A precíziós szabályozás művészete: izoterm kovácsolás és turbinalapátok minőségbiztosítása
A TiAl ötvözet korlátozott hőre lágyuló képessége miatt magas hőmérsékleten és nagyon alacsony alakváltozási sebességen kell kovácsolni. Az izoterm kovácsoló berendezések viszonylag izoterm környezetet és lassú nyúlási sebességet biztosítanak. A hagyományos TiAl pengekovácsolási eljárás a következő: az öntött tuskót vagy extrudált rudat részben kovácsolt tuskóvá kovácsolják, majd tovább készítik előkovácsolássá, és a pengét előkovácsolással és végső kovácsolással készítik elő. Ily módon a német Rolls-Royce BR715 HPC pengét 3-lépcsős izoterm kovácsolással, a végső alkatrészt pedig hőkezeléssel és megmunkálással készítik el (1. ábra).
1. ábra Pengekovácsolási lépések (a) és megmunkált pengék (b)
ábrán látható pengék. A 2. ábrán a Thyssen Company által a Rolls Royce számára gyártott Ti45AL8NB0.65 (B, C) kompresszorlapátok az 1. ábrán látható módon. 2a, amelyek kiváló magas hőmérsékleti szilárdsággal rendelkeznek. 2016-ban az MTU bejelentette, hogy az A320-as utasszállító PW1100G-JM hajtóművére a kovácsolt TNM kisnyomású turbinalapátot alkalmazták, és ez befejezte első repülését. A kovácsolt TiAl ötvözet pengék nagyszerű alkalmazási kilátásokat mutatnak, és 2015-től 10,{13}} kovácsolt TNM ötvözet pengéket szereltek össze a PW1100G motorokhoz. A TNM ötvözet jó melegmegmunkálási tulajdonságokat mutat, ideális mikroszerkezetet és átfogó mechanikai tulajdonságokat pedig a tuskó kétszeri öntésével és az azt követő hőkezeléssel érik el.
2. ábra Ti45Al8Nb0.5(B,C) pengék, amelyeket a Thyssen gyártott a Rolls-Royce számára
A termelés hatékonyságának növelése érdekében az extrudált rövid rúdtuskót közvetlenül a Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4) kovácsolták. a Rolls-Royce E3E tesztmotor ötvözött HPC pengéi. A hozam további növelése és gazdaságosabbá tétele érdekében több lapátalkatrész (különösen kisebb kompresszorlapátok) egyidejű kovácsolására szolgáló szerszámot terveztek. Φ600 mm átmérőjű molibdén korongon 30 egyforma üreget alakítottunk ki. A présen kívül az alsó szerszámot megtöltik előgyártmány-alkatrészekkel, és az egész szerszámot és a nyersdarabot a préskamrába helyezik, és az izoterm kovácsoláshoz kovácsolási hőmérsékletre melegítik. Ezzel a módszerrel egyszerre 30 penge kovácsolható (3. ábra).
3. ábra Több előre kovácsolt résszel (a) és pengével kovácsolás után (b)
Bár az izoterm kovácsolás hatékonyan megoldhatja a TiAl penge nehéz alakításának problémáját, mivel a formát és a kovácsolást 1150 fokra melegítik, annak érdekében, hogy megakadályozzák az alkatrészek hőmérséklet-veszteségét a hosszú távú kovácsolási folyamat során, a forma molibdénötvözetből készül. nagy hőállósággal. A formaanyag oxidáció elleni védelme érdekében vákuumra vagy inert gázra van szükség a kovácsolókamrában. A PW1134G motor TNM ötvözetből készült alacsony nyomású turbinalapátja szintén vákuum izoterm kovácsolással készül, molibdénötvözet öntőformával. A német GKSS kutatóközpont a burkolt extrudált TNB ötvözetet közvetlen megmunkáláshoz vagy izoterm kovácsolással kombinálva nagynyomású kompresszor TiAl ötvözet pengéjének előállításához használta fel, amely a nagynyomású kompresszor TiAl ötvözet pengéjének fő előkészítési módszere lett.
