Làm thế nào để tạo ra một lò rèn titan?

Trong-sản xuất cao cấp và gia công chính xác, vật liệu rèn titan, nhờ độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và đặc tính nhẹ, đã trở thành vật liệu cốt lõi cho các bộ phận quan trọng như cánh động cơ hàng không-và các bộ phận kết cấu tàu vũ trụ. Là thiết bị cốt lõi trong quá trình rèn, lò rèn titan phải được thiết kế để khớp chính xác với các đặc tính vật lý của hợp kim titan-độ dẫn nhiệt thấp, khả năng chống biến dạng cao và độ nhạy oxy hóa nhiệt độ-cao. Từ hệ thống gia nhiệt đến cấu trúc khuôn, từ kiểm soát nhiệt độ đến quy trình bôi trơn, mọi khía cạnh đều phải vượt qua ranh giới kỹ thuật của việc rèn kim loại truyền thống để đạt được sự biến dạng dẻo hoàn hảo của hợp kim titan.

Cửa sổ nhiệt độ rèn hẹp và độ nhạy cực cao đối với quá trình oxy hóa của hợp kim titan trực tiếp xác định logic thiết kế cốt lõi của hệ thống gia nhiệt lò rèn titan. Việc rèn thép carbon truyền thống có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng 800-1200 độ , trong khi nhiệt độ rèn tối ưu cho hợp kim titan (chẳng hạn như TC4) tập trung trong khoảng 900-950 độ ; vượt quá phạm vi này 20 độ có thể dẫn đến hạt thô hoặc nứt. Do đó, lò rèn titan yêu cầu công nghệ kiểm soát nhiệt độ hai vùng: vùng gia nhiệt chính làm nóng phôi chính xác đến nhiệt độ mục tiêu bằng cách sử dụng dây điện trở hoặc cuộn cảm ứng, trong khi vùng giữ duy trì nhiệt độ đồng đều thông qua không khí nóng tuần hoàn, với chênh lệch nhiệt độ được kiểm soát trong phạm vi ±5 độ. Ví dụ, lò rèn titan được sử dụng bởi một công ty rèn hàng không vũ trụ, khi nung phôi titan φ600mm, sử dụng đường cong gia nhiệt phân đoạn (gia nhiệt ở 300 độ/h đến 600 độ, sau đó ở 150 độ/h đến 950 độ), kết hợp với phản hồi thời gian thực từ nhiệt kế hồng ngoại, giảm chênh lệch nhiệt độ giữa tâm phôi và bề mặt từ 80 độ/h đến 15 độ thông thường, giảm đáng kể các vết nứt bên trong do nhiệt kế hồng ngoại gây ra. căng thẳng nhiệt.

Thiết kế hệ thống khuôn là chìa khóa để khắc phục các điểm nghẽn kỹ thuật trong lò rèn titan. Hợp kim titan có tính lưu động kém và độ nhớt cao; khuôn rèn thông thường dễ bị chảy ngược kim loại hoặc dính do ma sát quá mức. Do đó, khuôn lò rèn titan yêu cầu cấu trúc hai-lớp: lớp bên trong là hợp kim nhiệt độ cao- gốc niken (chẳng hạn như hợp kim K3), có khả năng chịu được nhiệt độ lên tới 1000 độ và không phản ứng hóa học với hợp kim titan; lớp ngoài là khung thép carbon, được làm mát bằng kênh tuần hoàn nước giúp khuôn không bị mềm do nhiệt độ cao kéo dài. Bán kính góc của khuôn cần lớn hơn 30% so với khuôn rèn thép để giảm sự tập trung ứng suất; độ nhám bề mặt của khoang khuôn cần được kiểm soát dưới Ra0,8μm và chất bôi trơn gốc nước{10}}than chì được phun để giảm hệ số ma sát từ 0,5 xuống 0,05. Một công ty đã phát triển khuôn rèn đẳng nhiệt để sản xuất lưỡi hợp kim titan TC11. Bằng cách ổn định nhiệt độ khuôn ở 920 độ (chênh lệch nhiệt độ so với phôi nhỏ hơn hoặc bằng 30 độ) và sử dụng máy ép thủy lực 500 tấn để ép đùn chậm (tốc độ biến dạng 0,5mm/s), dòng rèn liên tục đã được cải thiện thành công lên 98%, vượt xa 75% của phương pháp rèn thông thường.

Việc nâng cấp thông minh hệ thống kiểm soát nhiệt độ là một khía cạnh cốt lõi khác của việc lặp lại công nghệ lò rèn titan. Dưới 850 độ, khả năng chống biến dạng của hợp kim titan tăng theo cấp số nhân; ví dụ, khả năng chống biến dạng của hợp kim TC4 ở 700 độ gấp bốn lần ở 950 độ. Do đó, lò rèn titan cần tích hợp các mô-đun điều khiển nhiệt độ nhiều{6}}giai đoạn: giai đoạn gia nhiệt sử dụng thuật toán PID để kiểm soát chính xác tốc độ gia nhiệt; giai đoạn rèn sử dụng giám sát kép với nhiệt kế hồng ngoại và cặp nhiệt điện để điều chỉnh công suất gia nhiệt theo thời gian thực; và giai đoạn làm mát sử dụng làm mát không khí theo giai đoạn (làm mát nhanh đầu tiên ở 600 độ, sau đó làm mát tự nhiên ở 300 độ) để tránh kết tủa pha -bất thường do làm mát quá nhanh. Một lò rèn titan thông minh do một viện nghiên cứu phát triển, bằng cách nhúng 12 bộ cảm biến nhiệt độ và thuật toán AI, đã giảm phạm vi dao động nhiệt độ rèn từ ±15 độ xuống ±3 độ, tăng độ bền kéo ở nhiệt độ phòng của vật rèn hợp kim titan TC18 từ 1100MPa đến 1250MPa và độ giãn dài từ 8% lên 12%.

Từ đĩa tuabin trong động cơ máy bay-đến thân áp suất trong tàu ngầm biển- sâu, những đột phá về công nghệ trong lò rèn titan đang định hình lại ranh giới của ngành sản xuất-cao cấp. Giá trị cốt lõi của nó không chỉ nằm ở việc đạt được độ chính xác hình thành của hợp kim titan mà còn ở việc giải phóng tiềm năng tối thượng của các đặc tính vật liệu thông qua việc phối hợp kiểm soát nhiệt độ, ứng suất và bôi trơn. Với sự tích hợp sâu của các công nghệ mô phỏng số (chẳng hạn như DEFORM-3D) và Internet công nghiệp, các lò rèn titan đang chuyển từ "theo kinh nghiệm" sang "theo hướng dữ liệu", cung cấp sự đảm bảo quy trình đáng tin cậy hơn cho việc ứng dụng hợp kim titan trong các môi trường khắc nghiệt. Sự tương tác chính xác giữa nhiệt độ và lực này cuối cùng sẽ thúc đẩy hoạt động sản xuất của Trung Quốc hướng tới độ chính xác cao hơn và độ tin cậy cao hơn.