Analyse des Schmiedensprozesses der Titan -Legierung in der Luftfahrtindustrie

Mit der rasanten Entwicklung der chinesischen Volkswirtschaft, Wissenschaft und Technologie hat die Luft- und Raumfahrtindustrie in den letzten Jahren neue Chancen erlebt, insbesondere nach der Gründung des nationalen "großen Flugzeug" -Projekts. Die Industrie für Zivilluftfahrt wird mit breiten Entwicklungsaussichten zu einem neuen Wirtschaftswachstumstreiber führen. Um die Fortschritte, Zuverlässigkeit und Anwendbarkeit von Flugzeugen kontinuierlich zu verbessern und die internationale Marktwettbewerbsfähigkeit von im Inland produzierten Flugzeugen zu erhöhen, werden die Anforderungen an die Auswahl der Luft- und Raumfahrtmaterialien immer strenger. Titanlegierungen sind aufgrund ihrer geringen Dichte, hohen Festigkeit und hervorragenden Wärme- und Korrosionsbeständigkeit zum Hauptmaterial für moderne Flugzeugstrukturkomponenten geworden. Unter ihnen werden TC4 (Ti-6AL-4V) und TB6-Titanlegierungen in der Herstellung von Luft- und Raumfahrt häufig verwendet.

Klassifizierung von Titanlegierungen und Schmiedetechniken
Basierend auf der Raumtemperaturmikrostruktur können Titanlegierungen in drei Typen eingeteilt werden: α -Legierungen, α+β -Legierungen und β -Legierungen. Die heiße Plastizität und die Verformungsgeschwindigkeit von α- und α+β -Legierungen sind nicht signifikant beeinflusst, während β -Legierungen eine gute Versicherbarkeit aufweisen, aber bei niedrigen Temperaturen α -Phasenausfälle verursachen können. Die Schmiedetechniken von Titanlegierungen können in herkömmliche Schmiede und Hochtemperaturschmiede eingeteilt werden, basierend auf der Beziehung zwischen Schmiedenstemperatur und β-Transformationstemperatur.

2.1 Konventionelle Schmiede von Titanlegierungen

Häufig verwendete deformierbare Titanlegierungen werden normalerweise unter die β -Transformationstemperatur geschmiedet, die als herkömmliches Schmieden bezeichnet wird. Gemäß der Heiztemperatur des Billet in der Phasenregion (α+β) kann es weiter in das Schmieden der oberen Zweiphasenregion und die Schmieden von zweiphasigen Regionen in der oberen Zweiphase unterteilt werden.

2.1.1 Niedriger Zwei-Phasen-Region Region Region

Eine niedrigere Zweiphasenregion-Schmieden wird im Allgemeinen bei 40-50 ° C unterhalb der β-Transformationstemperatur durchgeführt, wobei die primären α- und β-Phasen gleichzeitig an Deformation beteiligt sind. Niedrigere Verformungstemperaturen führen zu einer höheren Menge an α -Phase, die an der Deformation beteiligt ist. Im Vergleich zur Verformung in der β-Region wird der Rekristallisationsprozess der β-Phase in der unteren Zweiphasenregion signifikant beschleunigt, was zur Bildung neuer β-Körner nicht nur an den ursprünglichen β-Korngrenzen, sondern auch innerhalb der β-Zwischenschicht zwischen α-Lamellen führt. Die mit diesem Prozess erzeugten Schmiedungen weisen eine hohe Stärke und eine gute Duktilität auf, aber es besteht immer noch Potenzial zur Verbesserung der Frakturzähigkeit und der Kriechleistung.

2.1.2 obere Zwei-Phasen-Region Region Schmieden

Diese Technik beinhaltet das anfängliche Schmieden bei Temperaturen 10-15 ° C unterhalb des Phasentransformationspunkts β/(α+β). Die resultierende Mikrostruktur enthält einen höheren Anteil der β -Transformationsstruktur, der die Kriechwiderstand und die Frakturzähigkeit der Titanlegierung verbessert und ein Gleichgewicht zwischen Plastizität, Festigkeit und Zähigkeit beeinträchtigt.

2.2 Hochtemperaturschmiede von Titanlegierungen

Auch als "β-Schmieding" bekannt, kann dies in zwei Arten unterteilt werden: Der erste Typ beinhaltet das Erhitzen des Billets in die β-Region, startet und vervollständigt den Schmiedenprozess in der β-Region, während der zweite Typ, der als "Sub-β-Schmieden" bekannt ist, die Erwärmung der Billet in die β-Region in der Initiierung in der β-Region und die Kontrolle einer signifikanten Deformation beinhaltet. Im Vergleich zur Zwei-Phasen-Region Forging kann das Schmieden von β höhere Kriechstärke, Frakturzähigkeit und eine verbesserte Ermüdungsleistung von Titanlegierungen erzielen.

