Rendimiento de piezas forjadas de titanio GR5 bajo proceso de forja con prensa hidráulica y martillo de forja

Prefacio

La aleación de titanio GR5 tiene buenas propiedades integrales y puede usarse en los campos aeroespacial, petroquímico, de ingeniería marina, de transporte y otros. Con el rápido desarrollo de la industria aeroespacial de China, también está aumentando la demanda de piezas forjadas de aleación de titanio GR5. Por lo tanto, la investigación sobre piezas forjadas de aleaciones de titanio GR5 es de gran importancia.

La forja es una tecnología de procesamiento especial que puede mejorar significativamente la resistencia y dureza de los materiales metálicos. Tiene las ventajas de una alta eficiencia de producción, un bajo costo de producción y una buena calidad del producto. Con el desarrollo y progreso de la tecnología de forja, la tecnología de forja también se desarrolla constantemente. y perfección.

En los últimos años, las piezas forjadas de aleaciones de titanio se han utilizado cada vez más en el campo aeroespacial y sus requisitos de rendimiento son cada vez más altos. Cómo preparar piezas forjadas de aleación de titanio GR5 de alta calidad y alto rendimiento se ha convertido en un problema urgente en el campo aeroespacial.

Proceso de producción de piezas forjadas de aleación de titanio.

La aleación de titanio es un material metálico con excelentes propiedades integrales. Debido a su baja densidad, alta resistencia específica y buena resistencia a la corrosión, se usa ampliamente en ingeniería aeroespacial, marina y otros campos. En la actualidad, los procesos de fabricación de aleaciones de titanio incluyen principalmente forjado y fundición, de los cuales el forjado se divide en forjado en frío y forjado en caliente.

La forja en frío utiliza un martillo de forja para golpear verticalmente piezas forjadas de aleación de titanio a temperatura ambiente, lo que hace que el metal fluya lenta y uniformemente a lo largo de la pieza forjada, para formar una microestructura uniforme dentro de la pieza forjada. Las ventajas de la forja en frío son un equipo simple, un amplio rango de temperaturas de forja, adecuado para la producción en masa y un bajo costo de producción; las desventajas son el complejo proceso de forjado, la alta resistencia a la deformación y el largo tiempo de forjado.

 

La forja en caliente se refiere a la formación de una gran cantidad de microestructuras y defectos estructurales, como martensita, ferrita, etc., dentro de la forja mediante extrusión en caliente, forja isotérmica, normalización isotérmica y otros procesos. Las ventajas de la forja en caliente son el equipamiento sencillo y la capacidad de soportar grandes fuerzas de deformación y temperaturas de deformación; las desventajas son los largos ciclos de producción y la baja eficiencia de producción.

Durante el proceso de forjado de la aleación de titanio GR5, debido a que su propio coeficiente de expansión térmica es diferente al de los materiales metálicos tradicionales, tiene un amplio rango de temperaturas de forjado y buenas propiedades de procesamiento en caliente.

Por lo tanto, las piezas forjadas de aleación de titanio GR5 generalmente se producen mediante forja. Para garantizar la calidad de las piezas forjadas de aleación de titanio GR5, generalmente se calientan a un rango de temperatura de proceso antes de forjarlas con una prensa.

Para la forja en caliente de aleaciones de titanio, actualmente existen dos métodos principales: uno consiste en colocar la pieza forjada en el horno de calentamiento y calentarla a la temperatura del proceso antes de forjarla; el otro es forjar en caliente la aleación de titanio mediante forjado en caliente. Entre ellos, la forja en caliente se refiere a un método en el que una aleación de titanio que se ha calentado a la temperatura del proceso se coloca en un molde y se forma a través del molde.

Las ventajas de la forja en caliente son una pequeña resistencia a la deformación y una deformación uniforme, lo que puede reducir los defectos internos de las piezas forjadas y mejorar la calidad y el rendimiento de las piezas forjadas; la desventaja es que requiere una alta precisión dimensional y de forma de las piezas forjadas.

