The Art of Precision Control: isoterminen taonta ja turbiinien siipien laadunvarmistus
TiAl-lejeeringin rajoitetun termoplastisuuden vuoksi se on takottava korkeassa lämpötilassa ja erittäin alhaisessa jännitysnopeudessa. Isotermiset taontalaitteet voivat tarjota suhteellisen isotermisen ympäristön ja hitaan venymisnopeuden. Perinteinen TiAl-terän taontaprosessi on seuraava: valuaihio tai suulakepuristettu tanko taotaan osittain taonta-aihioksi ja valmistetaan sitten esitakoiseksi, ja terä valmistetaan esitaontamalla ja lopullisella takomalla. Tällä tavalla saksalainen Rolls-Royce BR715 HPC -terä valmistetaan 3-vaiheisella isotermisellä takomalla, ja viimeinen osa valmistetaan lämpökäsittelyllä ja koneistamalla (kuva 1).
Kuva 1 Terän taontavaiheet (a) ja koneistetut terät (b)
Kuviossa 1 esitetyt terät 2 ovat Ti45AL8NB0.65 (B, C) kompressorin siivet, jotka Thyssen Company on valmistanut Rolls Roycea varten käyttämällä kuviossa 1 esitettyä reittiä. 2a, joilla on erinomainen korkeiden lämpötilojen lujuus. Vuonna 2016 MTU ilmoitti, että A320-lentokoneen PW1100G-JM-moottoriin laitettiin taottu TNM-matalapaineturbiinilapa ja se on suorittanut ensimmäisen lentonsa. Taotuista TiAl-seoksesta valmistettujen terien käyttömahdollisuudet ovat erinomaiset, ja vuodesta 2015 lähtien PW1100G-moottoreita varten on koottu 10,{13}} taottua TNM-seosteriä. TNM-seoksella on hyvät kuumatyöstöominaisuudet, ja ihanteellinen mikrorakenne ja kattavat mekaaniset ominaisuudet saadaan valamalla aihiota kahdesti ja sen jälkeen lämpökäsittelyllä.
Kuva 2 Thyssenin Rolls-Roycea varten valmistamat Ti45Al8Nb0.5(B,C) terät
Tuotannon tehokkuuden lisäämiseksi ekstruusio-lyhyttanko-aihio taottiin suoraan Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4) Rolls-Royce E3E -testimoottorin seostetyt HPC-terät. Tuoton lisäämiseksi entisestään ja taloudellisemmaksi suunniteltiin meisti useiden teräosien (erityisesti pienempien kompressorin siipien) taomiseen kerralla. Molybdeenilevylle, jonka halkaisija oli 600 mm, työstettiin 30 identtistä onteloa. Puristimen ulkopuolella alempi muotti on ladattu esimuotin osilla, ja koko muotti ja aihio asetetaan puristuskammioon ja kuumennetaan taontalämpötilaan isotermistä taontaa varten. Tällä menetelmällä voidaan takoa 30 terää kerrallaan (kuva 3).
Kuva 3 Muotti, jossa on useita esitaottuja osia (a) ja terä taomisen jälkeen (b)
Vaikka isoterminen taonta voi tehokkaasti ratkaista TiAl-terän vaikean muovauksen ongelman, koska muotti ja taonta kuumennetaan 1150 asteeseen, muotti on valmistettu molybdeeniseoksesta osien lämpötilahäviön estämiseksi pitkäaikaisessa taontaprosessissa. korkea lämmönkestävyys. Muottimateriaalin suojaamiseksi hapettumiselta taontakammioon tarvitaan tyhjiö tai inertti kaasu. PW1134G-moottorin TNM-seoksesta valmistettu matalapaineinen turbiinilapa on myös valmistettu tyhjiöisotermisellä takomalla molybdeeniseoksella. Saksalainen GKSS-tutkimuskeskus käytti koteloitua suulakepuristettua TNB-seosta suoraan koneistukseen tai yhdistettynä isotermiseen takomiseen korkeapainekompressorin TiAl-seosterän valmistukseen, josta tuli pääasiallinen valmistusmenetelmä korkeapainekompressorin TiAl-seoksesta tehdylle terälle.
