Leistung von GR5-Titanschmiedeteilen im hydraulischen Press- und Schmiedehammerschmiedeverfahren

Vorwort

Die Titanlegierung GR5 verfügt über gute umfassende Eigenschaften und kann in der Luft- und Raumfahrt, Petrochemie, Schiffstechnik, im Transportwesen und in anderen Bereichen eingesetzt werden. Mit der rasanten Entwicklung der chinesischen Luft- und Raumfahrtindustrie steigt auch die Nachfrage nach Schmiedeteilen aus GR5-Titanlegierung. Daher ist die Forschung an Schmiedestücken aus GR5-Titanlegierungen von großer Bedeutung.

Schmieden ist eine spezielle Verarbeitungstechnologie, die die Festigkeit und Härte von Metallwerkstoffen deutlich verbessern kann. Es bietet die Vorteile einer hohen Produktionseffizienz, niedriger Produktionskosten und einer guten Produktqualität. Mit der Entwicklung und dem Fortschritt der Schmiedetechnik entwickelt sich auch die Schmiedetechnik ständig weiter. und Perfektion.

In den letzten Jahren werden Schmiedeteile aus Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt immer häufiger eingesetzt und ihre Leistungsanforderungen sind immer höher geworden. Die Herstellung hochwertiger, leistungsstarker Schmiedeteile aus GR5-Titanlegierung ist in der Luft- und Raumfahrt zu einem dringenden Problem geworden.

Herstellungsprozess von Schmiedestücken aus Titanlegierungen

Titanlegierung ist ein Metallmaterial mit hervorragenden Gesamteigenschaften. Aufgrund seiner geringen Dichte, hohen spezifischen Festigkeit und guten Korrosionsbeständigkeit wird es häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffsbau und in anderen Bereichen eingesetzt. Derzeit umfassen die Herstellungsprozesse von Titanlegierungen hauptsächlich Schmieden und Gießen, wobei das Schmieden in Kaltschmieden und Warmschmieden unterteilt wird.

Beim Kaltschmieden wird ein Schmiedehammer bei Raumtemperatur vertikal auf Schmiedestücke aus Titanlegierung geschlagen, wodurch das Metall langsam und gleichmäßig entlang der Länge des Schmiedestücks fließt und so eine gleichmäßige Mikrostruktur im Inneren des Schmiedestücks entsteht. Die Vorteile des Kaltschmiedens sind einfache Ausrüstung, großer Schmiedetemperaturbereich, Eignung für die Massenproduktion und niedrige Produktionskosten; Die Nachteile sind ein komplexer Schmiedeprozess, eine hohe Verformungsbeständigkeit und eine lange Schmiedezeit.

 

Unter Warmschmieden versteht man die Bildung einer Vielzahl von Mikrostruktur- und Strukturdefekten wie Martensit, Ferrit usw. im Inneren des Schmiedestücks durch Warmfließpressen, isothermes Schmieden, isothermes Normalisieren und andere Prozesse. Die Vorteile von Warmschmiedeteilen liegen in der einfachen Ausrüstung und der Fähigkeit, großen Verformungskräften und Verformungstemperaturen standzuhalten; Die Nachteile sind lange Produktionszyklen und eine geringe Produktionseffizienz.

Während des Schmiedeprozesses verfügt die GR5-Titanlegierung aufgrund ihres eigenen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der sich von herkömmlichen Metallmaterialien unterscheidet, über einen breiten Schmiedetemperaturbereich und gute Warmverarbeitungseigenschaften.

Daher werden Schmiedeteile aus GR5-Titanlegierungen im Allgemeinen durch Schmieden hergestellt. Um die Qualität von Schmiedestücken aus GR5-Titanlegierungen sicherzustellen, werden diese im Allgemeinen auf einen Prozesstemperaturbereich erhitzt, bevor sie mit einer Presse geschmiedet werden.

