Hiệu suất của vật liệu rèn titan GR5 trong quá trình ép thủy lực và rèn búa rèn

Lời nói đầu

Hợp kim titan GR5 có đặc tính toàn diện tốt và có thể được sử dụng trong hàng không vũ trụ, hóa dầu, kỹ thuật hàng hải, giao thông vận tải và các lĩnh vực khác. Với sự phát triển nhanh chóng của ngành hàng không vũ trụ Trung Quốc, nhu cầu rèn hợp kim titan GR5 cũng ngày càng tăng. Vì vậy, việc nghiên cứu rèn hợp kim titan GR5 có ý nghĩa rất lớn.

Rèn là một công nghệ xử lý đặc biệt có thể cải thiện đáng kể độ bền và độ cứng của vật liệu kim loại. Nó có ưu điểm là hiệu quả sản xuất cao, chi phí sản xuất thấp và chất lượng sản phẩm tốt. Với sự phát triển và tiến bộ của công nghệ rèn, công nghệ rèn cũng không ngừng phát triển. và sự hoàn hảo.

Trong những năm gần đây, việc rèn hợp kim titan ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và yêu cầu về hiệu suất của chúng ngày càng cao hơn. Làm thế nào để chuẩn bị vật liệu rèn hợp kim titan GR5 chất lượng cao, hiệu suất cao đã trở thành một vấn đề cấp bách trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.

Quy trình sản xuất rèn hợp kim titan

Hợp kim titan là vật liệu kim loại có đặc tính toàn diện tuyệt vời. Do mật độ thấp, cường độ riêng cao và khả năng chống ăn mòn tốt, nó được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, kỹ thuật hàng hải và các lĩnh vực khác. Hiện nay, quy trình sản xuất hợp kim titan chủ yếu bao gồm rèn và đúc, trong đó rèn được chia thành rèn nguội và rèn nóng.

Rèn nguội sử dụng búa rèn để tấn công theo chiều dọc các vật rèn hợp kim titan ở nhiệt độ phòng, làm cho kim loại chảy chậm và đều dọc theo chiều dài rèn, để tạo thành một cấu trúc vi mô đồng nhất bên trong vật rèn. Ưu điểm của rèn nguội là thiết bị đơn giản, phạm vi nhiệt độ rèn rộng, phù hợp cho sản xuất hàng loạt và chi phí sản xuất thấp; nhược điểm là quá trình rèn phức tạp, khả năng chống biến dạng cao và thời gian rèn lâu.

 

Rèn nóng đề cập đến sự hình thành một số lượng lớn các khuyết tật cấu trúc và vi cấu trúc, chẳng hạn như martensite, ferrite, v.v., bên trong quá trình rèn thông qua quá trình ép đùn nóng, rèn đẳng nhiệt, chuẩn hóa đẳng nhiệt và các quá trình khác. Ưu điểm của rèn nóng là thiết bị đơn giản và khả năng chịu được lực biến dạng lớn và nhiệt độ biến dạng; nhược điểm là chu kỳ sản xuất dài và hiệu quả sản xuất thấp.

Trong quá trình rèn hợp kim titan GR5, do hệ số giãn nở nhiệt của nó khác với vật liệu kim loại truyền thống nên nó có phạm vi nhiệt độ rèn rộng và đặc tính xử lý nóng tốt.

Do đó, vật rèn hợp kim titan GR5 thường được sản xuất bằng cách rèn. Để đảm bảo chất lượng của vật rèn hợp kim titan GR5, chúng thường được nung nóng đến một phạm vi nhiệt độ xử lý trước khi được rèn bằng máy ép.

Để rèn nóng hợp kim titan, hiện có hai phương pháp chính: một là đưa chi tiết đã rèn vào lò nung nóng và nung đến nhiệt độ quy trình trước khi rèn; cách còn lại là rèn nóng hợp kim titan thông qua rèn khuôn nóng. Trong số đó, rèn khuôn nóng đề cập đến một phương pháp trong đó hợp kim titan đã được nung nóng đến nhiệt độ quy trình được đặt vào khuôn và được hình thành thông qua khuôn.

Ưu điểm của rèn khuôn nóng là khả năng chống biến dạng nhỏ và biến dạng đồng đều, có thể làm giảm các khuyết tật bên trong của vật rèn và cải thiện chất lượng và hiệu suất của vật rèn; nhược điểm là nó đòi hỏi độ chính xác về kích thước và hình dạng của vật rèn cao.

