Изкуството на прецизния контрол: изотермично коване и осигуряване на качеството на турбинните перки
Поради ограничената термопластичност на сплавта TiAl, тя трябва да бъде изкована при висока температура и много ниска скорост на деформация. Оборудването за изотермично коване може да осигури относително изотермична среда и ниска скорост на деформация. Конвенционалният процес на коване на острие от TiAl е както следва: леярската заготовка или екструдираният прът е частично изкована в заготовка за коване и след това допълнително се подготвя в предварително коване, а острието се подготвя чрез предварително коване и окончателно коване. По този начин острието на немския Rolls-Royce BR715 HPC е произведено чрез 3-етапно изотермично коване, а крайната част е подготвена чрез топлинна обработка и механична обработка (Фигура 1).
Фиг.1 Етапи на коване на острие (a) и машинно обработени остриета (b)
Остриетата, показани на фиг. 2 са Ti45AL8NB0.65 (B, C) компресорни лопатки, произведени от Thyssen Company за Rolls Royce, използвайки маршрута, показан на ФИГ. 2а, които имат отлична якост при висока температура. През 2016 г. MTU обяви, че кованата TNM турбинна лопатка за ниско налягане е била приложена към двигателя PW1100G-JM на самолета A320 и той е изпълнил първия си полет. Кованите лопатки от TiAl сплав показват големи перспективи за приложение и от 2015 г. са сглобени 10 000 ковани лопатки от TNM сплав за двигатели PW1100G. TNM сплавта показва добри свойства за гореща обработка и идеална микроструктура и цялостни механични свойства се получават чрез двукратно изковаване на заготовки и последваща топлинна обработка.
Фиг.2 Остриета от Ti45Al8Nb0.5(B,C), произведени от Thyssen за Rolls-Royce
За да се повиши ефективността на производството, заготовката от екструзионни къси пръти беше изкована директно в Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4) сплав HPC перки на тестовия двигател Rolls-Royce E3E. За да се увеличи допълнително добивът и да се направи по-икономичен, беше проектирана матрица за изковаване на множество части с лопатки (особено по-малки лопатки на компресора) наведнъж. 30 идентични кухини бяха обработени върху молибденов диск с диаметър Φ600 mm. Извън пресата долната матрица се зарежда с детайли на заготовката, а цялата матрица и заготовката се поставят в камерата на пресата и се нагряват до температурата на коване за изотермично коване. С този метод могат да бъдат изковани 30 остриета наведнъж (Фигура 3).
Фиг.3 Матрица с множество предварително изковани части (a) и острие след изковаване (b)
Въпреки че изотермичното коване може ефективно да реши проблема с трудното формоване на TiAl острието, тъй като матрицата и коването се нагряват до 1150 градуса, за да се предотврати загубата на температура на частите в дългосрочния процес на коване, формата е изработена от молибденова сплав с висока устойчивост на топлина. За да се предпази формовъчният материал от окисление, в камерата за коване е необходим вакуум или инертен газ. Турбинната лопатка от TNM сплав за ниско налягане на двигателя PW1134G също е направена чрез вакуумно изотермично коване с матрица от молибденова сплав. Германският изследователски център GKSS използва обвитата екструдирана сплав TNB за директна машинна обработка или в комбинация с изотермично коване, за да направи лопатка от сплав TiAl за компресор за високо налягане, която се превърна в основния метод за подготовка на лопатка от сплав TiAl за компресор за високо налягане.
TETSUI T et al. изобрети нова сплав TiAl, която е разделена на Ti-42Al-5Mn(%, масова част). Производственият процес използва традиционна гореща обработка, при която слитъкът се нагрява до 1300 градуса C за топлинна обработка и се охлажда до около 1200 градуса C за коване или валцуване, както е показано на фигура 12. Този метод на обработка е същият като обикновената гореща матрица метод на формоване на коване, така че производственият процес на острието намалява процеса на горещо екструдиране на пръта, значително намалява разходите и може да произвежда по-големи компоненти. Кованото острие има много фина микроструктура, което прави якостта на опън много висока при средна и ниска температура. Въпреки това, поради влиянието на фазата, високата температурна якост на тази сплав намалява значително, което е трудно да се използва за дълготрайни високотемпературни части като турбокомпресори и е по-подходящо за ниска температура или краткотрайна висока температура на острието части.
