Уметност прецизне контроле: изотермно ковање и обезбеђење квалитета лопатица турбине
Због ограничене термопластичности ТиАл легуре, потребно је ковати на високој температури и веома ниској брзини деформације. Опрема за изотермно ковање може да обезбеди релативно изотермно окружење и спору брзину деформације. Конвенционални процес ковања ТиАл сечива је следећи: ливена гредица или екструдирана шипка се делимично ковају у коване гредице, а затим се даље припремају у претходно ковање, а сечиво се припрема кроз претходно ковање и коначно ковање. На овај начин, немачки Роллс-Роице БР715 ХПЦ сечиво се производи 3-степеним изотермним ковањем, а завршни део се припрема топлотном обрадом и машинском обрадом (слика 1).
Слика 1 Кораци ковања сечива (а) и машински обрађена сечива (б)
Оштрице приказане на Сл. 2 су лопатице компресора Ти45АЛ8НБ0.65 (Б, Ц) које производи компанија Тхиссен за Роллс Роице користећи руту приказану на Сл. 2а, који имају одличну чврстоћу на високим температурама. У 2016. години, МТУ је објавио да је кована ТНМ лопатица турбине ниског притиска примењена на мотор ПВ1100Г-ЈМ авиона А320 и да је завршио свој први лет. Лопатице од коване легуре ТиАл показују велике изгледе за примену, а од 2015. године, 10,000 кованих сечива од ТНМ легуре састављено је за моторе ПВ1100Г. ТНМ легура показује добре особине за топлотну обраду, а идеална микроструктура и свеобухватна механичка својства се добијају двоструким ковањем гредица и накнадном топлотном обрадом.
Сл.2 Оштрице од Ти45Ал8Нб0.5(Б,Ц) које је произвео Тхиссен за Роллс-Роице
Да би се повећала ефикасност производње, екструзионо-кратка шипка је искована директно у Ти-45Ал-5Нб-0.2Б-0.2Ц(ТНБ-В4) легуре ХПЦ лопатица Роллс-Роице Е3Е тест мотора. Да би се додатно повећао принос и учинио га економичнијим, дизајнирана је матрица за ковање више делова ножа (посебно мањих ножева компресора) одједном. 30 идентичних шупљина је обрађено на молибденском диску пречника Φ600 мм. Изван пресе, доња матрица се пуни деловима предформе, а цела матрица и бланко се стављају у комору за пресу и загревају до температуре ковања за изотермно ковање. Овим методом може се истовремено исковати 30 сечива (слика 3).
Слика 3 Матрица са више унапред кованих делова (а) и сечиво након ковања (б)
Иако изотермно ковање може ефикасно решити проблем тешког формирања ТиАл сечива, јер се калуп и ковање загревају до 1150 степени, како би се спречио губитак температуре делова у дуготрајном процесу ковања, калуп је направљен од легуре молибдена. са високом отпорношћу на топлоту. Да би се материјал калупа заштитио од оксидације, потребан је вакуум или инертни гас у комори за ковање. Лопатица турбине ниског притиска од ТНМ легуре мотора ПВ1134Г је такође направљена вакуумским изотермним ковањем са калупом од легуре молибдена. Немачки истраживачки центар ГКСС је користио екструдирану легуру ТНБ у кућишту за директну машинску обраду или у комбинацији са изотермним ковањем да направи оштрицу од легуре ТиАл компресора високог притиска, која је постала главна метода припреме за сечиво од легуре ТиАл компресора високог притиска.
ТЕТСУИ Т ет ал. изумео нову легуру ТиАл, која је подељена на Ти-42Ал-5Мн(%, масени удео). Процес производње користи традиционалну врућу обраду, у којој се ингот загрева на 1300 степени Ц за термичку обраду и хлади на око 1200 степени Ц за ковање или ваљање, као што је приказано на слици 12. Ова метода обраде је иста као и обична врућа матрица. метода обликовања ковања, тако да процес производње сечива смањује процес вруће екструзије шипке, значајно смањује трошкове и може произвести веће компоненте. Ковано сечиво има веома фину микроструктуру, што чини затезну чврстоћу веома високом на средњој и ниској температури. Међутим, због утицаја фазе, високотемпературна чврстоћа ове легуре значајно опада, што је тешко користити за дуготрајне високотемпературне делове као што су турбо пуњачи, а погодније је за ниске температуре или краткотрајно високе температуре оштрице делови.
