Como fazer um forno de forjamento de titânio?
Na fabricação-de ponta e na usinagem de precisão, os forjados de titânio, devido à sua alta resistência, resistência à corrosão e propriedades leves, tornaram-se materiais essenciais para componentes críticos, como pás-de motores aeronáuticos e peças estruturais de naves espaciais. Como equipamento principal no processo de forjamento, o forno de forjamento de titânio deve ser projetado para corresponder precisamente às propriedades físicas das ligas de titânio -baixa condutividade térmica, alta resistência à deformação e alta-sensibilidade à oxidação em temperatura. Do sistema de aquecimento à estrutura da matriz, do controle de temperatura aos processos de lubrificação, todos os aspectos devem ultrapassar os limites técnicos do forjamento de metal tradicional para alcançar a deformação plástica perfeita das ligas de titânio.
A estreita janela de temperatura de forjamento e a extrema sensibilidade à oxidação das ligas de titânio determinam diretamente a lógica central do projeto do sistema de aquecimento do forno de forjamento de titânio. O forjamento tradicional de aço carbono pode operar em uma ampla faixa de temperatura de 800-1.200 graus, enquanto a temperatura ideal de forjamento para ligas de titânio (como TC4) está concentrada entre 900-950 graus; exceder esta faixa em 20 graus pode levar ao engrossamento ou rachaduras dos grãos. Portanto, os fornos de forjamento de titânio exigem tecnologia de controle de temperatura de zona dupla: a zona de aquecimento principal aquece com precisão o tarugo até a temperatura desejada usando fios de resistência ou bobinas de indução, enquanto a zona de retenção mantém a uniformidade da temperatura através da circulação de ar quente, com a diferença de temperatura controlada dentro de ±5 graus. Por exemplo, um forno de forjamento de titânio usado por uma empresa de forjamento aeroespacial, ao aquecer um lingote de titânio de φ600 mm, emprega uma curva de aquecimento segmentada (aquecimento de 300 graus/h a 600 graus, depois de 150 graus/h a 950 graus), combinada com feedback em tempo real de um termômetro infravermelho, reduzindo a diferença de temperatura entre o centro e a superfície do tarugo dos convencionais 80 graus para 15 graus, reduzindo significativamente o interno fissuras causadas por estresse térmico.
O projeto do sistema de matrizes é fundamental para superar gargalos técnicos em fornos de forjamento de titânio. As ligas de titânio apresentam baixa fluidez e alta viscosidade; matrizes de forjamento convencionais são propensas ao refluxo ou aderência do metal devido ao atrito excessivo. Portanto, as matrizes de forno de forjamento de titânio exigem uma estrutura de duas{2}}camadas: a camada interna é uma liga-à base de níquel-de alta temperatura (como a liga K3), capaz de suportar temperaturas de até 1000 graus e não reagir quimicamente com ligas de titânio; a camada externa é um esqueleto de aço carbono, resfriado por canais de circulação de água para evitar que a matriz amoleça devido às altas temperaturas prolongadas. O raio do canto da matriz precisa ser 30% maior do que o das matrizes de forjamento de aço para reduzir a concentração de tensão; a rugosidade da superfície da cavidade da matriz precisa ser controlada abaixo de Ra0,8μm, e um lubrificante à base de grafite-água-é pulverizado para reduzir o coeficiente de atrito de 0,5 para 0,05. Uma empresa desenvolveu uma matriz de forjamento isotérmica para a produção de lâminas de liga de titânio TC11. Ao estabilizar a temperatura da matriz em 920 graus (diferença de temperatura do tarugo menor ou igual a 30 graus) e usar uma prensa hidráulica de 500 toneladas para extrusão lenta (velocidade de deformação 0,5 mm/s), o fluxo contínuo das peças forjadas foi melhorado com sucesso para 98%, excedendo em muito os 75% do forjamento convencional.
A atualização inteligente do sistema de controle de temperatura é outro aspecto central da iteração tecnológica dos fornos de forjamento de titânio. Abaixo de 850 graus, a resistência à deformação das ligas de titânio aumenta exponencialmente; por exemplo, a resistência à deformação da liga TC4 a 700 graus é quatro vezes maior que a 950 graus. Portanto, os fornos de forjamento de titânio precisam integrar módulos de controle de temperatura de vários-estágios: o estágio de aquecimento usa um algoritmo PID para controlar com precisão a taxa de aquecimento; a etapa de forjamento utiliza monitoramento duplo com termômetros infravermelhos e termopares para ajustar a potência de aquecimento em tempo real; e o estágio de resfriamento emprega resfriamento de ar escalonado (primeiro resfriamento rápido a 600 graus, depois resfriamento natural a 300 graus) para evitar precipitação anormal da fase - devido ao resfriamento excessivamente rápido. Um forno de forjamento de titânio inteligente desenvolvido por um instituto de pesquisa, ao incorporar 12 conjuntos de sensores de temperatura e algoritmos de IA, reduziu a faixa de flutuação da temperatura de forjamento de ± 15 graus para ± 3 graus, aumentando a resistência à tração à temperatura ambiente das peças forjadas de liga de titânio TC18 de 1100MPa para 1250MPa e o alongamento de 8% a 12%.
Desde discos de turbina em motores-aéreos até cascos de pressão em submarinos-de águas profundas, os avanços tecnológicos em fornos de forjamento de titânio estão remodelando os limites da fabricação-de ponta. Seu valor fundamental reside não apenas em alcançar a formação precisa de ligas de titânio, mas também em liberar o potencial máximo das propriedades do material por meio do controle coordenado de temperatura, tensão e lubrificação. Com a profunda integração de tecnologias de simulação numérica (como DEFORM-3D) e a Internet Industrial, os fornos de forjamento de titânio estão mudando de "orientados pela experiência" para "orientados por dados", fornecendo garantia de processo mais confiável para a aplicação de ligas de titânio em ambientes extremos. Esta interação precisa de temperatura e força acabará por impulsionar a fabricação chinesa em direção a maior precisão e maior confiabilidade.
