Što uključuje proces kovanja titana? Koraci, temperature i oprema

Kovana prirubnica od legure titana (TC4) za brodski pogonski sustav sletjela je na ispitnu klupu sa specifikacijom kovanja koja je dopuštala samo 15°C odstupanja u temperaturi gredice tijekom dvosatnog namakanja. Ta vrsta tolerancije nije izuzetak u kovanju titana; to je normalna radna disciplina. Budući da se konačna mikrostruktura titana, mehanička svojstva i cijena uvelike određuju u kovačnici, svaki kupac ili inženjer koji specificira kovanje titana trebao bi točno razumjeti što proces uključuje.

Što uključuje proces kovanja titana

Proces kovanja titana uključuje zagrijavanje trupca ili ingota titana na preciznu temperaturu—obično između 850°C i 1050°C ovisno o leguri—a zatim plastično deformiranje pod kontroliranom brzinom deformacije pomoću hidrauličke preše ili čekića, nakon čega slijedi kontrolirano hlađenje, toplinska obrada i strojna obrada.

Za razliku od čelika, legure titana nude uzak temperaturni raspon koji se može deformirati. Ako izradak prelazi β-transus, mogu se formirati gruba β zrna koja se ne mogu pročistiti naknadnom toplinskom obradom. Ako je prehladno, naprezanje tečenja naglo raste i može doći do pucanja. Zbog toga kovanje titana zahtijeva kontrolu peći u zatvorenom krugu, digitalnu pirometriju i preše sposobne za točnu regulaciju brzine cilindra.

Prozor kritične temperature za kovanje titana

Kovanje titana prije svega je zadatak kontrole topline. Ispravna temperatura obrade razlikuje se ovisno o klasi legure, ali svaka legura titana ima jednu tvrdu granicu: β-transus.

Za α-β legure kao što je Ti-6Al-4V, α-β kovanje se provodi 30-80°C ispod β-transusa, obično na 900-980°C. Ovo proizvodi bimodalnu mikrostrukturu s dobrim istezanjem i otpornošću na zamor. β kovanje, iznad transusa, daje veću otpornost na puzanje, ali manju vlačnu duktilnost i odabire se samo za specifične rotirajuće dijelove u mlaznim motorima ili energetskim turbinama.

Grijanje mora biti ravnomjerno. Toplinska vodljivost titana otprilike je jedna trećina one od čelika, što znači da debeli dijelovi mogu pokazivati ​​ozbiljne temperaturne gradijente. Vrijeme namakanja obično je postavljeno na 1 minutu po 25 mm poprečnog presjeka, nakon čega slijedi provjera termoelementa u proizvodnom kovanju.

Korak po korak proces kovanja titana

Tipični ciklus kovanja titana s otvorenim kalupom ili prstenastim valjanjem slijedi šest ponovljivih faza, od kojih svaka ima svoje rizike kvara.

1. Izbor i kondicioniranje materijala: Gredica je ingot ili poluga zrakoplovne kvalitete. Površinske nedostatke brusimo u potpunosti, jer će se zaostala pukotina otvoriti tijekom kovanja.
2. Predgrijavanje: Titan se puni u peć postavljenu na 50-100°C ispod ciljne temperature kovanja. Drži se tamo kako bi se izbjegao toplinski udar, a zatim se podiže na radnu temperaturu s periodom namakanja.
3. Prva deformacija (uznemirivanje ili blokiranje): Preša primjenjuje polaganu, kontinuiranu kompresiju. Cilj je razbiti lijevanu strukturu i započeti rekristalizaciju, a ne postići gotovo neto oblik.
4. Više prolaza s podgrijavanjem: Za razliku od čelika, titan ne može izdržati dugo kovanje na otvorenom. Svaki prolaz traje samo nekoliko sekundi, a komad se vraća u peć kada površinska temperatura padne ispod donje granice.
5. Kontrola temperature kalupa i alata: Kontakt s hladnim kalupima uzrokuje ohlađeni sloj na površini titana. U naprednom kovanju, matrice se prethodno zagrijavaju na 250-400°C i podmazuju premazima na bazi stakla kako bi se spriječilo lijepljenje i ozbiljno hlađenje.
6. Završno oblikovanje i obrezivanje: Posljednji prolaz dovodi dio blizu konačnih dimenzija. Bljesak, ako ga ima, uklanja se dok je metal još topao, a dio se prenosi izravno na kontrolirano hlađenje ili uređaj s ograničenim naprezanjem.

Oprema i kontrola brzine naprezanja

Preše, a ne čekići, primarna su oprema za kontrolu kretanja titanskog otvorenog kovanja. Preša može držati sporu, stalnu brzinu udarca, dok čekić daje udarce velike brzine deformacije koji mogu izazvati adijabatske trake smicanja u titanu.