TETSUI T et ai. keksi uuden TiAl-lejeeringin, joka jaetaan Ti-42Al-5Mn(%, massaosuus). Valmistusprosessissa käytetään perinteistä kuumakäsittelyä, jossa harkko kuumennetaan 1300 asteeseen lämpökäsittelyä varten ja jäähdytetään noin 1200 asteeseen taontaa tai valssausta varten, kuten kuvassa 12. Tämä koneistusmenetelmä on sama kuin tavallinen kuumamuotti. taontamuovausmenetelmä, joten terän valmistusprosessi vähentää tangon kuumapuristusprosessia, vähentää merkittävästi kustannuksia ja voi valmistaa suurempia komponentteja. Taotulla terällä on erittäin hieno mikrorakenne, mikä tekee vetolujuudesta erittäin korkean keski- ja matalassa lämpötilassa. Faasivaikutuksesta johtuen tämän seoksen korkean lämpötilan lujuus kuitenkin laskee merkittävästi, jota on vaikea käyttää pitkäaikaisissa korkean lämpötilan osissa, kuten turboahtimissa, ja sopii paremmin matalan lämpötilan tai lyhytaikaisen korkean lämpötilan terälle. osat.
Kuva 4 Mitsubishi Heavy Industriesin valmistamat TiAl-seosterät
(a) ja niiden ominaisuudet (b)
TiAl-seosterän isotermisen taontaprosessin monivaiheinen simulointi suoritetaan äärellisten elementtien simulaatiolla, joka voi tehokkaasti hallita materiaalin reologian lakia, analysoida prosessiparametrien vaikutusta, optimoida prosessin ja suuttimen suunnittelun. Samaan aikaan elementtisimulaatio ei voi vain lyhentää tuotantosykliä ja alentaa kustannuksia, vaan sillä on myös tärkeä ohjaava merkitys TiAl-seosterän taontamuovauslain tuntemuksen syventämisessä ja terän muovausprosessin optimoinnissa. Xin Jingjing et ai. käytti Deform-3D äärelliselementtiohjelmistoa simuloidakseen korkean Nb-TiAl-seoksen terän isotermistä taontaprosessia ja päätyi seuraaviin johtopäätöksiin: Terän rungon ja terän tapin vastaava jännitysjakauma isotermisessä takomisessa on tasainen, ja ylemmän muotin puristusnopeuden ja esilämmityslämpötilan kasvaessa keskitehoinen voima pienenee muodonmuutoksen aikana, mikä edistää dynaamisen esiintymistä uudelleenkiteytys. Nb-TiAl-seosterän taontalaatua voidaan parantaa, kun ylemmän muotin puristusnopeus on 1.0 ~ 1,5 mm·s-1 ja esilämmityslämpötila on 1250 ~ 13 00 tutkinto . Guan Hong et ai. valmistettu Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni-terä isoterminen taonta. Tulokset osoittavat, että TiAl-seoksen isoterminen taonta yhdistettynä esitakomiseen ja lopulliseen taontaan on mahdollista. Tiaaliseoksen lämmityslämpötila on 1200–1250 astetta, ja näyte on suojattava kotelolla, jotta lämpötila ei putoa liian nopeasti siirtoprosessin aikana. Muodonmuutosnopeus on 0,02 ~ 0,07 mm ·s-1 ja muodonmuutos on hallinnassa 20 % ~ 40 %. Tiimimme ja AVIC Power Co., Ltd. ottivat äskettäin yhdessä käyttöön menetelmän, jossa yhdistettiin simulointi ja testivarmennus, hankittiin asianmukaiset prosessiparametrit Deform-3D-elementtisimulointiohjelmistolla ja valmisteltiin TNM-lejeerinkiteriä lähes isotermisellä takomalla. Ni3Al-muottia käyttävä teknologia (KUVA 5), vertaili eri terien poikkileikkausprofiileja. Lähes isotermisen taontaprosessin ennustetarkkuus voi olla yli 90 % elementtisimulaatiolla. Verrattuna perinteiseen (tyhjiö) isotermiseen taontaprosessiin, sillä on korkea hyötysuhde, tyhjiön puuttuminen, helppo tarkkuus muodonhallinta ja alhaiset prosessikustannukset.
