Čo zahŕňa proces kovania titánu? Kroky, teploty a vybavenie

Kovaná príruba z titánovej zliatiny (TC4) pre námorný pohonný systém pristála na inšpekčnej lavici so špecifikáciou kovania, ktorá umožňovala odchýlku teploty predvalkov iba o 15 °C počas dvojhodinového namáčania. Tento druh tolerancie nie je pri titánovom kovaní výnimočný; je to bežná prevádzková disciplína. Pretože konečná mikroštruktúra, mechanické vlastnosti a náklady titánu sú do značnej miery určené v kovárni, každý kupujúci alebo inžinier, ktorý špecifikuje titánové kovanie, by mal presne pochopiť, čo tento proces zahŕňa.

Čo zahŕňa proces kovania titánu

Proces kovania titánu zahŕňa zahriatie titánového predvalku alebo ingotu na presnú teplotu – zvyčajne medzi 850 °C a 1 050 °C v závislosti od zliatiny – potom jeho plastickú deformáciu pri kontrolovanej rýchlosti deformácie pomocou hydraulického lisu alebo kladiva, po ktorom nasleduje riadené chladenie, tepelné spracovanie a obrábanie.

Na rozdiel od ocele ponúkajú zliatiny titánu úzke deformovateľné teplotné okno. Ak obrobok presahuje β-transus, môžu sa vytvárať hrubé β zrná, ktoré sa následným tepelným spracovaním nedajú zjemniť. Ak je príliš chladno, prúdové napätie prudko stúpa a môže dôjsť k praskaniu. To je dôvod, prečo titánové kovanie vyžaduje riadenie pece s uzavretou slučkou, digitálnu pyrometriu a lisy schopné presnej regulácie rýchlosti barana.

Okno kritickej teploty pre kovanie titánu

Titánové kovanie je v prvom rade úlohou tepelnej kontroly. Správna teplota spracovania sa líši podľa triedy zliatiny, ale každá zliatina titánu má jednu tvrdú hranicu: β-transus.

Pre zliatiny α-β, ako je Ti-6Al-4V, sa kovanie α-β vykonáva 30–80 °C pod β-transusom, typicky pri 900–980 °C. To vytvára bimodálnu mikroštruktúru s dobrou odolnosťou proti predĺženiu a únave. β kovanie nad transusom poskytuje vyššiu odolnosť proti tečeniu, ale nižšiu ťažnosť v ťahu a je zvolené len pre špecifické rotujúce časti v prúdových motoroch alebo výkonových turbínach.

Vykurovanie musí byť rovnomerné. Tepelná vodivosť titánu je zhruba tretinová v porovnaní s oceľou, čo znamená, že hrubé časti môžu vykazovať prudké teplotné gradienty. Doba namáčania sa zvyčajne nastavuje na 1 minútu na 25 mm prierezu, po ktorej nasleduje overenie termočlánku vo výrobnom kovaní.

Proces kovania titánu krok za krokom

Typický cyklus kovania titánu v otvorenej zápustke alebo krúžkového valcovania nasleduje šesť opakovateľných fáz, z ktorých každá má svoje vlastné riziko zlyhania.

1. Výber materiálu a úprava: Predvalok je ingot alebo tyč leteckej kvality. Povrchové chyby sú úplne vybrúsené, pretože všetky zostávajúce trhliny sa počas kovania otvoria.
2. Predhrievanie: Titán sa vloží do pece nastavenej na 50–100 °C pod cieľovú teplotu kovania. Drží sa tam, aby sa predišlo teplotným šokom, a potom sa zvýši na pracovnú teplotu s namáčaním.
3. Prvá deformácia (rozrušenie alebo zablokovanie): Lis aplikuje pomalé, nepretržité stláčanie. Cieľom je rozbiť odlievanú štruktúru a začať rekryštalizáciu, nie dosiahnuť takmer čistý tvar.
4. Viacnásobné prechody s opätovným ohrevom: Na rozdiel od ocele titán nevydrží dlhé kovanie na voľnom priestranstve. Každý prechod trvá len niekoľko sekúnd a kus sa vráti do pece, keď povrchová teplota klesne pod spodnú hranicu.
5. Kontrola teploty matrice a nástroja: Kontakt so studenými raznicami spôsobuje chladenie vrstvy na povrchu titánu. Pri pokročilom kovaní sa matrice predhrievajú na 250–400 °C a namazávajú sa povlakmi na báze skla, aby sa zabránilo lepeniu a silnému ochladzovaniu.
6. Konečné tvarovanie a orezávanie: Posledný prechod priblíži diel ku konečným rozmerom. Flash, ak nejaký je odstránený, kým je kov ešte teplý, a diel je prenesený priamo do riadeného chladenia alebo do upínadla s obmedzeným namáhaním.

Zariadenie a kontrola rýchlosti namáhania

Lisy, nie kladivá, sú primárnym vybavením pre riadenie pohybu titánového kovania. Lis môže držať pomalú, konštantnú rýchlosť barana, zatiaľ čo kladivo spôsobuje nárazy s vysokou rýchlosťou deformácie, ktoré môžu spustiť adiabatické šmykové pásy v titáne.

