กระบวนการอัดรีดร้อนของแท่งโลหะผสมไทเทเนียม - ความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญและวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพ

โลหะผสมไทเทเนียมมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศอุปกรณ์การแพทย์และการผลิตอุปกรณ์- สูงเนื่องจากความแข็งแรงเฉพาะที่สูงความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยมและความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี อย่างไรก็ตามกระบวนการอัดรีดร้อนของแท่งโลหะผสมไทเทเนียมเผชิญกับความท้าทายมากมายโดยมีความซับซ้อนสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับอลูมิเนียมทองแดงและโลหะผสมเหล็ก จากการเปลี่ยนแปลงการไหลของโลหะและการปฏิบัติทางอุตสาหกรรมบทความนี้วิเคราะห์ปัญหาสำคัญและการตอบโต้ในกระบวนการอัดรีดร้อนของโลหะผสมไทเทเนียมอย่างเป็นระบบ

  一การวิเคราะห์ปัญหาและกลไกของกระบวนการ

1. ความแตกต่างของอุณหภูมิความเครียดเนื่องจากการนำความร้อนต่ำ

    โลหะผสมไทเทเนียมมีค่าการนำความร้อนต่ำ (ประมาณ 6.7 W/(M · K)) ซึ่งเป็นโลหะผสมอลูมิเนียมเพียง 1/3 และเหล็ก 1/5 ในระหว่างกระบวนการอัดรีดร้อนหากอุณหภูมิของกระบอกสูบรีดเป็น 400 องศาความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างชั้นผิวและแกนกลางของบิลเล็ตสามารถถึง 200–250 องศา การไล่ระดับสีที่สำคัญนี้ส่งผลให้:

โลหะพื้นผิวเป็น "เปลือกแข็ง" ที่มีความแข็งแรงสูงและพลาสติกต่ำเนื่องจากการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว

โลหะแกนกลางรักษาอุณหภูมิสูงและสถานะพลาสติกสูง

การเสียรูปของชั้นด้านในและชั้นนอกนั้นไม่พร้อมเพรียงกันส่งผลให้เกิดความเครียดแรงดึงเพิ่มเติมซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการแตกพื้นผิว

ตามสถิติอัตราการแตกพื้นผิวของแท่งโลหะผสมไทเทเนียมที่ไม่ได้รับการปรับสภาพสูงถึง 35%ในขณะที่ผลิตภัณฑ์อัลลอยอลูมิเนียมที่คล้ายกันมักจะน้อยกว่า 5%

2. เฟสเปลี่ยนความไวและการไหลเวียนของการไหล

อุณหภูมิการเปลี่ยน + / เฟสของโลหะผสมไทเทเนียมส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อพฤติกรรมการไหลของวัสดุ:

การอัดขึ้นรูปในพื้นที่เฟส (เหนือจุดเปลี่ยนเฟส): ความลื่นไหลที่ดี แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่องพื้นผิวเช่นเปลือกส้ม;

การอัดขึ้นรูปในพื้นที่ + เฟส (ต่ำกว่าจุดเปลี่ยนเฟส): โลหะแสดงการไหลของชั้นและความแตกต่างในอัตราการไหลของศูนย์กลางพื้นผิวสามารถถึง 20%–30%ส่งผลให้การดัดงอมากเกินไป

ในอุตสาหกรรมอุณหภูมิความร้อนมักจะถูกควบคุมในช่วงกลางของโซน + เฟส (เช่น 920–950 องศาสำหรับโลหะผสม TC4) เพื่อรักษาสมดุลคุณภาพพื้นผิวและความสม่ำเสมอของการไหล

3. แม่พิมพ์ - ปฏิกิริยาอินเตอร์เฟสและการสึกหรอ

ที่อุณหภูมิสูง 980–1030 องศาโลหะผสมไทเทเนียมมีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยา eutectic กับเหล็ก - หรือนิกเกิล - วัสดุแม่พิมพ์ที่ใช้การสร้างจุดหลอมเหลวต่ำเช่น tife และ tini ส่งผลให้การยึดเกาะของเชื้อราและการปอกเปลือก หากไม่มีกระบวนการหล่อลื่นอายุการใช้งานของเชื้อราจะมีเพียง 200–300 ชิ้นเท่านั้น หลังจากใช้น้ำมันหล่อลื่นแก้วแล้วมันสามารถยกได้มากกว่า 1,500 ชิ้น

ฟังก์ชั่นหลักของน้ำมันหล่อลื่นรวมถึง:

การแยกอุณหภูมิสูง: สร้างฟิล์มเหลวที่สูงกว่า 800 องศาเพื่อป้องกันการสัมผัสโดยตรง

การลดแรงเสียดทานและการลดแรงเสียดทาน: ลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจาก 0.8 เป็น 0.1–0.2;

การยับยั้งการเกิดออกซิเดชัน: ควบคุมความหนาของชั้นออกไซด์บนพื้นผิวเพื่อหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องที่เกิดจากการฝังสเกลออกไซด์ในเมทริกซ์

2, การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและกลยุทธ์การควบคุมการไหล

1. การเพิ่มประสิทธิภาพของวิธีการอัดรีดและเงื่อนไขการเสียดสี

การอัดรีดกลับ: ความสม่ำเสมอของการไหลของโลหะเพิ่มขึ้น 40% เมื่อเทียบกับการอัดขึ้นรูปไปข้างหน้าและ "โซนตาย" ลดลงเนื่องจากแรงเสียดทานสอดคล้องกับทิศทางการอัดขึ้นรูป

การอัดรีดเย็น: เหมาะสำหรับแถบเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กความสม่ำเสมอของการไหลนั้นดีกว่าการอัดขึ้นรูปร้อนและค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของอัตราการไหลลดลง 25%;

