فرآیند فورج تیتانیوم شامل چه مواردی است؟ مراحل، دما و تجهیزات

یک فلنج آهنگری آلیاژ تیتانیوم (TC4) برای یک سیستم محرک دریایی با مشخصات آهنگری روی نیمکت بازرسی فرود آمد که تنها اجازه انحراف 15 درجه سانتی گراد در دمای بیلت را در طول خیساندن دو ساعته می داد. این نوع تحمل در آهنگری تیتانیوم استثنایی نیست. این نظم عملیاتی عادی است. از آنجایی که ریزساختار نهایی، خواص مکانیکی و هزینه تیتانیوم تا حد زیادی در فورج تعیین می‌شود، هر خریدار یا مهندسی که آهنگری تیتانیوم را مشخص می‌کند باید دقیقاً بداند که این فرآیند شامل چه چیزی است.

فرآیند آهنگری تیتانیوم شامل چه چیزی است

فرآیند آهنگری تیتانیوم شامل حرارت دادن شمش یا شمش تیتانیوم تا دمای دقیق - معمولا بین 850 درجه سانتیگراد و 1050 درجه سانتیگراد بسته به آلیاژ - سپس تغییر شکل پلاستیکی آن تحت نرخ کرنش کنترل شده با یک پرس یا چکش هیدرولیک و به دنبال آن خنک سازی کنترل شده، عملیات حرارتی و ماشینکاری است.

برخلاف فولاد، آلیاژهای تیتانیوم یک پنجره دمایی باریک قابل تغییر شکل را ارائه می دهند. اگر قطعه کار از β-transus فراتر رود، دانه های β درشت می توانند تشکیل شوند و با عملیات حرارتی بعدی قابل پالایش نباشند. اگر هوا خیلی سرد باشد، تنش جریان به شدت افزایش می یابد و ممکن است ترک بخورد. به همین دلیل است که آهنگری تیتانیوم به کنترل کوره حلقه بسته، پیرومتری دیجیتالی و پرس هایی با قابلیت تنظیم دقیق سرعت قوچ نیاز دارد.

پنجره دمای بحرانی برای آهنگری تیتانیوم

آهنگری تیتانیوم در درجه اول یک کار کنترل حرارتی است. دمای پردازش صحیح بر اساس کلاس آلیاژ متفاوت است، اما هر آلیاژ تیتانیوم یک مرز سخت دارد: β-transus.

برای آلیاژهای α-β مانند Ti-6Al-4V، آهنگری α-β در دمای 30 تا 80 درجه سانتیگراد زیر ترانس β، معمولاً در دمای 900 تا 980 درجه سانتیگراد انجام می شود. این یک ریزساختار دووجهی با ازدیاد طول و مقاومت در برابر خستگی ایجاد می کند. آهنگری β، بالای ترانوس، مقاومت خزشی بالاتر اما شکل پذیری کششی کمتری ایجاد می کند و فقط برای قطعات چرخان خاص در موتورهای جت یا توربین های قدرت انتخاب می شود.

گرمایش باید یکنواخت باشد. رسانایی حرارتی تیتانیوم تقریباً یک سوم فولاد است، به این معنی که بخش های ضخیم می توانند گرادیان های شدید دما را نشان دهند. زمان خیساندن معمولاً 1 دقیقه به ازای هر 25 میلی متر مقطع تنظیم می شود و به دنبال آن تأیید ترموکوپل در آهنگری تولید انجام می شود.

فرآیند آهنگری تیتانیوم گام به گام

یک چرخه آهنگری تیتانیوم با قالب باز یا حلقه نورد معمولی از شش مرحله تکرارپذیر پیروی می کند که هر کدام خطرات خرابی خاص خود را دارد.

