita, ferita itd., unutar kovanja kroz vruće istiskivanje, izotermno kovanje, izotermnu normalizaciju i druge procese. Prednosti vrućih otkovaka su jednostavna oprema i sposobnost da izdrže velike sile deformacije i temperature deformacije; nedostaci su dugi proizvodni ciklusi i niska efikasnost proizvodnje.
Tokom procesa kovanja legure titanijuma GR5, zbog sopstvenog koeficijenta termičke ekspanzije koji se razlikuje od tradicionalnih metalnih materijala, ima širok temperaturni opseg kovanja i dobra svojstva vruće obrade.
Stoga se otkovci od legure titana GR5 uglavnom proizvode kovanjem. Kako bi se osigurao kvalitet otkovaka od legure titana GR5, oni se općenito zagrijavaju do raspona temperature procesa prije kovanja pomoću preše.
Za toplo kovanje titanijumskih legura trenutno postoje dve glavne metode: jedna je da se kovani komad stavi u peć za grejanje i zagreje na temperaturu procesa pre kovanja; drugi je toplo kovanje legure titanijuma kroz toplo kovanje. Među njima, vruće kovanje se odnosi na metodu u kojoj se legura titana koja je zagrijana na procesnu temperaturu stavlja u kalup i formira kroz kalup.
Prednosti toplog kovanja su mala otpornost na deformaciju i ujednačena deformacija, što može smanjiti unutrašnje nedostatke otkovaka i poboljšati kvalitet i performanse otkovaka; nedostatak je što zahtijeva visoku dimenzijsku tačnost i preciznost oblika otkovaka.
Postoje tri glavne metode toplog kovanja titanijumskih legura: jedna je kontinuirano kovanje, koje koristi mašine za kontinuirano kovanje otkovaka, što je takođe najrasprostranjenija metoda trenutno; drugi je polukontinuirano kovanje, što znači da se otkovci rotiraju u kalupu, ali ne mogu se izvodi kontinuirano kovanje; treći je slobodno kovanje, odnosno ne vrši se rotacija tokom procesa kovanja, ali se kovanje može savijati.
Organizacijsko posmatranje i analiza
Posmatrajući metalografsku strukturu otkovaka od legure titana GR5, može se uočiti da je struktura grubog nakon kovanja skoro kružni stupasti martenzit + mala količina zadržanog austenita, dok je struktura otkovaka skoro kružna stubasta martenzita + mala količina zadržanog austenita. Postoji očigledna razlika između ova dva tijela, a zatvor ima veliko bočno skupljanje nakon kovanja, što rezultira razlikom u bočnoj veličini otkovka.
Tokom procesa kovanja, zbog visoke temperature hidraulične prese, visokotemperaturna legura se brzo zagreva do iznad 1000 stepeni, što rezultira prekomernom brzinom zagrevanja kovanja, nedovoljnim gašenjem i površinskom oksidacijom.
Istovremeno, previsoka temperatura kovanja dovodi i do prekomerne deformacije tokom procesa kovanja hidraulične prese, a oksidacija i razugljičenje dolazi do naknadnog zagrevanja. Ova dva razloga dovode do velikih razlika u bočnim dimenzijama otkovaka.
Analiza mikrostrukture otkovaka pokazuje da je brzina hlađenja u procesu kovanja relativno velika, dok je brzina hlađenja zalivka nakon hidrauličkog kovanja relativno mala. Prekomjerno povećanje temperature tokom procesa kovanja rezultira velikim razlikama u poprečnim dimenzijama otkovaka. Istovremeno, tokom procesa kovanja, zrna kovanja takođe rastu u različitom stepenu.
Zbog brzog hlađenja blanka nakon kovanja, veličina zrna otkovaka je znatno drugačija. Veličina zrna otkovaka tokom procesa kovanja je znatno veća od veličine zrna zadatka nakon kovanja hidrauličnom mašinom; Mikrostruktura nastala tokom procesa kovanja je uglavnom skoro kružna i stupasta. Martenzit + mala količina zadržanog austenita; tokom procesa kovanja, zrna kovanja su gruba i neravnomerno raspoređena.
Zbog visoke temperature kovanja, legura titana GR5 ima visoku čvrstoću i tvrdoću na sobnoj temperaturi, dok je temperatura kovanja preniska, što rezultira nedovoljnom sposobnošću plastične deformacije, nedovoljnim gašenjem i oksidacijom.
Osim toga, zbog visoke temperature zagrijavanja hidraulične preše, tijekom kovanja dolazi do oksidacije, a na površini završnog kovanog zadatka pojavljuje se oksidni kamenac.
Eksperiment sa vlačnim svojstvima
Na vlačne osobine legure titanijuma GR5 pri sobnoj temperaturi utiču mnogi faktori, uključujući sastav legure, veličinu zrna, brzinu deformacije, stepen deformacije itd.