TETSUI T et al. feltalált egy új TiAl ötvözetet, amelyet Ti-42Al-5Mn-re (% tömeghányad) osztanak fel. A gyártási folyamat hagyományos forró feldolgozást alkalmaz, amelyben a tuskót 1300 °C-ra melegítik fel hőkezeléshez, és körülbelül 1200 °C-ra hűtik kovácsoláshoz vagy hengerléshez, amint az a 12. ábrán látható. Ez a megmunkálási módszer megegyezik a hagyományos forró szerszámmal. kovácsolási formázási módszer, így a pengegyártási folyamat csökkenti a rúd forró extrudálási folyamatát, jelentősen csökkenti a költségeket, és nagyobb alkatrészeket tud gyártani. A kovácsolt penge nagyon finom mikroszerkezettel rendelkezik, aminek köszönhetően a szakítószilárdság nagyon magas közepes és alacsony hőmérsékleten. A fázis hatása miatt azonban ennek az ötvözetnek a magas hőmérsékleti szilárdsága jelentősen csökken, ami nehezen használható hosszú távú magas hőmérsékletű alkatrészekhez, például turbófeltöltőkhöz, és jobban megfelel alacsony hőmérsékletű vagy rövid távú magas hőmérsékletű lapátokhoz. alkatrészek.
4. ábra A Mitsubishi Heavy Industries által gyártott TiAl ötvözet pengék
(a) és tulajdonságaik (b)
A TiAl ötvözet penge izoterm szerszámkovácsolási folyamatának többlépcsős szimulációja végeselemes szimulációval történik, amely hatékonyan elsajátítja az anyag reológiai törvényét, elemzi a folyamat paramétereinek hatását, optimalizálja a folyamatot és a szerszám tervezését. Ugyanakkor a végeselemes szimuláció nemcsak lerövidítheti a gyártási ciklust és csökkentheti a költségeket, hanem fontos irányadó jelentőséggel bír a TiAl ötvözet penge kovácsolási formázási törvényének ismeretében és a penge alakítási folyamatának optimalizálása szempontjából. Xin Jingjing et al. a Deform-3D végeselemes szoftvert használta a nagy Nb-TiAl ötvözet pengék izoterm kovácsolási folyamatának szimulálására, és a következő következtetésekre jutott: A pengetest és a pengecsap ekvivalens nyúláseloszlása izoterm kovácsolásnál egyenletes, és a felső szerszám kompressziós sebességének és az előmelegítési hőmérsékletnek a növekedésével a közepes effektív erő csökken a deformáció során, ami elősegíti a dinamikus megjelenést átkristályosítás. Az Nb-TiAl ötvözet penge kovácsolási minősége javítható, ha a felső szerszám préselési sebessége 1.0 ~ 1,5 mm·s-1 és az előmelegítési hőmérséklet 1250 ~ 13 00 fokozat . Guan Hong és mtsai. készült Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni penge izoterm kovácsolás. Az eredmények azt mutatják, hogy a TiAl ötvözet izoterm kovácsolása az előkovácsolással és a végső kovácsolással kombinálva megvalósítható. A tial ötvözet melegítési hőmérséklete 1200-1250 fok, és a mintát burkolattal kell védeni, hogy megakadályozza a hőmérséklet túl gyors csökkenését az átviteli folyamat során. Az alakváltozási sebesség 0,02 ~ 0,07 mm ·s-1, és a deformáció 20% ~ 40% között van szabályozva. A közelmúltban csapatunk és az AVIC Power Co., Ltd. közösen alkalmazták a szimuláció és a tesztellenőrzés kombinálásának módszerét, megkapták a megfelelő folyamatparamétereket a Deform-3D végeselemes szimulációs szoftverrel, és közel izoterm kovácsolással készítették elő a TNM ötvözet pengéket. Ni3Al öntőformát használó technológia (5. ÁBRA) összehasonlította a pengék különböző keresztmetszetű profiljait. A közel izoterm kovácsolási folyamat előrejelzési pontossága végeselemes szimulációval több mint 90%. A hagyományos (vákuum) izoterm kovácsolási eljáráshoz képest előnye a nagy hatékonyság, a vákuummentesség, a könnyű precíziós alakszabályozás és az alacsony eljárási költség.