1. انتخاب مواد و تهویه: بیلت یک شمش یا میله درجه یک هوافضا است. عیوب سطح به طور کامل از بین می روند، زیرا هر ترک باقی مانده در طول آهنگری باز می شود.
2. پیش گرم کردن: تیتانیوم در کوره ای که 50 تا 100 درجه سانتیگراد زیر دمای آهنگری هدف قرار می گیرد بارگذاری می شود. برای جلوگیری از شوک حرارتی در آنجا نگه داشته می شود، سپس با یک دوره خیساندن به دمای کار می رسد.
3. اولین تغییر شکل (ناراحت کننده یا مسدود کننده): پرس فشرده سازی آهسته و مداوم را اعمال می کند. هدف شکستن ساختار ریخته‌گری و شروع تبلور مجدد است، نه دستیابی به شکل نزدیک به شبکه.
4. چند پاس با گرم کردن مجدد: بر خلاف فولاد، تیتانیوم نمی تواند آهنگری طولانی مدت در هوای آزاد را تحمل کند. هر پاس فقط چند ثانیه طول می کشد و قطعه زمانی که دمای سطح به زیر حد پایین می رسد به کوره باز می گردد.
5. کنترل دمای قالب و ابزار: تماس با قالب های سرد باعث ایجاد یک لایه سرد بر روی سطح تیتانیوم می شود. در آهنگری پیشرفته، قالب ها از قبل در دمای 250 تا 400 درجه سانتی گراد گرم می شوند و برای جلوگیری از چسبندگی و سرد شدن شدید، با پوشش های شیشه ای روغن کاری می شوند.
6. شکل گیری و پیرایش نهایی: آخرین پاس قطعه را به ابعاد نهایی نزدیک می کند. در صورت وجود فلاش در زمانی که فلز هنوز گرم است برداشته می‌شود و قطعه مستقیماً به خنک‌کننده کنترل‌شده یا فیکسچر محدود شده با فشار منتقل می‌شود.

تجهیزات و کنترل نرخ کرنش

پرس ها، نه چکش، تجهیزات اولیه برای کنترل حرکت آهنگری قالب باز تیتانیوم هستند. یک پرس می تواند سرعت رام آهسته و ثابت را نگه دارد، در حالی که یک چکش ضربه هایی با نرخ کرنش بالا وارد می کند که ممکن است نوارهای برشی آدیاباتیک را در تیتانیوم ایجاد کند.

در Maiterio Intelligent Equipment، خطوط فورج باز از پرس های هیدرولیک با سرعت رم زیر 10 میلی متر بر ثانیه برای تیتانیوم استفاده می کنند. برای قطعات تیتانیوم حلقه‌ای، آسیاب‌های نورد حلقه‌ای حلقه‌های نورد بدون درز با جریان دانه بهتر نسبت به میله‌های ماشینکاری شده تولید می‌کنند. انتخاب بین پرس، چکش و غلتک حلقه‌ای بر ریزساختار تأثیر می‌گذارد - تغییر شکل آهسته، α کروی را تقویت می‌کند، در حالی که تغییر شکل سریع خطر ترک خوردن در مرزهای دانه را به همراه دارد.

خطوط آهنگری قالب باز Maiterio تیتانیوم و سایر آلیاژهای با دمای بالا را برای مشتریان خواستار مدیریت می‌کنند، که اغلب با ماشین‌کاری خشن داخلی برای کنترل تحمل‌ها جفت می‌شوند.

قطعات آهنگری باز قالب برای تیتانیوم و آلیاژهای با دمای بالا این کارخانه شفت‌ها، چرخ‌دنده‌ها، دیسک‌ها و سیلندرهای فورج‌شده با قالب باز را برای تجهیزات متالورژی، انرژی، معدن و ساخت‌وساز، با ماشین‌کاری خشن داخلی برای کنترل تلرانس‌ها عرضه می‌کند. مشاهده محصول →

آهنگری مواد ویژه در آلومینیوم و فولاد ضد زنگ آهنگری های سفارشی ساخته شده از درجه هایی مانند آلومینیوم 6061، 7075، 5083، و فولادهای ضد زنگ 304، 316، 17-4PH را که برای کاربردهای آلیاژی با دمای بالا مناسب هستند، کاوش کنید. مشاهده محصول →

عملیات حرارتی و ماشینکاری پس از آهنگری

پس از آهنگری، قطعات تیتانیوم مانند فولاد خاموش نمی شوند. آنها در هوای ساکن خنک می شوند، سپس تحت یک چرخه عملیات حرارتی خاص بر اساس آلیاژ و کلاس قدرت مورد نظر قرار می گیرند.

