Análisis del proceso de forja de aleación de titanio en la industria de la aviación

Con el rápido desarrollo de la economía y la tecnología nacional de China, la industria aeroespacial ha visto nuevas oportunidades en los últimos años, especialmente después del establecimiento del proyecto nacional de "grandes aviones". La industria de fabricación de aviación civil se convertirá en un nuevo impulsor de crecimiento económico que lidera el desarrollo de la economía nacional, con amplias perspectivas de desarrollo. Para mejorar continuamente el avance, la confiabilidad y la aplicabilidad de las aeronaves y aumentar la competitividad del mercado internacional de los aviones producidos en el país, los requisitos para la selección de materiales aeroespaciales se están volviendo cada vez más estrictos. Las aleaciones de titanio se han convertido en el material principal para los componentes estructurales modernos de la aeronave debido a su baja densidad, alta resistencia y excelente resistencia al calor y la corrosión. Entre ellos, las paredes de aleación de titanio TC4 (TI-6Al-4V) y TB6 se usan ampliamente en la fabricación aeroespacial.

Clasificación de aleaciones de titanio y técnicas de forja
Basado en la microestructura de temperatura ambiente, las aleaciones de titanio se pueden clasificar en tres tipos: aleaciones α, aleaciones β β y aleaciones β. La plasticidad caliente y la velocidad de deformación de las aleaciones α y α+β no se ven significativamente afectadas, mientras que las aleaciones β tienen una buena perdonabilidad, pero pueden causar precipitación de fase α a bajas temperaturas. Las técnicas de forja de las aleaciones de titanio se pueden clasificar en forja convencional y forja de alta temperatura, en función de la relación entre la temperatura de forja y la temperatura de transformación β.

2.1 Forjería convencional de aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio deformables comúnmente utilizadas generalmente se forjan por debajo de la temperatura de transformación β, conocida como forja convencional. Según la temperatura de calentamiento de la palanquilla en la región de fase (α+β), se puede dividir en forja de la región de dos fases superiores y una falsificación de la región de dos fases inferior.

2.1.1 Forra de región de dos fases inferior

La forja de región de dos fases más baja generalmente se realiza a 40-50 ° C por debajo de la temperatura de transformación β, donde las fases primarias de α y β están involucradas en la deformación simultáneamente. Las temperaturas de deformación más bajas dan como resultado una mayor cantidad de fase α que participa en la deformación. En comparación con la deformación en la región β, el proceso de recristalización de la fase β se acelera significativamente en la región de dos fases inferior, lo que lleva a la formación de nuevos granos β no solo en los límites originales de grano β, sino también dentro de la capa intermedia β entre las láminas α. Las paradas producidas utilizando este proceso exhiben alta fuerza y buena ductilidad, pero todavía existe el potencial para mejorar la dureza de la fractura y el rendimiento de la fluencia.

2.1.2 Forra de región de dos fases superiores

Esta técnica implica la forja inicial a temperaturas de 10-15 ° C por debajo del punto de transformación de la fase β/(α+β). La microestructura resultante contiene una mayor proporción de la estructura de transformación β, lo que mejora la resistencia a la fluencia y la resistencia a la fractura de la aleación de titanio, logrando un equilibrio entre la plasticidad, la resistencia y la tenacidad.

2.2 Forjería de aleaciones de titanio a alta temperatura

También conocido como "forja β", esto se puede dividir en dos tipos: el primer tipo implica calentar el tocho a la región β, comenzar y completar el proceso de forja en la región β, mientras que el segundo tipo, conocido como "forja sub β", implica calentar el tocho a la región β, iniciando la forja en la región β y controlando una deformación significativa en la región de dos fases. En comparación con la forja de la región de dos fases, la forja β puede lograr una mayor resistencia a la fluencia, una dureza de fractura y un mejor rendimiento de fatiga de las aleaciones de titanio.

2.3 Forjado de matriz isotérmica de aleaciones de titanio

Esta técnica utiliza la superplasticidad y los mecanismos de fluencia del material para producir perdidas complejas. Requiere precalentar el dado y mantenerlo dentro de un rango de 760-980 ° C, con la prensa hidráulica aplicando una presión predeterminada, y la velocidad de trabajo de la prensa se ajusta automáticamente en función de la resistencia de deformación del tocho. Muchas parlotes utilizadas en aviones tienen paredes delgadas y costillas altas, lo que hace que esta técnica sea adecuada para la fabricación aeroespacial, como el proceso de forja de dado de precisión isotérmica para la aleación de titanio TB6 de aeronaves producidas en el país.