Hay tres métodos principales de forja en caliente de aleaciones de titanio: uno es la forja continua, que utiliza maquinaria para forjar continuamente piezas forjadas, que también es el método más utilizado en la actualidad; el otro es el forjado semicontinuo, lo que significa que los forjados giran en el molde, pero no pueden realizar un forjado continuo; el tercero es el forjado libre, es decir, no se realiza ninguna rotación durante el proceso de forjado, pero el forjado se puede doblar.

Observación y análisis organizacional

Al observar la estructura metalográfica de las piezas forjadas de aleación de titanio GR5, se puede ver que la estructura del bruto después de la forja es martensita columnar casi circular + una pequeña cantidad de austenita retenida, mientras que la estructura de la forja es martensita columnar casi circular + una pequeña cantidad. de austenita retenida. Existe una diferencia obvia entre los dos cuerpos, y la pieza en bruto tiene una gran contracción lateral después de la forja, lo que resulta en una diferencia en el tamaño lateral de la forja.

Durante el proceso de forjado, debido a la alta temperatura de la prensa hidráulica, la aleación de alta temperatura se calienta rápidamente por encima de los 1000 grados, lo que resulta en una velocidad excesiva de calentamiento de la forja, un enfriamiento insuficiente y oxidación de la superficie.

Al mismo tiempo, la temperatura excesiva de forjado también provoca una deformación excesiva durante el proceso de forjado de la prensa hidráulica, y se produce oxidación y descarburación durante el calentamiento posterior. Estas dos razones conducen a grandes diferencias en las dimensiones laterales de las piezas forjadas.

El análisis de la microestructura de las piezas forjadas muestra que la velocidad de enfriamiento durante el proceso de forja es relativamente grande, mientras que la velocidad de enfriamiento de la pieza en bruto después de la forja con máquina hidráulica es relativamente pequeña. El aumento excesivo de temperatura durante el proceso de forja da como resultado grandes diferencias en las dimensiones transversales de las piezas forjadas. Al mismo tiempo, durante el proceso de forja, los granos de forja también crecen en distintos grados.

Debido a la rápida velocidad de enfriamiento de la pieza en bruto después de la forja, el tamaño del grano de la forja es muy diferente. El tamaño de grano de la forja durante el proceso de forjado es significativamente mayor que el tamaño de grano de la pieza en bruto después de forjar con una máquina hidráulica; la microestructura producida durante el proceso de forja es principalmente casi circular y columnar. Martensita + una pequeña cantidad de austenita retenida; Durante el proceso de forja, los granos de forja son gruesos y están distribuidos de manera desigual.

Debido a la alta temperatura de forjado, la aleación de titanio GR5 tiene alta resistencia y dureza a temperatura ambiente, mientras que la temperatura de forjado es demasiado baja, lo que resulta en una capacidad de deformación plástica insuficiente, un enfriamiento y una oxidación insuficientes.

Además, debido a la alta temperatura de calentamiento de la prensa hidráulica, se produce oxidación durante el forjado y aparecen incrustaciones de óxido en la superficie de la pieza en bruto forjada final.

Experimento de propiedad de tracción

Las propiedades de tracción a temperatura ambiente de la aleación de titanio GR5 se ven afectadas por muchos factores, incluida la composición de la aleación, el tamaño del grano, la velocidad de deformación, el grado de deformación, etc.

En primer lugar, el diámetro de las piezas forjadas es generalmente menor que el de las barras laminadas en caliente. La temperatura de deformación es menor durante el calentamiento de la forja y es difícil controlar el grado de deformación durante el proceso de deformación. Por lo tanto, las propiedades de tracción de las piezas forjadas se ven muy afectadas por el material base y el proceso de forja. En las mismas condiciones, las propiedades de tracción de la aleación de titanio GR5 forjada con prensa hidráulica son mejores que las forjadas con martillo de forja, pero existe un problema clave durante la forja con martillo: la deformación por compresión en caliente.

Debido a que existe un cierto grado de calentamiento y enfriamiento durante el proceso de forjado de la prensa hidráulica, la temperatura y la velocidad de deformación se pueden controlar mejor durante el tratamiento térmico, asegurando así una mayor plasticidad. Debido a la temperatura de calentamiento más baja y la velocidad de enfriamiento más rápida durante el forjado con martillo, la plasticidad de las piezas forjadas no es tan buena como la de las piezas forjadas con prensa hidráulica.