برای Ti-6Al-4V، بازپخت در دمای 700-850 درجه سانتیگراد و به دنبال آن خنک سازی هوا انجام می شود. تیمار محلول و پیری در دمای 900-960 درجه سانتیگراد و سپس 480-600 درجه سانتیگراد در برخی موارد در چقرمگی شکست استحکام بالاتری ایجاد می کند. از آنجایی که تیتانیوم با اکسیژن بالاتر از 650 درجه سانتیگراد واکنش می دهد، هر عملیات حرارتی باید در یک اتمسفر کنترل شده یا با پوشش های محافظ انجام شود. یک سطح بدون رسوب استحکام خستگی مواد را حفظ می کند.

ماشینکاری آهنگری تیتانیوم نیز با فولاد متفاوت است. رسانایی حرارتی کم این فلز گرما را در لبه برش متمرکز می کند و منجر به سایش سریع ابزار می شود. ابزارهای کاربید با مایع خنک کننده فشار بالا و سرعت اسپیندل آهسته استاندارد هستند. تراش های تراش عمودی CNC و تراش های افقی Maiterio به طور معمول برای تکمیل حلقه ها و شفت های تیتانیوم تا زبری سطح Ra 0.8 میکرومتر یا بهتر استفاده می شوند.

کنترل کیفیت برای فورجینگ های تیتانیوم

پذیرش نهایی آهنگری تیتانیوم به سه کنترل مستقل بستگی دارد: ریزساختار، سلامت فراصوت و خواص مکانیکی.

ارزیابی ریزساختار از مقاطع متالوگرافی حک شده با معرف کرول استفاده می کند تا تأیید کند که پردازش α-β از β-transus عبور نکرده است. آزمایش اولتراسونیک حفره‌های داخلی، آخال‌ها و ترک‌هایی را که با چشم غیرمسلح نامرئی هستند، شناسایی می‌کند. تست کشش، ضربه و سختی تایید می کند که استحکام و شکل پذیری با مشخصات سفارش مطابقت دارد. علاوه بر این، یک زنجیره ردیابی کاملاً مستند از مذاب شمش تا ماشینکاری نهایی برای کاربردهای هوافضا و انرژی مورد نیاز است. سیستم مدیریت کیفیت Maiterio از استانداردهای ISO 9001 و 14001 پیروی می کند و روال تست داخلی مواد با آلیاژ بالا را دارد.

سوالات متداول

آهنگری تیتانیوم چه تفاوتی با آهنگری فولادی دارد؟

آهنگری تیتانیوم به محدوده دمایی باریک‌تر، سرعت تغییر شکل آهسته‌تر، قالب‌های پیش گرم شده و کنترل دقیق‌تر جو کوره نیاز دارد. β-transus یک حد بالایی سخت برای اکثر آلیاژهای α-β است، در حالی که فولاد مرز درشت دانه برای فولادهای کربنی و آلیاژی معمولی ندارد.

β-transus چیست و چرا مهم است؟

β-transus دمایی است که در آن آلیاژ تیتانیوم کاملاً فاز β می شود. تجاوز از آن حتی تا 10 درجه سانتیگراد در حین آهنگری می تواند ساختاری کاملا β ایجاد کند که به صفحات درشت α تبدیل می شود و شکل پذیری و عمر خستگی را کاهش می دهد. مهندسان فرآیند ترانسوس واقعی را برای هر دسته از طریق تجزیه و تحلیل حرارتی تفاضلی اندازه گیری می کنند.

آیا می توان حلقه های تیتانیوم را با نورد حلقه تولید کرد؟

بله. حلقه های بدون درز تیتانیوم بر روی آسیاب های شعاعی محوری به صورت حلقه نورد می شوند. این فرآیند از کنترل‌های حرارتی مشابهی مانند آهنگری قالب باز استفاده می‌کند، اما حالت تغییر شکل جریان دانه‌ای محیطی را ایجاد می‌کند که برای نژادهای یاتاقانی و فلنج‌هایی که در معرض تنش حلقه قرار دارند مفید است.

چه مراحل تکمیلی برای آهنگری تیتانیوم ضروری است؟

سنگ زنی کیس α غنی شده با اکسیژن را از بین می برد و ماشینکاری هرگونه رسوب یا کربن زدایی باقیمانده را از بین می برد. سپس قطعات تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند، در صورت نیاز صاف می‌شوند و قبل از پذیرش با استفاده از رنگ نافذ یا آزمایش اولتراسونیک بررسی می‌شوند.