Фиг.4 Остриета от сплав TiAl, произведени от Mitsubishi Heavy Industries
(а) и техните свойства (б)
Многоетапната симулация на изотермичен процес на коване на лопатка от TiAl сплав се извършва чрез симулация на крайни елементи, която може ефективно да овладее закона за реология на материала, да анализира влиянието на параметрите на процеса, да оптимизира процеса и дизайна на матрицата. В същото време симулацията с крайни елементи може не само да съкрати производствения цикъл и да намали разходите, но също така има важно насочващо значение за задълбочаване на знанията за закона за формоване на коване на острието от TiAl сплав и оптимизиране на процеса на формоване на острието. Xin Jingjing и др. използва Deform-3D софтуер за крайни елементи, за да симулира процеса на изотермично коване на острие от сплав с високо съдържание на Nb-TiAl и стигна до следните заключения: Еквивалентното разпределение на деформацията на тялото на острието и шипа на острието при изотермично коване е равномерно и с увеличаване на скоростта на компресиране на горната матрица и температурата на предварително нагряване, средната ефективна сила намалява по време на деформация, което е благоприятно за появата на динамична рекристализация. Качеството на коване на острието от сплав Nb-TiAl може да се подобри, когато скоростта на пресоване на горната матрица е 1.0 ~ 1,5 mm·s-1 и температурата на предварително нагряване е 1250 ~ 13 00 степен. Guan Hong и др. Изработено Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni изотермично коване на острието. Резултатите показват, че изотермичното коване на TiAl сплав, комбинирано с предварително коване и окончателно коване, е възможно. Температурата на нагряване на tial сплавта е 1200 ~ 1250 градуса и пробата трябва да бъде защитена с обвивка, за да се предотврати твърде бързо падане на температурата по време на процеса на прехвърляне. Степента на деформация е 0,02 ~ 0,07 mm ·s-1, а деформацията се контролира на 20% ~ 40%. Наскоро нашият екип и AVIC Power Co., Ltd. съвместно приеха метода за комбиниране на симулация и тестова проверка, получиха подходящите параметри на процеса чрез софтуер за симулация на крайни елементи Deform-3D и подготвиха остриета от TNM сплав чрез почти изотермично коване технология, използваща калъп Ni3Al (ФИГ. 5), сравнява различни профили на напречното сечение на остриета. Точността на прогнозиране на почти изотермичен процес на коване може да бъде повече от 90% чрез симулация с крайни елементи. В сравнение с традиционния (вакуум) изотермичен процес на коване, той има предимствата на висока ефективност, без вакуум, лесен прецизен контрол на формата и ниска цена на процеса.
Фиг.5 Симулирано (a) и действително (b) почти изотермично ковано острие
За да изследват ефективността на коване на сплав TiAl при ниска температура, WANG X et al и ZHANG H et al използваха метода на крайните елементи, за да анализират процеса на изотермично коване на острие от сплав TiAl с високо съдържание на Nb при ниска температура и успешно подготвиха високо NB -острие от сплав с високо качество на повърхността и производителност (ФИГ. 6). По време на процеса на формоване на острието от TiAl сплав, дефектите на сгъване на острието могат да бъдат предотвратени и силата на оформяне на острието може да бъде намалена чрез оптимизиране на формата и размера на предварително формованата част. Когато температурата е по-ниска от 1000 градуса, температурата на коване и скоростта на деформация имат малко влияние върху крайното разпределение на ефективното напрежение на острието, направено от изотермично коване. С повишаването на температурата на коване и намаляването на скоростта на деформация крайното ефективно напрежение на ковашкото острие намалява и разпределението му постепенно става равномерно. Острието от сплав с високо съдържание на Nb-TiAl беше успешно подготвено при скорост на деформация, по-ниска от 0,01 mm·s-1 и температура под 950 градуса, и по острието не бяха образувани макроскопични пукнатини. В същото време Харбинският технологичен институт разработи първото вакуумно изотермично оборудване за гореща обработка, което може да реализира функциите на вакуумно изотермично коване и изотермично екструдиране и е използвано при подготовката на части за изотермично коване от TiAl сплав. Това устройство може не само да се използва за изотермична деформация на TiAl сплав, но също така има важна приложна стойност при подготовката на дискови компоненти от прахова суперсплав.
Фиг.6 Острие от сплав с високо съдържание на Nb-TiAl, получено чрез нискотемпературен процес на изотермично коване
TETSUI T et al. изобрети нова сплав TiAl, която е разделена на Ti-42Al-5Mn(%, масова част). Производственият процес използва традиционна гореща обработка, при която слитъкът се нагрява до 1300 градуса C за топлинна обработка и се охлажда до около 1200 градуса C за коване или валцуване, както е показано на фигура 12. Този метод на обработка е същият като обикновената гореща матрица метод на формоване на коване, така че производственият процес на острието намалява процеса на горещо екструдиране на пръта, значително намалява разходите и може да произвежда по-големи компоненти. Кованото острие има много фина микроструктура, което прави якостта на опън много висока при средна и ниска температура. Въпреки това, поради влиянието на фазата, високата температурна якост на тази сплав намалява значително, което е трудно да се използва за дълготрайни високотемпературни части като турбокомпресори и е по-подходящо за ниска температура или краткотрайна висока температура на острието части.