Có ba phương pháp rèn khuôn nóng chính của hợp kim titan: một là rèn liên tục, sử dụng máy móc để rèn liên tục, đây cũng là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay; cái còn lại là rèn bán liên tục, có nghĩa là vật rèn quay trong khuôn, nhưng chúng không thể thực hiện rèn liên tục; thứ ba là rèn tự do, nghĩa là trong quá trình rèn không có chuyển động quay nào được thực hiện, nhưng quá trình rèn có thể bị uốn cong.

Quan sát và phân tích tổ chức

Quan sát cấu trúc kim loại của vật rèn hợp kim titan GR5, có thể thấy cấu trúc của phần thô sau khi rèn là martensite gần như cột tròn + một lượng nhỏ austenite được giữ lại, trong khi cấu trúc của vật rèn là martensite gần như cột tròn + một lượng nhỏ của austenite được giữ lại. Có sự khác biệt rõ ràng giữa hai thân và phôi có độ co bên lớn sau khi rèn, dẫn đến sự khác biệt về kích thước bên của vật rèn.

Trong quá trình rèn, do nhiệt độ cao của máy ép thủy lực, hợp kim nhiệt độ cao được nung nóng nhanh đến trên 1000 độ, dẫn đến tốc độ gia nhiệt rèn quá mức, quá trình làm nguội không đủ và oxy hóa bề mặt.

Đồng thời, nhiệt độ rèn quá cao cũng dẫn đến biến dạng quá mức trong quá trình rèn của máy ép thủy lực, và quá trình oxy hóa và khử cacbon xảy ra trong quá trình gia nhiệt tiếp theo. Hai lý do này dẫn đến sự khác biệt lớn về kích thước bên của vật rèn.

Phân tích cấu trúc vi mô của vật rèn cho thấy tốc độ làm mát trong quá trình rèn là tương đối lớn, trong khi tốc độ làm mát của phôi sau khi rèn máy thủy lực là tương đối nhỏ. Sự tăng nhiệt độ quá mức trong quá trình rèn dẫn đến sự khác biệt lớn về kích thước ngang của vật rèn. Đồng thời, trong quá trình rèn, các hạt rèn cũng phát triển ở các mức độ khác nhau.

Do tốc độ làm nguội nhanh của phôi sau khi rèn, kích thước hạt của quá trình rèn rất khác nhau. Kích thước hạt của vật rèn trong quá trình rèn lớn hơn đáng kể so với kích thước hạt của phôi sau khi rèn bằng máy thủy lực; cấu trúc vi mô được tạo ra trong quá trình rèn chủ yếu là gần tròn và cột. Martensite + một lượng nhỏ austenite giữ lại; Trong quá trình rèn, các hạt rèn thô và phân bố không đều.

Do nhiệt độ rèn cao, hợp kim titan GR5 có độ bền và độ cứng cao ở nhiệt độ phòng, trong khi nhiệt độ rèn quá thấp, dẫn đến khả năng biến dạng dẻo không đủ, khả năng làm nguội và oxy hóa không đủ.

Ngoài ra, do nhiệt độ gia nhiệt cao của máy ép thủy lực, quá trình oxy hóa xảy ra trong quá trình rèn và lớp oxit xuất hiện trên bề mặt của phôi rèn cuối cùng.

Thí nghiệm tính chất kéo

Đặc tính kéo ở nhiệt độ phòng của hợp kim titan GR5 bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm thành phần hợp kim, kích thước hạt, tốc độ biến dạng, mức độ biến dạng, v.v.

Trước hết, đường kính của vật rèn thường nhỏ hơn đường kính của thanh cán nóng. Nhiệt độ biến dạng thấp hơn trong quá trình gia nhiệt rèn và rất khó kiểm soát mức độ biến dạng trong quá trình biến dạng. Do đó, đặc tính kéo của vật rèn bị ảnh hưởng rất nhiều bởi vật liệu cơ bản và quá trình rèn. Trong cùng điều kiện, đặc tính kéo của hợp kim titan GR5 được rèn bằng máy ép thủy lực tốt hơn so với đặc tính được rèn bằng búa rèn, nhưng có một vấn đề quan trọng trong quá trình rèn búa rèn - biến dạng nén nóng.

Do quá trình rèn của máy ép thủy lực có một mức độ gia nhiệt và làm mát nhất định nên nhiệt độ biến dạng và tốc độ biến dạng có thể được kiểm soát tốt hơn trong quá trình xử lý nhiệt, do đó đảm bảo độ dẻo cao hơn. Do nhiệt độ gia nhiệt thấp hơn và tốc độ làm nguội nhanh hơn trong quá trình rèn búa nên độ dẻo của vật rèn không tốt bằng vật rèn ép thủy lực.