En las mismas condiciones, la forja puede mejorar significativamente las propiedades de tracción de la aleación de titanio GR5 más que la forja con martillo. Para piezas forjadas de aleación de titanio GR5 de las mismas especificaciones, las propiedades de tracción de la forja con prensa hidráulica son mejores que las de la forja con martillo; En las mismas condiciones, el forjado con martillo puede mejorar significativamente las propiedades de tracción de la aleación de titanio GR5 que el forjado con prensa hidráulica.

Cuando el límite elástico es el mismo, las propiedades de tracción posteriores al forjado de la aleación de titanio GR5 forjada con una prensa hidráulica son mejores que las de la aleación de titanio GR5 forjada con un martillo de forja. Esto se debe a que las forjas de prensas hidráulicas tienen una pequeña tensión residual interna debido a factores como una pequeña deformación, una baja temperatura de deformación y una baja tasa de deformación; y las propiedades de tracción de la aleación de titanio GR5 forjada con un martillo de forja después de la forja son mejores que las de la forja con prensa hidráulica.

Esto se debe a que al forjar con un martillo de forja, se genera una gran tensión residual durante los procesos de forjado y martillado, lo que provoca una gran tensión de tracción dentro del material, lo que resulta en una gran deformación plástica del material; mientras que al forjar con prensa hidráulica, durante el proceso de forja el metal se encuentra en un estado de flujo libre y no hay tensión residual dentro del material, asegurando así el grado de deformación plástica del material.

Análisis de los resultados de rendimiento de las pruebas mecánicas.

El valor de resistencia y el alargamiento de la muestra de aleación de titanio GR5 después de forjar con una prensa hidráulica son mayores que los de forjar con un martillo de forjado. Esto se debe a que se produce una gran cantidad de elementos de impureza dentro de la forja durante el proceso de forjado, y la presencia de estos elementos de impureza hace que la aleación de titanio GR5 se deforme. Recristalización severa.

Durante el proceso de laminación, debido a la gran presión de laminación, el fenómeno de concentración de tensiones es obvio. Algunos elementos de impureza se extruyen en el interior de la aleación de titanio GR5 y forman una fase gruesa rica en Ti en los límites de los granos, lo que provoca que se produzca una gran cantidad de energía dentro de la forja. Las dislocaciones y vacantes proporcionan las condiciones para una mayor deformación de la aleación de titanio GR5.

El valor de resistencia de la muestra de aleación de titanio GR5 después de forjar con un martillo de forja es menor que el de la muestra después de forjar con una prensa hidráulica. Esto se debe a que se forma una gran cantidad de dislocaciones y vacantes dentro de la forja durante el proceso de forjado con martillo, y se forman pequeñas partículas en los límites de los granos. La fase rica en Ti provoca una recristalización evidente de la aleación de titanio GR5.

Se puede ver que las características de fractura de la muestra de aleación de titanio GR5 después de forjar con un martillo de forja son: fractura principalmente dúctil, complementada con fractura frágil local.

Esto se debe a la alta presión de forjado durante el proceso de forjado con martillo, lo que hace que algunos elementos de impureza formen fases gruesas ricas en Ti en los límites de los granos. Al mismo tiempo, se genera una gran cantidad de dislocaciones y vacantes durante el proceso de forja con martillo, lo que provoca cambios obvios en la aleación de titanio GR5. Fenómeno de recristalización.

Debido a la baja temperatura de forjado y la rápida velocidad de forjado durante el forjado con martillo, se genera una gran cantidad de fuentes de grietas, poros y otros elementos defectuosos dentro del material, lo que resulta en una recristalización obvia de la aleación de titanio GR5.

Perspectivas de aplicación y dirección de desarrollo.

La aleación de titanio GR5 se usa ampliamente en la industria aeroespacial, equipos médicos, transporte y otros campos debido a sus excelentes propiedades integrales. Especialmente en el campo aeroespacial, la aleación de titanio GR5 se ha convertido en el material principal.