U tvrtki Maiterio Intelligent Equipment, linije za kovanje s otvorenim kalupom koriste hidrauličke preše s brzinama cilindra ispod 10 mm/s za titan. Za prstenaste dijelove od titana, valjaonice za prstene proizvode bešavne valjane prstenove s boljim protokom zrna od strojno obrađenih šipki. Izbor između preše, čekića i prstenastog valjka utječe na mikrostrukturu — spora deformacija potiče globularni α, dok brza deformacija riskira pucanje na granicama zrna.

Maiterioove linije za kovanje s otvorenim kalupom obrađuju titan i druge visokotemperaturne legure za zahtjevne kupce, često uparene s unutarnjom grubom strojnom obradom za kontrolu tolerancija.

Dijelovi otvorenog kovanja za titan i visokotemperaturne legure Ova tvornica opskrbljuje kovane osovine, zupčanike, diskove i cilindre za metaluršku, energetsku, rudarsku i građevinsku opremu, s unutarnjom grubom strojnom obradom za kontrolu tolerancija. Pogledajte proizvod →

Otkovci od posebnog materijala od aluminija i nehrđajućeg čelika Istražite prilagođene otkivke izrađene od razreda poput aluminija 6061, 7075, 5083 i nehrđajućeg čelika 304, 316, 17-4PH, prikladne za zahtjevne primjene visokotemperaturnih legura. Pogledajte proizvod →

Toplinska obrada i strojna obrada nakon kovanja

Nakon kovanja, dijelovi od titana se ne kale kao čelik. Hlade se na mirnom zraku, zatim se podvrgavaju specifičnom ciklusu toplinske obrade na temelju legure i željene klase čvrstoće.

Za Ti-6Al-4V, žarenje se izvodi na 700–850°C, nakon čega slijedi hlađenje zrakom. Obrada otopinom i starenje na 900–960°C, a zatim na 480–600°C, daju veću čvrstoću uz određenu žrtvu u žilavosti loma. Budući da titan reagira s kisikom iznad 650°C, svaka toplinska obrada mora se provoditi u kontroliranoj atmosferi ili sa zaštitnim premazima. Površina bez kamenca čuva otpornost materijala na zamor.

Obrada otkivaka od titana također se razlikuje od čelika. Niska toplinska vodljivost metala koncentrira toplinu na oštrici, što dovodi do brzog trošenja alata. Alati od tvrdog metala s visokotlačnim rashladnim sredstvom i malom brzinom vretena su standardni. Maiterio CNC vertikalni i horizontalni tokarski strojevi rutinski se koriste za završnu obradu prstenova i osovina od titana do površinske hrapavosti od Ra 0,8 µm ili bolje.

Kontrola kvalitete titanskih otkovaka

Konačno prihvaćanje titanijskog otkova ovisi o tri neovisne kontrole: mikrostrukturi, ultrazvučnoj čvrstoći i mehaničkim svojstvima.

Procjena mikrostrukture koristi metalografske presjeke urezane Krollovim reagensom kako bi se potvrdilo da α-β obrada nije prešla β-transus. Ultrazvučno ispitivanje otkriva unutarnje šupljine, uključke i pukotine koje su nevidljive golim okom. Ispitivanja vlačne čvrstoće, udarca i tvrdoće potvrđuju da čvrstoća i rastegljivost odgovaraju specifikaciji narudžbe. Osim toga, potpuno dokumentiran lanac sljedivosti od taljenja ingota do konačne strojne obrade potreban je za zrakoplovne i energetske primjene. Maiterio sustav upravljanja kvalitetom slijedi ISO 9001 i 14001, s internim rutinama ispitivanja za visokolegirane materijale.

Često postavljana pitanja

Kako se kovanje titana razlikuje od kovanja čelika?

Kovanje titana zahtijeva uži temperaturni raspon, sporije brzine deformacije, prethodno zagrijane matrice i strožu kontrolu atmosfere u peći. β-transus je tvrda gornja granica za većinu α-β legura, dok čelik nema ekvivalentnu granicu grubljanja zrna za obične ugljične i legirane čelike.

Što je β-transus i zašto je važan?

β-transus je temperatura pri kojoj legura titana postaje potpuno β faza. Prekoračenje čak i za 10°C tijekom kovanja može proizvesti potpuno β strukturu koja se transformira u grube α ploče, smanjujući duktilnost i vijek trajanja od zamora. Procesni inženjeri mjere stvarni transus za svaku šaržu putem diferencijalne toplinske analize.

Mogu li se prstenovi od titana proizvoditi valjanjem prstena?

Da. Bešavni prstenovi od titana se prstenasto valjaju na radijalno-aksijalnim mlinovima. Proces koristi iste termičke kontrole kao i kovanje s otvorenim kalupom, ali način deformacije daje protok zrna po obodu, što je korisno za prstenove ležajeva i prirubnice podvrgnute kolutnom naprezanju.

Koji su završni koraci bitni za otkivke od titana?

Brušenjem se uklanja α kućište obogaćeno kisikom, a strojnom obradom uklanja se sav preostali kamenac ili dekarburizacija. Dijelovi se zatim toplinski obrađuju, ispravljaju ako je potrebno i ispituju penetrantom ili ultrazvučnim ispitivanjem prije prihvaćanja.