Desempenho de peças forjadas de titânio GR5 sob prensa hidráulica e processo de forjamento com martelo
Prefácio
A liga de titânio GR5 tem boas propriedades abrangentes e pode ser usada nas áreas aeroespacial, petroquímica, engenharia naval, transporte e outros campos. Com o rápido desenvolvimento da indústria aeroespacial da China, a demanda por peças forjadas de liga de titânio GR5 também está aumentando. Portanto, a pesquisa sobre peças forjadas de liga de titânio GR5 é de grande importância.
O forjamento é uma tecnologia de processamento especial que pode melhorar significativamente a resistência e a dureza dos materiais metálicos. Tem as vantagens de alta eficiência de produção, baixo custo de produção e boa qualidade de produto. Com o desenvolvimento e o progresso da tecnologia de forjamento, a tecnologia de forjamento também está em constante desenvolvimento. e perfeição.
Nos últimos anos, as ligas forjadas de titânio tornaram-se cada vez mais utilizadas no campo aeroespacial e seus requisitos de desempenho tornaram-se cada vez mais elevados. Como preparar peças forjadas de liga de titânio GR5 de alta qualidade e alto desempenho tornou-se um problema urgente no campo aeroespacial.
Processo de produção de peças forjadas de liga de titânio
A liga de titânio é um material metálico com excelentes propriedades abrangentes. Devido à sua baixa densidade, alta resistência específica e boa resistência à corrosão, é amplamente utilizado na indústria aeroespacial, engenharia naval e outros campos. Atualmente, os processos de fabricação de ligas de titânio incluem principalmente forjamento e fundição, dos quais o forjamento é dividido em forjamento a frio e forjamento a quente.
O forjamento a frio usa um martelo de forjamento para atingir verticalmente as peças forjadas de liga de titânio em temperatura ambiente, fazendo com que o metal flua lenta e uniformemente ao longo do comprimento do forjamento, de modo a formar uma microestrutura uniforme dentro do forjamento. As vantagens do forjamento a frio são equipamentos simples, ampla faixa de temperatura de forjamento, adequado para produção em massa e baixo custo de produção; as desvantagens são o processo de forjamento complexo, alta resistência à deformação e longo tempo de forjamento.
Forjamento a quente refere-se à formação de um grande número de microestruturas e defeitos estruturais, como martensita, ferrita, etc., dentro do forjamento por meio de extrusão a quente, forjamento isotérmico, normalização isotérmica e outros processos. As vantagens dos forjamentos a quente são o equipamento simples e a capacidade de suportar grandes forças de deformação e temperaturas de deformação; as desvantagens são longos ciclos de produção e baixa eficiência de produção.
Durante o processo de forjamento da liga de titânio GR5, devido ao seu próprio coeficiente de expansão térmica ser diferente dos materiais metálicos tradicionais, ela possui uma ampla faixa de temperatura de forjamento e boas propriedades de processamento a quente.
Portanto, as peças forjadas em liga de titânio GR5 são geralmente produzidas por forjamento. Para garantir a qualidade das peças forjadas em liga de titânio GR5, elas geralmente são aquecidas a uma faixa de temperatura de processo antes de serem forjadas em uma prensa.
Para o forjamento a quente de ligas de titânio, existem atualmente dois métodos principais: um é colocar a peça forjada no forno de aquecimento e aquecê-la até a temperatura do processo antes do forjamento; a outra é forjar a liga de titânio a quente por meio de forjamento a quente. Entre eles, o forjamento a quente refere-se a um método no qual a liga de titânio que foi aquecida à temperatura do processo é colocada em um molde e formada através do molde.
As vantagens do forjamento a quente são a pequena resistência à deformação e a deformação uniforme, o que pode reduzir defeitos internos dos forjados e melhorar a qualidade e o desempenho dos forjados; a desvantagem é que requer alta precisão dimensional e precisão de forma das peças forjadas.
Existem três métodos principais de forjamento a quente de ligas de titânio: um é o forjamento contínuo, que utiliza máquinas para forjar continuamente peças forjadas, que também é o método mais amplamente utilizado atualmente; o outro é o forjamento semicontínuo, o que significa que os forjados giram no molde, mas não podem. O forjamento contínuo é executado; o terceiro é o forjamento livre, ou seja, nenhuma rotação é realizada durante o processo de forjamento, mas o forjamento pode ser dobrado.