Prije svega, prečnik otkovaka je uglavnom manji od prečnika toplo valjanih šipki. Temperatura deformacije je niža tokom zagrevanja kovanja, a teško je kontrolisati stepen deformacije tokom procesa deformacije. Stoga na zatezna svojstva otkovaka u velikoj mjeri utječu osnovni materijal i proces kovanja. Pod istim uslovima, vlačna svojstva legure titana GR5 kovane hidrauličnom presom su bolja od onih kovanih kovačkim čekićem, ali postoji ključni problem prilikom kovanja kovačkim čekićem - deformacija vrućom kompresijom.
Budući da postoji određeni stepen zagrevanja i hlađenja tokom procesa kovanja hidraulične prese, temperatura deformacije i brzina deformacije se mogu bolje kontrolisati tokom termičke obrade, čime se obezbeđuje veća plastičnost. Zbog niže temperature zagrijavanja i bržeg hlađenja tokom kovanja čekića, plastičnost otkovaka nije tako dobra kao kod hidrauličnih prešanih otkovaka.
Pod istim uslovima, kovanje može značajno poboljšati zatezna svojstva legure titanijuma GR5 više od kovanja čekićem. Za otkovke od legure titana GR5 istih specifikacija, vlačna svojstva kovanja hidrauličkom presom su bolja od onih kod kovanja sa čekićem; pod istim uslovima, kovanje čekića može značajno poboljšati zatezna svojstva legure titana GR5 od kovanja hidrauličkom presom.
Kada je granica popuštanja ista, vlačna svojstva legure titana GR5 kovane hidrauličnom presom nakon kovanja su bolja od onih legure titanijuma GR5 kovane kovačkim čekićem. To je zato što otkovci hidraulične preše imaju mali unutrašnji zaostali napon zbog faktora kao što su mala deformacija, niska temperatura deformacije i spora brzina deformacije; a zatezna svojstva legure titana GR5 kovane kovačkim čekićem nakon kovanja su bolja od onih nakon kovanja hidrauličnom presom.
To je zato što se prilikom kovanja kovačkim čekićem stvara veliko zaostalo naprezanje tokom procesa kovanja i čekićanja, što uzrokuje veliko vlačno naprezanje unutar materijala, što rezultira velikom plastičnom deformacijom materijala; dok kod kovanja hidrauličnom presom, tokom procesa kovanja metal je u slobodnom toku i unutar materijala nema zaostalog naprezanja, čime se obezbeđuje stepen plastične deformacije materijala.
Analiza rezultata mehaničkih ispitivanja
Vrijednost čvrstoće i istezanje uzorka legure titana GR5 nakon kovanja hidrauličnom presom veći su od onih nakon kovanja kovačkim čekićem. To je zato što se veliki broj elemenata nečistoća proizvodi unutar kovanja tokom procesa kovanja, a prisustvo ovih nečistoća uzrokuje deformaciju legure titana GR5. Teška rekristalizacija.
Tokom procesa valjanja, zbog velikog pritiska kotrljanja, očigledan je fenomen koncentracije napona. Neki elementi nečistoće se ekstrudiraju u unutrašnjost legure titana GR5 i formiraju grubu fazu bogatu Ti na granicama zrna, što uzrokuje proizvodnju velike količine energije unutar kovanja. Dislokacije i slobodna mjesta stvaraju uslove za dalju deformaciju legure titana GR5.
Vrijednost čvrstoće uzorka legure titana GR5 nakon kovanja kovačkim čekićem je niža od vrijednosti uzorka nakon kovanja hidrauličnom presom. To je zato što se veliki broj dislokacija i slobodnih mjesta formira unutar otkovka tokom procesa kovanja čekićem, a male čestice se formiraju na granicama zrna. Faza bogata Ti izaziva očiglednu rekristalizaciju legure titana GR5.
Može se vidjeti da su karakteristike loma uzorka legure titana GR5 nakon kovanja kovačkim čekićem: uglavnom duktilni lom, dopunjen lokalnim krhkim lomom.
To je zbog visokog pritiska kovanja tokom procesa kovanja čekićem, što uzrokuje da neki elementi nečistoće formiraju grube faze bogate Ti na granicama zrna. U isto vrijeme, veliki broj dislokacija i slobodnih mjesta nastaje tokom procesa kovanja čekića, što uzrokuje očigledne promjene u leguri titana GR5. fenomen rekristalizacije.
Zbog niske temperature kovanja i velike brzine kovanja tokom kovanja čekića, veliki broj izvora pukotina, pora i drugih defektnih elemenata nastaje unutar materijala, što rezultira očiglednom rekristalizacijom legure titana GR5.
Izgledi primjene i smjer razvoja
GR5 titanijumska legura se široko koristi u vazduhoplovstvu, medicinskoj opremi, transportu i drugim poljima zbog svojih odličnih sveobuhvatnih svojstava. Naročito u vazduhoplovstvu, legura titana GR5 postala je glavni materijal.