La aleación de titanio GR5 tiene las ventajas de baja densidad, alta resistencia específica y rigidez específica, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión. Se utiliza ampliamente en la fabricación de piezas estructurales clave, como rotores de aviones, colas, marcos de refuerzo del fuselaje y tanques de combustible principales y auxiliares.

Dado que la aleación de titanio GR5 tiene mayor resistencia y plasticidad a temperatura ambiente, se requiere un tratamiento con solución durante la forja para mejorar sus propiedades. Sin embargo, la estructura de la aleación de titanio GR5 se distribuirá de manera desigual durante el proceso de forja y se formará una fase gruesa durante el proceso de enfriamiento, lo que resultará en una reducción de las propiedades mecánicas de la aleación.

Para mejorar la estructura de forjado de la aleación de titanio GR5, actualmente existen dos métodos comúnmente utilizados: uno es realizar un tratamiento con solución sólida antes de la forja, como el forjado con matriz en caliente con prensa hidráulica; el otro es realizar un tratamiento con solución sólida durante el proceso de forjado, como el forjado con martillo.

En la producción real, debido al complejo equipo de proceso de forjado con martillo, la difícil operación y el alto costo de producción, el forjado con matriz en caliente con prensa hidráulica es actualmente un proceso más utilizado.

En comparación con el forjado con matrices en caliente con prensa hidráulica, la calidad de la superficie de las piezas forjadas con martillo ha mejorado enormemente, los granos son más finos y uniformes, y se pueden utilizar matrices de forja de gran diámetro para la producción. Sin embargo, la eficiencia de producción de las piezas forjadas con martillo es baja y el costo de producción es alto. No ha reemplazado completamente el proceso de forjado en caliente de la prensa hidráulica.

En el futuro, con el desarrollo de la tecnología de forja con martillo y la investigación sobre tecnología y equipos de forja, se puede predecir que la eficiencia de producción y la calidad de las piezas forjadas con martillo mejorarán enormemente.

En la producción real, dado que se generará una gran cantidad de calor, fuerza y ​​carga de impacto durante el proceso de forjado, es necesario estudiar la influencia del forjado isotérmico en la estructura, las propiedades mecánicas y la vida mecánica de los forjados mediante experimentos de simulación térmica, y Obtener los parámetros de proceso adecuados para garantizar la calidad de las piezas forjadas.

Debido a la alta eficiencia de producción y los bajos requisitos de equipo del proceso de forja con martillo, en el futuro podemos intentar utilizar piezas forjadas con martillo para producir piezas estructurales clave en el sector aeroespacial y otros campos, como colas de aviones, tanques de combustible principales y auxiliares. marcos de refuerzo del fuselaje y otras piezas estructurales clave. Para algunas piezas forjadas grandes en el campo civil general, debido a su gran tamaño, es difícil producirlas utilizando el proceso de forja con martillo.

opinión del autor

Con el desarrollo de la industria aeroespacial de mi país, los requisitos de calidad para las piezas forjadas de aleaciones de titanio son cada vez más altos, y el proceso de forja también es uno de los factores importantes que afectan la calidad de las piezas forjadas.

Sin embargo, con el desarrollo de las prensas hidráulicas y los martillos de forja en nuestro país, sus aplicaciones están cada vez más extendidas. Sin embargo, debido a que el precio de los martillos de forja es relativamente alto y el proceso de forja es complejo, la mayoría de las empresas aeroespaciales nacionales prefieren elegir prensas hidráulicas para completar sus productos. Producción, pero con el aumento del número de prensas hidráulicas, su proceso de forjado y su calidad también han mejorado mucho.

Al mismo tiempo, debido a que los parámetros de forjado se pueden ajustar según las necesidades durante el proceso de forjado, el proceso de forjado es cada vez más flexible. Sin embargo, en la actualidad, la tecnología y los equipos de prensas hidráulicas nacionales de China no pueden cumplir plenamente con los requisitos de las piezas forjadas en el campo aeroespacial. Por tanto, el desarrollo del campo aeroespacial requiere forjar La demanda de tecnología también aumentará.

referencias
1. Yao Weidong: Investigación sobre el proceso de forjado y las propiedades de la microestructura de las piezas forjadas de aleaciones de titanio GR5. "Revista de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing", 2017,18 (01): 1036-1037.
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