Observação e Análise Organizacional
Observando a estrutura metalográfica dos forjados de liga de titânio GR5, pode-se observar que a estrutura do áspero após o forjamento é martensita colunar quase circular + uma pequena quantidade de austenita retida, enquanto a estrutura do forjamento é martensita colunar quase circular + uma pequena quantidade de austenita retida. Há uma diferença óbvia entre os dois corpos, e a peça bruta apresenta um grande encolhimento lateral após o forjamento, resultando em uma diferença no tamanho lateral do forjamento.
Durante o processo de forjamento, devido à alta temperatura da prensa hidráulica, a liga de alta temperatura é rapidamente aquecida acima de 1000 graus, o que resulta em velocidade excessiva de aquecimento do forjamento, têmpera insuficiente e oxidação da superfície.
Ao mesmo tempo, a temperatura excessiva de forjamento também leva à deformação excessiva durante o processo de forjamento da prensa hidráulica, e a oxidação e a descarbonetação ocorrem durante o aquecimento subsequente. Estas duas razões levam a grandes diferenças nas dimensões laterais dos forjados.
A análise da microestrutura dos forjados mostra que a taxa de resfriamento durante o processo de forjamento é relativamente grande, enquanto a taxa de resfriamento da peça bruta após o forjamento da máquina hidráulica é relativamente pequena. O aumento excessivo de temperatura durante o processo de forjamento resulta em grandes diferenças nas dimensões transversais das peças forjadas. Ao mesmo tempo, durante o processo de forjamento, os grãos de forjamento também crescem em graus variados.
Devido à rápida taxa de resfriamento da peça bruta após o forjamento, o tamanho do grão do forjamento é muito diferente. O tamanho do grão do forjamento durante o processo de forjamento é significativamente maior do que o tamanho do grão da peça bruta após o forjamento por máquina hidráulica; a microestrutura produzida durante o processo de forjamento é principalmente quase circular e colunar. Martensita + pequena quantidade de austenita retida; durante o processo de forjamento, os grãos de forjamento são grosseiros e distribuídos de forma desigual.
Devido à alta temperatura de forjamento, a liga de titânio GR5 tem alta resistência e dureza à temperatura ambiente, enquanto a temperatura de forjamento é muito baixa, resultando em capacidade insuficiente de deformação plástica, têmpera e oxidação insuficientes.
Além disso, devido à alta temperatura de aquecimento da prensa hidráulica, ocorre oxidação durante o forjamento e aparecem incrustações de óxido na superfície da peça forjada final.
Experimento de propriedade de tração
As propriedades de tração à temperatura ambiente da liga de titânio GR5 são afetadas por muitos fatores, incluindo composição da liga, tamanho do grão, taxa de deformação, grau de deformação, etc.
Em primeiro lugar, o diâmetro das peças forjadas é geralmente menor que o das barras laminadas a quente. A temperatura de deformação é menor durante o aquecimento do forjamento e é difícil controlar o grau de deformação durante o processo de deformação. Portanto, as propriedades de tração dos forjados são muito afetadas pelo material de base e pelo processo de forjamento. Nas mesmas condições, as propriedades de tração da liga de titânio GR5 forjada por prensa hidráulica são melhores do que aquelas forjadas por martelo de forjamento, mas há um problema fundamental durante o forjamento com martelo - deformação por compressão a quente.
Como existe um certo grau de aquecimento e resfriamento durante o processo de forjamento da prensa hidráulica, a temperatura e a taxa de deformação podem ser melhor controladas durante o tratamento térmico, garantindo assim maior plasticidade. Devido à temperatura de aquecimento mais baixa e à taxa de resfriamento mais rápida durante o forjamento com martelo, a plasticidade dos forjados não é tão boa quanto a dos forjados por prensa hidráulica.