Trong cùng điều kiện, việc rèn có thể cải thiện đáng kể tính chất kéo của hợp kim titan GR5 hơn so với rèn búa. Đối với vật liệu rèn hợp kim titan GR5 có cùng thông số kỹ thuật, đặc tính kéo của rèn ép thủy lực tốt hơn so với rèn búa rèn; trong cùng điều kiện, rèn búa rèn có thể cải thiện đáng kể tính chất kéo của hợp kim titan GR5 so với rèn ép thủy lực.

Khi cường độ năng suất như nhau, đặc tính kéo sau khi rèn của hợp kim titan GR5 được rèn bằng máy ép thủy lực sẽ tốt hơn so với hợp kim titan GR5 được rèn bằng búa rèn. Điều này là do máy ép thủy lực có ứng suất dư bên trong nhỏ do các yếu tố như biến dạng nhỏ, nhiệt độ biến dạng thấp và tốc độ biến dạng chậm; và đặc tính chịu kéo của hợp kim titan GR5 được rèn bằng búa rèn sau khi rèn tốt hơn so với đặc tính sau khi rèn bằng máy ép thủy lực.

Điều này là do khi rèn bằng búa rèn, ứng suất dư lớn được tạo ra trong quá trình rèn và đóng búa, gây ra ứng suất kéo lớn bên trong vật liệu, dẫn đến biến dạng dẻo lớn của vật liệu; trong khi khi rèn bằng máy ép thủy lực, trong quá trình rèn Kim loại ở trạng thái chảy tự do và không có ứng suất dư bên trong vật liệu, do đó đảm bảo mức độ biến dạng dẻo của vật liệu.

Phân tích kết quả thực hiện thử nghiệm cơ học

Giá trị độ bền và độ giãn dài của mẫu hợp kim titan GR5 sau khi rèn bằng máy ép thủy lực lớn hơn so với sau khi rèn bằng búa rèn. Điều này là do một số lượng lớn các nguyên tố tạp chất được tạo ra bên trong quá trình rèn trong quá trình rèn và sự hiện diện của các nguyên tố tạp chất này khiến hợp kim titan GR5 bị biến dạng. Kết tinh lại nghiêm trọng.

Trong quá trình cán, do áp suất cán lớn nên hiện tượng tập trung ứng suất là rõ ràng. Một số nguyên tố tạp chất được ép đùn vào bên trong hợp kim titan GR5 và tạo thành pha giàu Ti thô trên ranh giới hạt, khiến một lượng lớn năng lượng được tạo ra bên trong quá trình rèn. Các vị trí lệch và chỗ trống tạo điều kiện cho hợp kim titan GR5 bị biến dạng thêm.

Giá trị độ bền của mẫu hợp kim titan GR5 sau khi rèn bằng búa rèn thấp hơn mẫu sau khi rèn bằng máy ép thủy lực. Điều này là do một số lượng lớn các sai lệch và chỗ trống được hình thành bên trong quá trình rèn trong quá trình rèn búa rèn và các hạt nhỏ được hình thành trên ranh giới hạt. Pha giàu Ti gây ra sự kết tinh lại rõ ràng của hợp kim titan GR5.

Có thể thấy, đặc điểm đứt gãy của mẫu hợp kim titan GR5 sau khi rèn bằng búa rèn là: chủ yếu là gãy dẻo, bổ sung là gãy giòn cục bộ.

Điều này là do áp suất rèn cao trong quá trình rèn búa rèn, khiến một số nguyên tố tạp chất hình thành các pha giàu Ti thô trên ranh giới hạt. Đồng thời, một số lượng lớn các sai lệch và chỗ trống được tạo ra trong quá trình rèn búa rèn, gây ra những thay đổi rõ ràng trong hợp kim titan GR5. hiện tượng kết tinh lại.

Do nhiệt độ rèn thấp và tốc độ rèn nhanh trong quá trình rèn búa, một số lượng lớn nguồn vết nứt, lỗ chân lông và các yếu tố khiếm khuyết khác được tạo ra bên trong vật liệu, dẫn đến sự kết tinh lại rõ ràng của hợp kim titan GR5.

Triển vọng ứng dụng và hướng phát triển

Hợp kim titan GR5 được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, thiết bị y tế, giao thông vận tải và các lĩnh vực khác do tính chất toàn diện tuyệt vời của nó. Đặc biệt trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, hợp kim titan GR5 đã trở thành vật liệu chính.

Hợp kim titan GR5 có ưu điểm là mật độ thấp, cường độ riêng cao và độ cứng riêng, khả năng chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn. Nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các bộ phận kết cấu quan trọng như cánh quạt máy bay, đuôi, khung gia cố thân máy bay và thùng nhiên liệu chính và phụ.