2.3 isothermische Würfelfürchungen von Titanlegierungen

Diese Technik nutzt die Superplastizität und Kriechmechanismen des Materials, um komplexe Schmiedetaten zu erzeugen. Es erfordert das Vorheizen des Würfeles und die Aufrechterhaltung des Reichweite von 760 bis 980 ° C, wobei die Hydraulikpresse einen vorgegebenen Druck ausübt und die Arbeitsgeschwindigkeit der Presse automatisch auf der Grundlage des Verformungswiderstands des Billet eingestellt wird. Viele in Flugzeugen verwendete Schmiedelemente haben dünne Wände und hohe Rippen, wodurch diese Technik für die Herstellung von Luft- und Raumfahrt geeignet ist, z.

Analyse von TC4 -Schmiedefehlern und Prozessverbesserung
3.1 Auftreten und Analyse von TC4 -Schmiedefehlern

Als eine bestimmte Fabrik nach dem Luftfahrtstandard die Produktion von TC4 -Schmiedensstudien durchführte, wurde festgestellt, dass mehrere Leistungsindikatoren für die Schmiedungen uneingeschränkt sind, insbesondere die Indikatorin für "Notch -Stressfraktur" weniger als 5 Stunden. Um dieses Problem anzugehen, begann die Analyse mit der metallographischen Struktur von TC4 und untersuchte dann die Gründe im Schmiedeprozess.

3.1.1 Metallographische Merkmale von TC4

TC4-Titanlegierung ist eine α+β-Titanlegierung mit der Zusammensetzung von Ti-6Al-4V. Seine geglühte Mikrostruktur besteht aus α+β-Phasen, die 6% Aluminium als α-Stabilisierungselement enthalten, und die β-Phase wird durch feste Lösungsverstärkung verstärkt, was zu einer geringen Menge der β-Phase in der getanierten Struktur von ungefähr 7-10% führt.

Der Anteil, Eigenschaften und Formen der Grundphasen α und β in TC4 -Legierung variieren unter unterschiedlichen Wärmebehandlung und heißen Arbeitsbedingungen signifikant. Die β -Transformationstemperatur der TC4 -Legierung beträgt etwa 1000 ° C. Das Erhitzen von TC4 auf 950 ° C und dann führt die Luftkühlung zu einer primären α+β-Transformationsstruktur. Das Erhitzen auf 1100 ° C und dann führt die Luftkühlung zu einer groben, vollständig transformierten β-Phasenstruktur, die als Widmanstätten-Struktur bekannt ist. Die gleichzeitige Erwärmung und Verformung haben einen ausgeprägteren Effekt; Wenn TC4 über der β -Transformationstemperatur erhitzt wird, aber eine kleine Verformung erfährt, bildet es eine Widmanstätten -Struktur. In diesem Prozess nimmt die Plastizität und die Aufprallzählung ab, aber der Kriechwiderstand verbessert sich. Wenn die anfängliche Verformungstemperatur über der β -Transformationstemperatur, jedoch mit ausreichender Deformation liegt, bildet sie eine Netzstruktur. In diesem Fall wird die durch die β-Korngrenzen abgegrenzte α-Phase zerbrochen, und die lamellare α-Phase wird verzerrt und ähnelt einer äquiaxierten feinkörnigen Struktur mit besserer Plastizität, Aufprallzählung und Hochtemperaturkriechleistung. Wenn die Heiztemperatur unter der β -Transformationstemperatur liegt und die Deformation ausreicht, führt dies zu einer gleichzeitigen Struktur, die insgesamt gute Eigenschaften aufweist, insbesondere eine hohe Plastizität und die Aufprallzählung. Wenn auf die Deformation in der α+β-Phase-Region hochtemperaturgegliedert wird, wird eine gemischte Struktur mit guten umfassenden Eigenschaften erhalten.

Basierend auf der obigen Analyse der metallographischen Strukturen kann abgeleitet werden, dass die Leistungsabnahme von TC4 durch zwei Faktoren im Schmiedensprozess verursacht werden kann:

Die Heiztemperatur ist zu hoch und erreicht die β -Transformationstemperatur.
Der Verformungsgrad des Schmiedens ist nicht ausreichend.
3.1.2 Analyse des TC4 -Schmiedenprozesses

Die Schmiedemperatur beeinflusst die Eigenschaften der β -Korngröße und die Raumtemperatur von α+β -Titanlegierungen. Wenn die Temperatur über der β-Transformationstemperatur zunimmt, nimmt die β-Korngröße zu, während sich die Dehnung und die Querschnittsschrumpfung abnehmen, was zu einer verringerten Plastizität führt. Um sicherzustellen, dass TC4 -Schmiedungen gute umfassende Eigenschaften haben, sollte das Schmieden unter der β -Transformationstemperatur durchgeführt werden. Titanlegierungen haben eine hohe Verformungsresistenz, aber eine schlechte thermische Leitfähigkeit. Während des Schmiedens können ein schwerer Durchfluss und ein starkes Hämmern zu lokalisierter Überhitzung und Rekristallisation führen, was zu einer Verschleierung von Getreide und einer verminderten Leistung führt. Aus der obigen Analyse können die möglichen Gründe für die nicht qualifizierte TC4 -Schmiedenleistung vorläufig wie folgt bestimmt werden:

Die Heiztemperatur der Billets ist zu hoch und überschreitet den β -Transformationspunkt.
Der Einfluss der einzelnen Schmiede ist zu schwer, was zu einer übermäßigen Verformung führt und zu lokaler Überhitzung und Rekrist führt