L'art del control de precisió: forja isotèrmica i garantia de qualitat de les pales de la turbina
A causa de la termoplasticitat limitada de l'aliatge TiAl, s'ha de forjar a alta temperatura i una velocitat de tensió molt baixa. Els equips de forja isotèrmica poden proporcionar un entorn relativament isotèrmic i una velocitat de tensió lenta. El procés de forja de fulla TiAl convencional és el següent: la palanxa de fosa o la barra extruïda es forja parcialment en palanquilla de forja, i després es prepara per a la preforja, i la fulla es prepara mitjançant la preforja i la forja final. D'aquesta manera, la fulla alemanya Rolls-Royce BR715 HPC es fabrica mitjançant forja isotèrmica 3-etapa, i la peça final es prepara mitjançant tractament tèrmic i mecanitzat (figura 1).
Fig.1 Etapes de forja de fulles (a) i fulles mecanitzades (b)
Les fulles que es mostren a la FIG. 2 són les pales del compressor Ti45AL8NB0.65 (B, C) produïdes per Thyssen Company per a Rolls Royce utilitzant la ruta que es mostra a la FIG. 2a, que tenen una excel·lent resistència a alta temperatura. El 2016, MTU va anunciar que la pala forjada de la turbina de baixa pressió TNM es va aplicar al motor PW1100G-JM de l'avió de línia A320 i ha completat el seu primer vol. Les fulles d'aliatge TiAl forjats mostren grans perspectives d'aplicació i, a partir del 2015, s'han muntat 10000 fulles d'aliatge TNM forjats per a motors PW1100G. L'aliatge TNM mostra bones propietats de treball en calent, i s'obtenen una microestructura ideal i propietats mecàniques completes mitjançant la forja de palanques dues vegades i el tractament tèrmic posterior.
Fig.2 Fulles de Ti45Al8Nb0.5(B,C) fabricades per Thyssen per a Rolls-Royce
Per tal d'augmentar l'eficiència de producció, la palanca de barra curta d'extrusió es va forjar directament al Ti-45Al-5Nb{-0.2B-0.2C (TNB-V4) fulles d'aliatge HPC del motor de prova Rolls-Royce E3E. Per tal d'augmentar encara més el rendiment i fer-lo més econòmic, es va dissenyar una matriu per forjar múltiples peces de fulles (especialment les pales de compressor més petites) alhora. Es van mecanitzar 30 cavitats idèntiques en un disc de molibdè amb un diàmetre de Φ600 mm. Fora de la premsa, la matriu inferior es carrega amb peces de preforma i tota la matriu i el blanc es col·loquen a la cambra de premsa i s'escalfen a la temperatura de forja per a la forja isotèrmica. Amb aquest mètode, es poden forjar 30 fulles alhora (figura 3).
Fig.3 Matriu amb múltiples peces preforjades (a) i fulla després de la forja (b)
Tot i que la forja isotèrmica pot resoldre eficaçment el problema de la formació difícil de la fulla de TiAl, perquè el motlle i la forja s'escalfen a 1150 graus, per evitar la pèrdua de temperatura de les peces en el procés de forja a llarg termini, el motlle està fet d'aliatge de molibdè. amb alta resistència a la calor. Per protegir el material del motlle de l'oxidació, es requereix un buit o un gas inert a la cambra de forja. La pala de turbina de baixa pressió d'aliatge TNM del motor PW1134G també es fa mitjançant forja isotèrmica al buit amb motlle d'aliatge de molibdè. El centre d'investigació alemany GKSS va utilitzar l'aliatge TNB extruït encaixat per al mecanitzat directe o combinat amb la forja isotèrmica per fer una fulla d'aliatge TiAl del compressor d'alta pressió, que es va convertir en el principal mètode de preparació per a la fulla d'aliatge TiAl del compressor d'alta pressió.
TETSUI T et al. va inventar un nou aliatge de TiAl, que es divideix en Ti-42Al{-5Mn(%, fracció en massa). El procés de fabricació utilitza el processament en calent tradicional, en el qual el lingot s'escalfa a 1300 graus C per al tractament tèrmic i es refreda a uns 1200 graus C per a forjar o laminar, tal com es mostra a la figura 12. Aquest mètode de mecanitzat és el mateix que la matriu en calent normal. mètode de formació de forja, de manera que el procés de fabricació de fulles redueix el procés d'extrusió en calent de la barra, redueix significativament el cost i pot fabricar components més grans. La fulla forjada té una microestructura molt fina, la qual cosa fa que la resistència a la tracció sigui molt alta a mitja i baixa temperatura. Tanmateix, a causa de la influència de la fase, la resistència a l'alta temperatura d'aquest aliatge disminueix significativament, cosa que és difícil d'utilitzar per a peces d'alta temperatura a llarg termini, com ara turbocompressors, i és més adequada per a fulles de baixa temperatura o d'alta temperatura a curt termini. parts.