Vì hợp kim titan GR5 có độ bền và độ dẻo cao hơn ở nhiệt độ phòng nên cần phải xử lý bằng dung dịch trong quá trình rèn để cải thiện các đặc tính của nó. Tuy nhiên, cấu trúc của hợp kim titan GR5 sẽ phân bố không đồng đều trong quá trình rèn và pha thô sẽ được hình thành trong quá trình làm mát, dẫn đến giảm tính chất cơ học của hợp kim.

Để cải thiện cấu trúc rèn của hợp kim titan GR5, hiện nay có hai phương pháp thường được sử dụng: một là thực hiện xử lý dung dịch rắn trước khi rèn, chẳng hạn như rèn khuôn nóng ép thủy lực; cách khác là thực hiện xử lý dung dịch rắn trong quá trình rèn, chẳng hạn như rèn búa rèn.

Trong thực tế sản xuất, do thiết bị xử lý rèn búa rèn phức tạp, vận hành khó khăn và chi phí sản xuất cao, rèn khuôn nóng ép thủy lực hiện là một quy trình được sử dụng phổ biến hơn.

So với rèn khuôn nóng ép thủy lực, chất lượng bề mặt của rèn búa rèn đã được cải thiện rất nhiều, các hạt mịn hơn và đồng đều hơn, và khuôn rèn khuôn có đường kính lớn có thể được sử dụng để sản xuất. Tuy nhiên, hiệu quả sản xuất búa rèn thấp và giá thành sản xuất cao. Nó chưa thay thế hoàn toàn quy trình rèn khuôn nóng ép thủy lực.

Trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ rèn búa rèn và nghiên cứu về công nghệ và thiết bị rèn, có thể dự đoán rằng hiệu quả sản xuất và chất lượng của búa rèn rèn sẽ được cải thiện rất nhiều.

Trong sản xuất thực tế, do một lượng lớn nhiệt, lực và tải trọng va đập sẽ được tạo ra trong quá trình rèn, nên cần nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình rèn đẳng nhiệt đến cấu trúc, tính chất cơ học và tuổi thọ cơ học của vật rèn thông qua các thí nghiệm mô phỏng nhiệt, và có được các thông số quy trình thích hợp để đảm bảo chất lượng rèn.

Do hiệu quả sản xuất cao và yêu cầu thiết bị thấp của quá trình rèn búa rèn, trong tương lai chúng ta có thể thử sử dụng búa rèn để sản xuất các bộ phận kết cấu quan trọng trong hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác, như đuôi máy bay, thùng nhiên liệu chính và phụ, khung gia cố thân máy bay và các bộ phận kết cấu quan trọng khác. Đối với một số vật rèn lớn trong lĩnh vực dân sự nói chung, do kích thước lớn nên rất khó sản xuất bằng quy trình rèn búa rèn.

Ý kiến ​​của tác giả

Với sự phát triển của ngành hàng không vũ trụ nước tôi, yêu cầu chất lượng đối với vật rèn hợp kim titan ngày càng cao hơn và quá trình rèn cũng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng vật rèn.

Tuy nhiên, với sự phát triển của máy ép thủy lực và búa rèn ở nước ta, ứng dụng của chúng ngày càng trở nên phổ biến. Tuy nhiên, do giá búa rèn tương đối cao và quy trình rèn phức tạp nên hầu hết các công ty hàng không vũ trụ trong nước đều ưu tiên lựa chọn máy ép thủy lực để hoàn thiện sản phẩm. Sản xuất, nhưng với sự gia tăng số lượng máy ép thủy lực, quy trình và chất lượng rèn của nó cũng được cải thiện rất nhiều.

Đồng thời, do các thông số rèn có thể được điều chỉnh theo nhu cầu trong quá trình rèn nên quá trình rèn ngày càng trở nên linh hoạt hơn. Tuy nhiên, hiện tại, công nghệ và thiết bị ép thủy lực trong nước của Trung Quốc chưa thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu rèn trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Vì vậy, sự phát triển của lĩnh vực hàng không vũ trụ đòi hỏi phải rèn luyện. Nhu cầu về công nghệ cũng sẽ tăng lên.

người giới thiệu
1. Yao Weidong: Nghiên cứu quá trình rèn và tính chất vi cấu trúc của vật rèn hợp kim titan GR5. "Tạp chí Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Bắc Kinh", 2017,18 (01): 1036-1037.
2. He Xiaolin: Nghiên cứu đặc tính gia công nóng của vật rèn hợp kim titan trong quá trình rèn. "Rèn Trung Quốc", 2015 (11): 59-60.
3. Wei Guoli: Hiện trạng và xu hướng phát triển sản xuất rèn hợp kim titan quy mô lớn ở nước tôi. "Công nghệ bảo vệ vật liệu", 2018 (05): 23-26.