5. ábra Szimulált(a) és tényleges(b) közel izoterm kovácsolt penge
A TiAl ötvözet alacsony hőmérsékleten való kovácsolási teljesítményének feltárása érdekében WANG X és mtsai és ZHANG H és munkatársai végeselem-módszert alkalmaztak a magas Nb-tartalmú TiAl ötvözet penge izoterm kovácsolási folyamatának elemzésére alacsony hőmérsékleten, és sikeresen elkészítették a magas NB-t. - ötvözött penge kiváló felületi minőséggel és teljesítménnyel (6. ÁBRA). A TiAl ötvözet penge alakítási folyamata során az előformázott rész alakjának és méretének optimalizálásával megelőzhetők a penge felhajtási hibái, és csökkenthető a penge alakítóereje. Ha a hőmérséklet 1000 foknál alacsonyabb, a kovácsolási hőmérséklet és az alakváltozási sebesség csekély hatással van az izoterm kovácsolásból készült penge effektív alakváltozásának végső eloszlására. A kovácsolási hőmérséklet emelkedésével és az alakváltozási sebesség csökkenésével a kovácsolópenge végső effektív feszültsége csökken, eloszlása fokozatosan egyenletessé válik. A nagy Nb-TiAl ötvözetű pengét 0,01 mm·s-1-nál kisebb alakváltozási sebességgel és 950 foknál alacsonyabb hőmérsékleten sikerült elkészíteni, és nem képződtek makroszkopikus repedések a pengén. Ugyanakkor a Harbin Institute of Technology kifejlesztette az első vákuum-izoterm forró feldolgozó berendezést, amely képes megvalósítani a vákuum-izoterm kovácsolás és az izoterm extrudálás funkcióit, és TiAl ötvözet izoterm kovácsolási alkatrészek előállítására is felhasználták. Ez az eszköz nem csak a TiAl ötvözet izoterm deformálására használható, hanem fontos alkalmazási értéke is van a por szuperötvözet tárcsaalkatrészeinek előállításában.
6. ábra Magas Nb-TiAl ötvözetből készült penge alacsony hőmérsékletű izoterm kovácsolási eljárással
TETSUI T et al. feltalált egy új TiAl ötvözetet, amelyet Ti-42Al-5Mn-re (% tömeghányad) osztanak fel. A gyártási folyamat hagyományos forró feldolgozást alkalmaz, amelyben a tuskót 1300 °C-ra melegítik fel hőkezeléshez, és körülbelül 1200 °C-ra hűtik kovácsoláshoz vagy hengerléshez, amint az a 12. ábrán látható. Ez a megmunkálási módszer megegyezik a hagyományos forró szerszámmal. kovácsolási formázási módszer, így a pengegyártási folyamat csökkenti a rúd forró extrudálási folyamatát, jelentősen csökkenti a költségeket, és nagyobb alkatrészeket tud gyártani. A kovácsolt penge nagyon finom mikroszerkezettel rendelkezik, aminek köszönhetően a szakítószilárdság nagyon magas közepes és alacsony hőmérsékleten. A fázis hatása miatt azonban ennek az ötvözetnek a magas hőmérsékleti szilárdsága jelentősen csökken, ami nehezen használható hosszú távú magas hőmérsékletű alkatrészekhez, például turbófeltöltőkhöz, és jobban megfelel alacsony hőmérsékletű vagy rövid távú magas hőmérsékletű lapátokhoz. alkatrészek.