Fig.4 Pales d'aliatge TiAl fabricades per Mitsubishi Heavy Industries
(a) i les seves propietats (b)
La simulació de diversos passos del procés de forja isotèrmica de la fulla d'aliatge de TiAl es realitza mitjançant simulació d'elements finits, que pot dominar eficaçment la llei de reologia del material, analitzar la influència dels paràmetres del procés, optimitzar el procés i dissenyar la matriu. Al mateix temps, la simulació d'elements finits no només pot escurçar el cicle de producció i reduir el cost, sinó que també té una importància rectora important per aprofundir en el coneixement de la llei de formació de forja de la fulla d'aliatge TiAl i optimitzar el procés de formació de la fulla. Xin Jingjing et al. va utilitzar el programari d'elements finits Deform-3D per simular el procés de forja isotèrmica d'una fulla d'aliatge d'alt Nb-TiAl i va arribar a les conclusions següents: La distribució de la tensió equivalent del cos de la fulla i la espiga de la fulla en la forja isotèrmica és uniforme i amb l'augment de la velocitat de compressió de la matriu superior i la temperatura de preescalfament, la força efectiva mitjana disminueix durant la deformació, la qual cosa fa que es produeixi una recristal·lització dinàmica. La qualitat de forja de la fulla d'aliatge Nb-TiAl es pot millorar quan la velocitat de premsat de la matriu superior és d'1,0 ~ 1,5 mm·s-1 i la temperatura de preescalfament és de 1250 ~ 13 00 grau . Guan Hong et al. fabricat Ti-46Al-2.5V{-1.0Cr{-0.3Ni forja isotèrmica de fulla. Els resultats mostren que la forja isotèrmica de l'aliatge TiAl combinada amb la preforja i la forja final és factible. La temperatura d'escalfament de l'aliatge potencial és de 1200 ~ 1250 graus, i la mostra s'ha de protegir amb una carcassa per evitar que la temperatura caigui massa ràpid durant el procés de transferència. La taxa de deformació és de 0,02 ~ 0,07 mm ·s-1, i la deformació es controla al 20% ~ 40%. Recentment, el nostre equip i AVIC Power Co., Ltd. van adoptar conjuntament el mètode de combinar simulació i verificació de proves, van obtenir els paràmetres de procés adequats mitjançant el programari de simulació d'elements finits Deform-3D i van preparar fulles d'aliatge TNM mitjançant forja gairebé isotèrmica tecnologia utilitzant motlle Ni3Al (FIG. 5), va comparar diferents perfils de secció transversal de fulles. La precisió de predicció del procés de forja gairebé isotèrmica pot ser superior al 90% per simulació d'elements finits. En comparació amb el procés de forja isotèrmica tradicional (al buit), té els avantatges d'una alta eficiència, sense buit, un control de forma fàcil de precisió i un baix cost del procés.
Fig.5 Fulla forjada gairebé isotèrmica simulada (a) i real (b).
Per explorar el rendiment de forja de l'aliatge de TiAl a baixa temperatura, WANG X et al i ZHANG H et al van utilitzar el mètode d'elements finits per analitzar el procés de forja isotèrmica de fulles d'aliatge TiAl d'alt contingut en Nb a baixa temperatura i van preparar amb èxit un alt NB. - Full d'aliatge tial amb alta qualitat de superfície i rendiment (FIG. 6). Durant el procés de formació de la fulla d'aliatge TiAl, es poden prevenir els defectes de plegat de la fulla i es pot reduir la força de formació de la fulla optimitzant la forma i la mida de la peça preformada. Quan la temperatura és inferior a 1000 graus, la temperatura de forja i la velocitat de tensió tenen poca influència en la distribució final de la tensió efectiva de la fulla feta de forja isotèrmica. Amb l'augment de la temperatura de forja i la disminució de la velocitat de tensió, la tensió efectiva final de la fulla de forja disminueix i la seva distribució és gradualment uniforme. La fulla d'aliatge d'alt Nb-TiAl es va preparar amb èxit a una velocitat de tensió inferior a 0,01 mm·s-1 i una temperatura inferior a 950 graus, i no es van formar esquerdes macroscòpiques a la fulla. Al mateix temps, l'Institut Tecnològic de Harbin ha desenvolupat el primer equip de processament en calent isotèrmic al buit que pot realitzar les funcions de forja isotèrmica al buit i extrusió isotèrmica, i s'ha utilitzat en la preparació de peces de forja isotèrmica d'aliatge TiAl. Aquest dispositiu no només es pot utilitzar per a la deformació isotèrmica de l'aliatge TiAl, sinó que també té un valor d'aplicació important en la preparació de components de disc de superaliatge en pols.
Fig.6 Fulla d'aliatge d'alt Nb-TiAl preparada per procés de forja isotèrmica a baixa temperatura
TETSUI T et al. va inventar un nou aliatge de TiAl, que es divideix en Ti-42Al{-5Mn(%, fracció en massa). El procés de fabricació utilitza el processament en calent tradicional, en el qual el lingot s'escalfa a 1300 graus C per al tractament tèrmic i es refreda a uns 1200 graus C per a forjar o laminar, tal com es mostra a la figura 12. Aquest mètode de mecanitzat és el mateix que la matriu en calent normal. mètode de formació de forja, de manera que el procés de fabricació de fulles redueix el procés d'extrusió en calent de la barra, redueix significativament el cost i pot fabricar components més grans. La fulla forjada té una microestructura molt fina, la qual cosa fa que la resistència a la tracció sigui molt alta a mitja i baixa temperatura. Tanmateix, a causa de la influència de la fase, la resistència a l'alta temperatura d'aquest aliatge disminueix significativament, cosa que és difícil d'utilitzar per a peces d'alta temperatura a llarg termini, com ara turbocompressors, i és més adequada per a fulles de baixa temperatura o d'alta temperatura a curt termini. parts.