Kuva 5 Simuloitu(a)ja todellinen(b)lähes-isoterminen taottu terä
Tutkiakseen TiAl-seoksen taontakykyä alhaisessa lämpötilassa WANG X et al ja ZHANG H et al käyttivät elementtimenetelmää analysoidakseen isotermisen taontaprosessin korkean Nb-pitoisuuden TiAl-seoksen terän matalassa lämpötilassa ja valmistivat menestyksekkäästi korkean NB:n - tiaaliseosterä, jolla on korkea pintalaatu ja suorituskyky (KUVA 6). TiAl-seosterän muovausprosessin aikana voidaan estää terän taittumisvirheet ja vähentää terän muovausvoimaa optimoimalla esimuotoillun osan muotoa ja kokoa. Kun lämpötila on alle 1000 astetta, taontalämpötilalla ja venymänopeudella on vain vähän vaikutusta isotermisistä muottitaonnuksesta valmistetun terän tehokkaan jännityksen lopulliseen jakautumiseen. Takomisen lämpötilan noustessa ja jännitysnopeuden pienentyessä taontaterän lopullinen tehollinen jännitys pienenee ja sen jakautuminen on vähitellen tasaista. Korkean Nb-TiAl-lejeeringin terä valmistettiin onnistuneesti alle 0,01 mm·s-1 jännitysnopeudella ja alle 950 asteen lämpötilalla, eikä terään muodostunut makroskooppisia halkeamia. Samaan aikaan Harbin Institute of Technology on kehittänyt ensimmäisen tyhjiöisotermisen kuumakäsittelylaitteiston, joka voi toteuttaa tyhjiöisotermisen taonta- ja isotermisen suulakepuristuksen toiminnot, ja sitä on käytetty TiAl-seoksesta valmistettujen isotermisten taontaosien valmistuksessa. Tätä laitetta ei voida käyttää vain TiAl-lejeeringin isotermiseen muodonmuutokseen, vaan sillä on myös tärkeä sovellusarvo jauhemaisten superseoslevykomponenttien valmistuksessa.
Kuva 6 Korkean Nb-TiAl-seoksesta valmistettu terä, joka on valmistettu matalan lämpötilan isotermisellä taontaprosessilla
TETSUI T et ai. keksi uuden TiAl-lejeeringin, joka jaetaan Ti-42Al-5Mn(%, massaosuus). Valmistusprosessissa käytetään perinteistä kuumakäsittelyä, jossa harkko kuumennetaan 1300 asteeseen lämpökäsittelyä varten ja jäähdytetään noin 1200 asteeseen taontaa tai valssausta varten, kuten kuvassa 12. Tämä koneistusmenetelmä on sama kuin tavallinen kuumamuotti. taontamuovausmenetelmä, joten terän valmistusprosessi vähentää tangon kuumapuristusprosessia, vähentää merkittävästi kustannuksia ja voi valmistaa suurempia komponentteja. Taotulla terällä on erittäin hieno mikrorakenne, mikä tekee vetolujuudesta erittäin korkean keski- ja matalassa lämpötilassa. Faasivaikutuksesta johtuen tämän seoksen korkean lämpötilan lujuus kuitenkin laskee merkittävästi, jota on vaikea käyttää pitkäaikaisissa korkean lämpötilan osissa, kuten turboahtimissa, ja sopii paremmin matalan lämpötilan tai lyhytaikaisen korkean lämpötilan terälle. osat.