การหล่อลื่นคอมโพสิต: การใช้กราไฟท์ + น้ำมัน - น้ำมันหล่อลื่นที่ใช้ค่าสัมประสิทธิ์การไหลไม่สม่ำเสมอสามารถลดลงจาก 0.35 เป็น 0.18

2. การควบคุมความเร็วและอุณหภูมิประสานงาน

การเพิ่มความเร็วของการอัดรีด (เช่น 1 → 5 มม./วินาที) จะเพิ่มความแตกต่างของอัตราการไหล 3 ครั้งซึ่งจะต้องได้รับการชดเชยโดยการควบคุมความเร็วแบบไดนามิก

อุณหภูมิอุ่นของกระบอกสูบและการตาย (สูงถึง 400–450 องศาและ 350–400 องศาตามลำดับ) ถูกควบคุมเพื่อสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างใบหน้าปลายของบิลเล็ตน้อยกว่าหรือเท่ากับ 50 องศาและความสม่ำเสมอของอัตราการไหลเพิ่มขึ้น 15%

3. การออกแบบโครงสร้างแม่พิมพ์

มุมกรวยของแม่พิมพ์ลดลงจาก 120 องศาเป็น 90 องศาซึ่งสามารถลดค่าสัมประสิทธิ์การไหลที่ไม่สม่ำเสมอได้ 18%

เค้าโครงแม่พิมพ์รูพรุนแบบไม่สมมาตรของ "หลุมกลางขนาดใหญ่และรูรอบนอกขนาดเล็ก" ถูกนำมาใช้ซึ่งจะเพิ่มอัตราการไหลรอบนอก 12% และทำให้สมดุลโดยรวมมีความสมดุลมากขึ้น

การเสียรูปรวมถูกควบคุมที่ 60% –70% เพื่อหลีกเลี่ยงความซบเซาหรือการแตกร้าวเนื่องจากไม่เพียงพอ (<40%) or excessive (>80%).

3, กรณีทั่วไป: TC4โลหะผสมไทเทเนียมการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการรีดบาร์

องค์กรลดอัตราการแตกพื้นผิวของแท่ง TC4 จาก 28% เป็นน้อยกว่า 3% ผ่านมาตรการที่ครอบคลุมดังต่อไปนี้:

ระบบทำความร้อน: สาม - ความร้อนขั้นตอน (600 องศา→ 850 องศา→ 930 องศา) เวลาเก็บรักษาความร้อนจะถูกคำนวณตามเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.5 นาทีต่อมิลลิเมตร

รูปแบบการหล่อลื่น: สารหล่อลื่นแก้ว 0.2 มม. เคลือบบนพื้นผิวของซิลเล็ตและการเคลือบโบรอนไนไตรด์จะถูกพ่นในแม่พิมพ์;

ความเร็ว - การเชื่อมโยงอุณหภูมิ: ความเร็วการอัดขึ้นรูปเริ่มต้นคือ 1 มม./วินาทีความเร็วจะเพิ่มขึ้นเป็น 3 มม./วินาทีเมื่อหางเปล่าเข้าสู่โซนการเสียรูปและอุณหภูมิแบบอัดขึ้นรูปเพิ่มขึ้นจาก 400 องศาเป็น 420 องศา;

การออกแบบแม่พิมพ์: มุมกรวย 100 องศาและตาย 6 หลุมแบบอสมมาตรเส้นผ่านศูนย์กลางของรูตรงกลางมีขนาดใหญ่กว่ารอบนอก 15%

คุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ดีที่สุดได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ: ความตรงเพิ่มขึ้นจาก 3 มม./ม. เป็น 1 มม./ม. และความขรุขระของพื้นผิว RA น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.8 μmตามมาตรฐานการบินและอวกาศ

4 ทิศทางการพัฒนาในอนาคต

1. การควบคุมกระบวนการอัจฉริยะ

เทคโนโลยี Digital Twin ได้รับการแนะนำเพื่อทำนายสถานะการไหลของโลหะผ่านการจำลองเวลา - จริงและปรับพารามิเตอร์กระบวนการแบบไดนามิก

2. นวัตกรรมวัสดุแม่พิมพ์

เราได้พัฒนาแม่พิมพ์คอมโพสิตไล่ระดับสีด้วยโคบอลต์ - พื้นผิวโลหะผสมที่ใช้และโลหะผสมไทเทเนียมหลักโดยคำนึงถึงความต้านทานการสึกหรอของอุณหภูมิสูงและน้ำหนักเบาโครงสร้าง

3. อัลตร้าซาวด์ - การอัดขึ้นรูปช่วย

การใช้การสั่นสะเทือนความถี่สูง - เพื่อลดความเครียดจากการไหลคาดว่าจะลดแรงอัดลง 20%-30%เพื่อปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพของการขึ้นรูป

    แท่งโลหะผสมไทเทเนียมการอัดขึ้นรูปแบบร้อนเป็น "อุณหภูมิทั่วไป - ความเครียด - flow" multi - กระบวนการเชื่อมต่อฟิลด์ โดยการควบคุมอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสอย่างแม่นยำในการเพิ่มประสิทธิภาพส่วนต่อประสานการหล่อลื่นการคิดค้นโครงสร้างแม่พิมพ์และแนะนำวิธีการควบคุมอัจฉริยะมันสามารถแก้ปัญหาคอขวดได้อย่างมีประสิทธิภาพเช่นรอยแตกและโค้งและส่งเสริมการพัฒนา - การผลิต. ด้วยการบูรณาการอย่างลึกซึ้งของจีโนมวัสดุและข่าวกรองอุตสาหกรรม