V spoločnosti Maiterio Intelligent Equipment využívajú linky otvoreného kovania hydraulické lisy s rýchlosťami barana pod 10 mm/s pre titán. Pre prstencové titánové diely vyrábajú prstencové valcovacie stolice bezšvíkové valcované prstence s lepším prietokom zrna ako obrábaný tyčový materiál. Voľba medzi lisom, kladivom a prstencovým valcom ovplyvňuje mikroštruktúru – pomalá deformácia podporuje globulárne α, zatiaľ čo rýchla deformácia riskuje praskanie na hraniciach zŕn.

Linky otvoreného kovania Maiterio spracovávali titán a iné vysokoteplotné zliatiny pre náročných zákazníkov, často v spojení s vlastným hrubým obrábaním na kontrolu tolerancií.

Diely otvoreného kovania pre titán a vysokoteplotné zliatiny Táto továreň dodáva voľne kované hriadele, ozubené kolesá, kotúče a valce pre metalurgické, energetické, banské a stavebné zariadenia s vlastným hrubým obrábaním na kontrolu tolerancií. Zobraziť produkt →

Výkovky zo špeciálnych materiálov z hliníka a nehrdzavejúcej ocele Preskúmajte vlastné výkovky vyrobené z akostných tried hliníka 6061, 7075, 5083 a nehrdzavejúcej ocele 304, 316, 17-4PH, vhodné pre náročné aplikácie z vysokoteplotných zliatin. Zobraziť produkt →

Tepelné spracovanie a obrábanie po kovaní

Po kovaní nie sú titánové diely kalené ako oceľ. Sú ochladzované v pokojnom vzduchu a potom podrobené špecifickému cyklu tepelného spracovania na základe zliatiny a požadovanej triedy pevnosti.

V prípade Ti-6Al-4V sa žíhanie vykonáva pri 700–850 °C, po ktorom nasleduje ochladenie vzduchom. Ošetrenie roztoku a starnutie pri 900–960 °C a potom 480–600 °C poskytujú vyššiu pevnosť pri určitej strate lomovej húževnatosti. Pretože titán reaguje s kyslíkom pri teplote vyššej ako 650 °C, akékoľvek tepelné spracovanie sa musí vykonávať v kontrolovanej atmosfére alebo s ochrannými nátermi. Povrch bez vodného kameňa zachováva únavovú pevnosť materiálu.

Obrábanie titánových výkovkov sa tiež líši od ocele. Nízka tepelná vodivosť kovu koncentruje teplo na reznej hrane, čo vedie k rýchlemu opotrebovaniu nástroja. Tvrdokovové nástroje s vysokotlakovou chladiacou kvapalinou a nízkymi otáčkami vretena sú štandardom. Vertikálne sústruhy a horizontálne sústruhy Maiterio CNC sa bežne používajú na konečnú úpravu titánových krúžkov a hriadeľov na drsnosť povrchu Ra 0,8 µm alebo lepšiu.

Kontrola kvality titánových výkovkov

Konečné schválenie titánového výkovku závisí od troch nezávislých kontrol: mikroštruktúry, ultrazvukovej spoľahlivosti a mechanických vlastností.

Hodnotenie mikroštruktúry využíva metalografické rezy leptané Krollovým činidlom na overenie, že spracovanie α-β neprešlo cez β-transus. Ultrazvukové testovanie zisťuje vnútorné dutiny, inklúzie a praskliny, ktoré sú voľným okom neviditeľné. Skúšky ťahu, nárazu a tvrdosti potvrdzujú, že pevnosť a ťažnosť zodpovedajú špecifikácii objednávky. Okrem toho je pre letecké a energetické aplikácie potrebný plne zdokumentovaný reťazec vysledovateľnosti od taveniny ingotov až po konečné obrábanie. Systém riadenia kvality spoločnosti Maiterio sa riadi normami ISO 9001 a 14001 s internými testovacími postupmi pre vysokolegované materiály.

Často kladené otázky

Ako sa titánové kovanie líši od oceľového kovania?

Titánové kovanie vyžaduje užší teplotný rozsah, pomalšie rýchlosti deformácie, predhriate matrice a prísnejšiu kontrolu atmosféry pece. β-transus je tvrdý horný limit pre väčšinu α-β zliatin, zatiaľ čo oceľ nemá ekvivalentnú hranicu zhrubnutia zrna pre bežné uhlíkové a legované ocele.

Čo je to β-transus a prečo je dôležitý?

β-transus je teplota, pri ktorej sa zliatina titánu stáva úplne β fázou. Prekročenie dokonca o 10 °C počas kovania môže vytvoriť úplne β štruktúru, ktorá sa premení na hrubé α dosky, čím sa zníži ťažnosť a únavová životnosť. Procesní inžinieri merajú skutočný transus pre každú dávku pomocou diferenciálnej tepelnej analýzy.

Môžu sa titánové krúžky vyrábať valcovaním krúžkov?

áno. Titánové bezšvíkové krúžky sú valcované na radiálno-axiálnych frézach. Proces využíva rovnaké tepelné riadenie ako kovanie v zápustke, ale režim deformácie udeľuje obvodový tok zŕn, čo je výhodné pre ložiskové dráhy a príruby vystavené namáhaniu obruče.

Aké dokončovacie kroky sú nevyhnutné pre titánové výkovky?

Brúsením sa odstráni kyslíkom obohatené puzdro α a opracovaním sa odstránia všetky zostávajúce okoviny alebo oduhličenie. Časti sú potom tepelne ošetrené, v prípade potreby narovnávané a pred prijatím testované penetračným činidlom alebo ultrazvukom.