Сл.4 Оштрице од легуре ТиАл произвођача Митсубисхи Хеави Индустриес
(а) и њихова својства (б)
Симулација у више корака изотермног процеса ковања сечива од легуре ТиАл се спроводи симулацијом коначних елемената, која може ефикасно савладати закон реологије материјала, анализирати утицај параметара процеса, оптимизовати процес и дизајн калупа. Истовремено, симулација коначних елемената не само да може скратити производни циклус и смањити трошкове, већ има и важан водећи значај за продубљивање знања о закону формирања ковања сечива од легуре ТиАл и оптимизацију процеса формирања сечива. Ксин Јингјинг и др. користио Деформ-3Д софтвер коначних елемената за симулацију процеса изотермног ковања сечива од легуре високе Нб-ТиАл и дошао до следећих закључака: Еквивалентна дистрибуција деформације тела сечива и врха сечива у изотермном ковању је уједначена, и са повећањем горње брзине компресије матрице и температуре предгревања, средња ефективна сила се смањује током деформације, што је погодно за појава динамичке рекристализације. Квалитет ковања сечива од легуре Нб-ТиАл може се побољшати када је брзина пресовања горње матрице 1.0 ~ 1,5 мм·с-1 и температура предгревања 1250 ~ 13 00 степен . Гуан Хонг и др. направљено Ти-46Ал-2.5В-1.0Цр-0.3Ни изотермно ковање сечива. Резултати показују да је изотермно ковање легуре ТиАл у комбинацији са предковањем и завршним ковањем изводљиво. Температура загревања легуре тиал је 1200 ~ 1250 степени, а узорак треба заштитити кућиштем како би се спречио пребрз пад температуре током процеса преноса. Брзина деформације је 0,02 ~ 0,07 мм ·с-1, а деформација се контролише на 20% ~ 40%. Недавно су наш тим и АВИЦ Повер Цо., Лтд. заједно усвојили метод комбиновања симулације и тест верификације, добили одговарајуће параметре процеса помоћу софтвера за симулацију коначних елемената Деформ{28}Д и припремили сечива од ТНМ легуре скоро изотермним ковањем технологију коришћењем Ни3Ал калупа (слика 5), упоредили различите профиле попречног пресека лопатица. Тачност предвиђања процеса скоро изотермног ковања може бити више од 90% симулацијом коначних елемената. У поређењу са традиционалним (вакуумским) изотермним процесом ковања, има предности високе ефикасности, без вакуума, лаке прецизне контроле облика и ниске цене процеса.
Слика 5 Симулирано (а) и стварно (б) скоро изотермно ковано сечиво
Да би истражили перформансе ковања ТиАл легуре на ниским температурама, ВАНГ Кс и сарадници и ЗХАНГ Х и сарадници су користили методу коначних елемената да анализирају изотермни процес ковања сечива од легуре ТиАл са високим садржајем Нб на ниској температури и успешно припремили високу НБ. - сечиво од легуре са високим квалитетом површине и перформансама (Сл. 6). Током процеса формирања сечива од легуре ТиАл, дефекти сечива се могу спречити и сила формирања сечива може бити смањена оптимизацијом облика и величине претходно обликованог дела. Када је температура нижа од 1000 степени, температура ковања и брзина деформације имају мали утицај на коначну расподелу ефективног напрезања сечива направљеног од изотермног ковања. Са повећањем температуре ковања и смањењем брзине деформације, коначни ефективни напон сечива ковања се смањује и његова дистрибуција је постепено уједначена. Сечиво од легуре високе Нб-ТиАл успешно је припремљено при брзини деформације мањој од 0,01 мм·с-1 и температури нижој од 950 степени, а на сечиву нису формиране макроскопске пукотине. Истовремено, Технолошки институт у Харбину је развио прву вакуумску изотермну опрему за врућу обраду која може да реализује функције вакуумског изотермног ковања и изотермног екструзије, а коришћена је у припреми делова за изотермно ковање од ТиАл легуре. Овај уређај се не може користити само за изотермну деформацију ТиАл легуре, већ има и значајну примену у припреми компоненти диска од суперлегуре у праху.
Слика 6 Сечиво од легуре високе Нб-ТиАл припремљено изотермним процесом ковања на ниској температури
ТЕТСУИ Т ет ал. изумео нову легуру ТиАл, која је подељена на Ти-42Ал-5Мн(%, масени удео). Процес производње користи традиционалну врућу обраду, у којој се ингот загрева на 1300 степени Ц за термичку обраду и хлади на око 1200 степени Ц за ковање или ваљање, као што је приказано на слици 12. Ова метода обраде је иста као и обична врућа матрица. метода обликовања ковања, тако да процес производње сечива смањује процес вруће екструзије шипке, значајно смањује трошкове и може произвести веће компоненте. Ковано сечиво има веома фину микроструктуру, што чини затезну чврстоћу веома високом на средњој и ниској температури. Међутим, због утицаја фазе, високотемпературна чврстоћа ове легуре значајно опада, што је тешко користити за дуготрајне високотемпературне делове као што су турбо пуњачи, а погодније је за ниске температуре или краткотрајно високе температуре оштрице делови.