Análisis de defectos de forja TC4 y mejora del proceso
3.1 Ocurrencia y análisis de defectos de forja TC4

Cuando una cierta fábrica realizó la producción de prueba de forjado TC4 después del estándar de aviación, se descubrió que varios indicadores de rendimiento de las paradas no estaban calificados, particularmente el indicador de "fractura por estrés de muesca" es inferior a 5 horas. Para abordar este problema, el análisis comenzó con la estructura metalográfica de TC4 y luego exploró las razones en el proceso de forja.

3.1.1 Características metalográficas de TC4

La aleación de titanio TC4 es una aleación de titanio α+β con la composición de TI-6Al-4V. Su microestructura recocida consiste en fases α+β, que contiene 6% de aluminio como elemento estabilizador α, y la fase β se fortalece mediante un fortalecimiento de la solución sólida, lo que resulta en una pequeña cantidad de fase β en la estructura recocida, aproximadamente 7-10%.

La proporción, las propiedades y las formas de fases básicas α y β en la aleación de TC4 varían significativamente bajo diferentes tratamiento térmico y condiciones de trabajo en caliente. La temperatura de transformación β de la aleación TC4 es de alrededor de 1000 ° C. El calentamiento de TC4 a 950 ° C y luego el enfriamiento por aire da como resultado una estructura primaria de transformación α+β. Calentarlo a 1100 ° C y luego el enfriamiento por aire conduce a una estructura de fase β completamente transformada gruesa, conocida como estructura Widmanstätten. El calentamiento y la deformación simultáneos tienen un efecto más pronunciado; Si TC4 se calienta por encima de la temperatura de transformación β pero sufre una pequeña deformación, forma una estructura Widmanstätten. En este proceso, la plasticidad y la tenacidad del impacto disminuyen, pero la resistencia a la fluencia mejora. Si la temperatura de deformación inicial está por encima de la temperatura de transformación β pero con suficiente deformación, forma una estructura de malla. En este caso, la fase α delineada por los límites de grano β se rompe, y la fase α laminar se distorsiona, que se asemeja a una estructura de grano fino equiaxada con mejor plasticidad, dureza de impacto y rendimiento de fluencia de alta temperatura. Si la temperatura de calentamiento está por debajo de la temperatura de transformación β, y la deformación es suficiente, da como resultado una estructura equiaxed, que exhibe buenas propiedades generales, especialmente la alta plasticidad y la dureza de impacto. Si la deformación es seguida por recocido a alta temperatura en la región de fase α+β, se obtiene una estructura mixta con buenas propiedades integrales.

Basado en el análisis anterior de las estructuras metalográficas, se puede inferir que la disminución del rendimiento en TC4 puede ser causada por dos factores en el proceso de forja:

La temperatura de calentamiento es demasiado alta, alcanzando o excediendo la temperatura de transformación β.
El grado de deformación de la falsificación es insuficiente.
3.1.2 Análisis del proceso de forja TC4

La temperatura de forja afecta el tamaño del grano β y las propiedades de temperatura ambiente de las aleaciones de titanio α+β. A medida que la temperatura aumenta por encima de la temperatura de transformación β, el tamaño del grano β aumenta, mientras que el alargamiento y la contracción transversal disminuyen, lo que conduce a una plasticidad reducida. Para garantizar que las paredes de TC4 tengan buenas propiedades integrales, la forja debe realizarse por debajo de la temperatura de transformación β. Las aleaciones de titanio tienen una alta resistencia a la deformación pero una mala conductividad térmica. Durante la falsificación, el flujo severo y el martilleo pesado pueden causar sobrecalentamiento y recristalización localizadas, lo que resulta en que el engrosamiento de granos y la disminución del rendimiento. Del análisis anterior, las posibles razones del rendimiento no calificado de forja TC4 se pueden determinar preliminarmente de la siguiente manera:

La temperatura de calentamiento del lote de billets es demasiado alta, excediendo el punto de transformación β.
El impacto de forjado único es demasiado pesado, causando una deformación excesiva y provoca un sobrecalentamiento local