Nas mesmas condições, o forjamento pode melhorar significativamente as propriedades de tração da liga de titânio GR5, mais do que o forjamento com martelo. Para peças forjadas de liga de titânio GR5 com as mesmas especificações, as propriedades de tração do forjamento por prensa hidráulica são melhores do que as do forjamento com martelo; nas mesmas condições, o forjamento com martelo pode melhorar significativamente as propriedades de tração da liga de titânio GR5 do que o forjamento por prensa hidráulica.
Quando o limite de escoamento é o mesmo, as propriedades de tração pós-forjamento da liga de titânio GR5 forjada por prensa hidráulica são melhores do que as da liga de titânio GR5 forjada por martelo de forjamento. Isso ocorre porque as peças forjadas em prensas hidráulicas apresentam pequena tensão residual interna devido a fatores como pequena deformação, baixa temperatura de deformação e taxa de deformação lenta; e as propriedades de tração da liga de titânio GR5 forjada por martelo de forjamento após o forjamento são melhores do que aquelas após o forjamento por prensa hidráulica.
Isso ocorre porque ao forjar com martelo de forjamento, grandes tensões residuais são geradas durante os processos de forjamento e martelamento, o que causa grandes tensões de tração no interior do material, resultando em grande deformação plástica do material; enquanto no forjamento com prensa hidráulica, durante o processo de forjamento O metal está em estado de fluxo livre e não há tensão residual no interior do material, garantindo assim o grau de deformação plástica do material.
Análise dos resultados de desempenho de testes mecânicos
O valor de resistência e alongamento da amostra de liga de titânio GR5 após forjamento com prensa hidráulica são maiores do que aqueles após forjamento com martelo de forjamento. Isso ocorre porque um grande número de elementos de impureza é produzido dentro do forjamento durante o processo de forjamento, e a presença desses elementos de impureza faz com que a liga de titânio GR5 sofra deformação. Recristalização severa.
Durante o processo de laminação, devido à grande pressão de laminação, o fenômeno de concentração de tensões é óbvio. Alguns elementos de impureza são extrudados para o interior da liga de titânio GR5 e formam uma fase grossa rica em Ti nos limites dos grãos, o que faz com que uma grande quantidade de energia seja produzida dentro do forjamento. Os deslocamentos e lacunas fornecem condições para deformação adicional da liga de titânio GR5.
O valor de resistência da amostra de liga de titânio GR5 após forjamento com martelo de forjamento é inferior ao da amostra após forjamento com prensa hidráulica. Isso ocorre porque um grande número de deslocamentos e vagas são formados dentro do forjamento durante o processo de forjamento com martelo, e pequenas partículas são formadas nos limites dos grãos. A fase rica em Ti causa recristalização óbvia da liga de titânio GR5.
Pode-se observar que as características de fratura da amostra de liga de titânio GR5 após forjamento com martelo de forjamento são: principalmente fratura dúctil, complementada por fratura frágil local.
Isto se deve à alta pressão de forjamento durante o processo de forjamento com martelo, que faz com que alguns elementos de impureza formem fases grossas ricas em Ti nos limites dos grãos. Ao mesmo tempo, um grande número de deslocamentos e vagas são gerados durante o processo de forjamento com martelo, causando mudanças óbvias na liga de titânio GR5. fenômeno de recristalização.
Devido à baixa temperatura de forjamento e à rápida velocidade de forjamento durante o forjamento com martelo, um grande número de fontes de trincas, poros e outros elementos defeituosos são gerados dentro do material, resultando na recristalização óbvia da liga de titânio GR5.
Perspectivas de aplicação e direção de desenvolvimento
A liga de titânio GR5 é amplamente utilizada na indústria aeroespacial, equipamentos médicos, transporte e outros campos devido às suas excelentes propriedades abrangentes. Especialmente no campo aeroespacial, a liga de titânio GR5 tornou-se o material principal.
A liga de titânio GR5 tem as vantagens de baixa densidade, alta resistência específica e rigidez específica, resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão. É amplamente utilizado na fabricação de peças estruturais importantes, como rotores de aeronaves, caudas, estruturas de reforço de fuselagem e tanques de combustível principais e auxiliares.
Como a liga de titânio GR5 tem maior resistência e plasticidade à temperatura ambiente, é necessário tratamento em solução durante o forjamento para melhorar suas propriedades. Porém, a estrutura da liga de titânio GR5 será distribuída de forma desigual durante o processo de forjamento, e uma fase grosseira será formada durante o processo de resfriamento, resultando em uma redução nas propriedades mecânicas da liga.