GR5 legura titana ima prednosti niske gustine, visoke specifične čvrstoće i specifične krutosti, otpornosti na visoke temperature i otpornosti na koroziju. Široko se koristi u proizvodnji ključnih strukturnih dijelova kao što su rotori aviona, repovi, okviri za ojačanje trupa, te glavni i pomoćni rezervoari za gorivo.
Budući da legura titana GR5 ima veću čvrstoću i plastičnost na sobnoj temperaturi, potrebno je tretiranje rastvorom tokom kovanja kako bi se poboljšala njena svojstva. Međutim, struktura legure titanijuma GR5 će biti neravnomerno raspoređena tokom procesa kovanja, a gruba faza će se formirati tokom procesa hlađenja, što će rezultirati smanjenjem mehaničkih svojstava legure.
Kako bi se poboljšala struktura kovanja legure titana GR5, trenutno postoje dvije najčešće korišćene metode: jedna je izvođenje tretmana čvrstim rastvorom prije kovanja, kao što je kovanje hidrauličkom presom vrućim kalupom; drugi je izvođenje tretmana čvrstim rastvorom tokom procesa kovanja, kao što je kovanje čekićem.
U stvarnoj proizvodnji, zbog složene opreme za proces kovanja čekića, teškog rada i visokih troškova proizvodnje, hidraulička presa vruće kovanje je trenutno češći proces.
U usporedbi s hidrauličnom presom vrućim kovanjem, kvalitet površine otkovaka čekića je znatno poboljšan, zrna su finija i ujednačenija, a za proizvodnju se mogu koristiti matrice za kovanje velikog promjera. Međutim, proizvodna efikasnost otkovaka čekića je niska, a troškovi proizvodnje su visoki. Nije u potpunosti zamijenio proces vrućeg kovanja hidrauličkom presom.
U budućnosti, razvojem tehnologije kovanja čekića i istraživanjem tehnologije i opreme kovanja, može se predvidjeti da će se efikasnost proizvodnje i kvaliteta kovačkih otkovaka uvelike poboljšati.
U stvarnoj proizvodnji, budući da će se tokom procesa kovanja stvarati velika količina topline, sile i udarnog opterećenja, potrebno je kroz termičke simulacijske eksperimente proučavati utjecaj izotermnog kovanja na strukturu, mehanička svojstva i mehanički vijek otkovaka, te dobiti odgovarajuće procesne parametre kako bi se osigurala kvaliteta otkovaka.
Zbog visoke proizvodne efikasnosti i niskih zahtjeva za opremom procesa kovanja kovačkog čekića, u budućnosti možemo pokušati koristiti otkovke kovačkih čekića za proizvodnju ključnih strukturnih dijelova u zrakoplovstvu i drugim oblastima, kao što su repovi aviona, glavni i pomoćni rezervoari za gorivo, okviri za ojačanje trupa i drugi ključni strukturni dijelovi. Za neke velike otkovke u općem civilnom polju, zbog njihove velike veličine, teško ih je proizvesti postupkom kovanja kovačkim čekićem.
Mišljenje autora
Sa razvojem vazduhoplovne industrije moje zemlje, zahtevi za kvalitetom otkovaka od legura titanijuma su sve veći i viši, a proces kovanja je takođe jedan od važnih faktora koji utiču na kvalitet otkovaka.
Međutim, razvojem hidrauličnih presa i kovačkih čekića u našoj zemlji, njihova primjena postaje sve raširenija. Međutim, budući da je cijena kovačkih čekića relativno visoka, a proces kovanja složen, većina domaćih zrakoplovnih kompanija radije bira hidraulične prese za kompletiranje proizvoda. Proizvodnja, ali sa povećanjem broja hidrauličnih presa, značajno je poboljšan i proces kovanja i kvaliteta.
Istovremeno, budući da se parametri kovanja mogu prilagoditi potrebama tokom procesa kovanja, proces kovanja postaje sve fleksibilniji. Međutim, trenutno kineska domaća hidraulička presa tehnologija i oprema ne mogu u potpunosti ispuniti zahtjeve za otkovke u području zrakoplovstva. Stoga razvoj vazduhoplovstva zahteva kovanje. Potražnja za tehnologijom će se takođe povećati.
reference
1. Yao Weidong: Istraživanje procesa kovanja i mikrostrukturnih svojstava otkovaka od legure titana GR5. "Časopis Pekinškog univerziteta za aeronautiku i astronautiku", 2017,18 (01): 1036-1037.
2. He Xiaolin: Istraživanje ponašanja otkovaka od legure titanijuma pri toplom radu tokom procesa kovanja. "China Forging", 2015 (11): 59-60.
3. Wei Guoli: Trenutna situacija i trend razvoja velike proizvodnje otkovaka od legure titanijuma u mojoj zemlji. "Tehnologija zaštite materijala", 2018 (05): 23-26.