A fim de melhorar a estrutura de forjamento da liga de titânio GR5, existem atualmente dois métodos comumente usados: um é realizar o tratamento com solução sólida antes do forjamento, como forjamento em matriz a quente por prensa hidráulica; a outra é realizar o tratamento com solução sólida durante o processo de forjamento, como forjamento com martelo.
Na produção real, devido ao complexo equipamento de processo de forjamento com martelo, operação difícil e alto custo de produção, o forjamento com matriz a quente por prensa hidráulica é atualmente um processo mais comumente usado.
Em comparação com o forjamento com matriz a quente por prensa hidráulica, a qualidade da superfície das peças forjadas com martelo de forjamento foi muito melhorada, os grãos são mais finos e uniformes e matrizes de forjamento com molde de grande diâmetro podem ser usadas para produção. No entanto, a eficiência de produção de forjamentos de martelo é baixa e o custo de produção é alto. Ele não substituiu completamente o processo de forjamento a quente por prensa hidráulica.
No futuro, com o desenvolvimento da tecnologia de forjamento de martelo e a pesquisa em tecnologia e equipamentos de forjamento, pode-se prever que a eficiência da produção e a qualidade das peças forjadas de martelo serão bastante melhoradas.
Na produção real, uma vez que uma grande quantidade de calor, força e carga de impacto serão geradas durante o processo de forjamento, é necessário estudar a influência do forjamento isotérmico na estrutura, propriedades mecânicas e vida mecânica dos forjados através de experimentos de simulação térmica, e obter parâmetros de processo apropriados para garantir a qualidade dos forjados.
Devido à alta eficiência de produção e aos baixos requisitos de equipamento do processo de forjamento com martelo, no futuro podemos tentar usar peças forjadas com martelo para produzir peças estruturais importantes na indústria aeroespacial e em outros campos, como caudas de aeronaves, tanques de combustível principais e auxiliares, estruturas de reforço da fuselagem e outras peças estruturais importantes. Para algumas peças forjadas de grande porte no campo civil em geral, devido ao seu grande tamanho, é difícil produzi-las usando o processo de forjamento com martelo.
Opinião do autor
Com o desenvolvimento da indústria aeroespacial do meu país, os requisitos de qualidade para peças forjadas de liga de titânio estão se tornando cada vez mais elevados, e o processo de forjamento também é um dos fatores importantes que afetam a qualidade das peças forjadas.
Porém, com o desenvolvimento de prensas hidráulicas e martelos de forja em nosso país, suas aplicações estão se tornando cada vez mais difundidas. No entanto, como o preço dos martelos de forjamento é relativamente alto e o processo de forjamento é complexo, a maioria das empresas aeroespaciais nacionais prefere escolher prensas hidráulicas para completar os produtos. A produção, mas com o aumento do número de prensas hidráulicas, seu processo de forjamento e qualidade também melhoraram bastante.
Ao mesmo tempo, como os parâmetros de forjamento podem ser ajustados de acordo com as necessidades durante o processo de forjamento, o processo de forjamento está se tornando cada vez mais flexível. No entanto, atualmente, a tecnologia e os equipamentos de prensas hidráulicas domésticas da China não podem atender totalmente aos requisitos para peças forjadas no campo aeroespacial. Portanto, o desenvolvimento do campo aeroespacial exige forjamento. A demanda por tecnologia também aumentará.
referências
1. Yao Weidong: Pesquisa sobre o processo de forjamento e propriedades de microestrutura de peças forjadas de liga de titânio GR5. "Jornal da Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Pequim", 2017,18 (01): 1036-1037.
2. He Xiaolin: Pesquisa sobre o comportamento de trabalho a quente de peças forjadas de liga de titânio durante o processo de forjamento. "Forjamento da China", 2015 (11): 59-60.
3. Wei Guoli: A situação atual e a tendência de desenvolvimento da produção em larga escala de peças forjadas de liga de titânio em meu país. "Tecnologia de Proteção de Materiais", 2018 (05): 23-26.