Für das Warmschmieden von Titanlegierungen gibt es derzeit zwei Hauptmethoden: Die eine besteht darin, das geschmiedete Stück in den Heizofen zu legen und es vor dem Schmieden auf die Prozesstemperatur zu erhitzen. Die andere besteht darin, die Titanlegierung durch Warmgesenkschmieden warm zu schmieden. Unter Warmgesenkschmieden versteht man ein Verfahren, bei dem eine auf die Prozesstemperatur erhitzte Titanlegierung in eine Form gegeben und durch die Form geformt wird.

Die Vorteile des Warmgesenkschmiedens sind ein geringer Verformungswiderstand und eine gleichmäßige Verformung, wodurch innere Defekte von Schmiedestücken reduziert und die Qualität und Leistung von Schmiedestücken verbessert werden können. Der Nachteil besteht darin, dass eine hohe Maßgenauigkeit und Formgenauigkeit der Schmiedeteile erforderlich ist.

Es gibt drei Hauptmethoden des Warmgesenkschmiedens von Titanlegierungen: Eine davon ist das kontinuierliche Schmieden, bei dem Maschinen zum kontinuierlichen Schmieden von Schmiedestücken eingesetzt werden, was derzeit auch die am weitesten verbreitete Methode ist; das andere ist das halbkontinuierliche Schmieden, was bedeutet, dass sich die Schmiedestücke in der Form drehen, aber nicht kontinuierlich geschmiedet werden können; Das dritte ist das freie Schmieden, das heißt, während des Schmiedevorgangs wird keine Drehung durchgeführt, das Schmiedestück kann jedoch gebogen werden.

Organisationsbeobachtung und -analyse

Bei Betrachtung der metallografischen Struktur von GR5-Titanlegierungsschmiedestücken ist ersichtlich, dass die Rohstruktur nach dem Schmieden aus nahezu kreisförmigem säulenförmigem Martensit + einer kleinen Menge Restaustenit besteht, während die Struktur des Schmiedestücks aus nahezu kreisförmigem säulenförmigem Martensit + einer kleinen Menge besteht Restaustenit. Es gibt einen offensichtlichen Unterschied zwischen den beiden Körpern, und der Rohling weist nach dem Schmieden eine große seitliche Schrumpfung auf, was zu einem Unterschied in der seitlichen Größe des Schmiedestücks führt.

Während des Schmiedeprozesses wird die Hochtemperaturlegierung aufgrund der hohen Temperatur der hydraulischen Presse schnell auf über 1000 Grad erhitzt, was zu einer übermäßigen Erwärmungsgeschwindigkeit des Schmiedens, unzureichender Abschreckung und Oberflächenoxidation führt.

Gleichzeitig führt eine zu hohe Schmiedetemperatur auch zu einer übermäßigen Verformung während des Schmiedevorgangs der hydraulischen Presse, und beim anschließenden Erhitzen kommt es zu Oxidation und Entkohlung. Diese beiden Gründe führen zu großen Unterschieden in den seitlichen Abmessungen von Schmiedestücken.

Die Analyse der Mikrostruktur der Schmiedestücke zeigt, dass die Abkühlrate während des Schmiedevorgangs relativ groß ist, während die Abkühlrate des Rohlings nach dem hydraulischen Maschinenschmieden relativ gering ist. Der übermäßige Temperaturanstieg während des Schmiedeprozesses führt zu großen Unterschieden in den Querabmessungen der Schmiedestücke. Gleichzeitig kommt es während des Schmiedeprozesses zu einem unterschiedlich starken Wachstum der Schmiedekörner.

Aufgrund der schnellen Abkühlungsgeschwindigkeit des Rohlings nach dem Schmieden ist die Korngröße des Schmiedestücks sehr unterschiedlich. Die Korngröße des Schmiedestücks während des Schmiedeprozesses ist deutlich größer als die Korngröße des Rohlings nach dem Schmieden mit einer hydraulischen Maschine; Die beim Schmieden entstehende Mikrostruktur ist überwiegend nahezu kreisförmig und säulenförmig. Martensit + eine kleine Menge Restaustenit; Beim Schmiedevorgang sind die Schmiedekörner grob und ungleichmäßig verteilt.

Aufgrund der hohen Schmiedetemperatur weist die Titanlegierung GR5 bei Raumtemperatur eine hohe Festigkeit und Härte auf, während die Schmiedetemperatur zu niedrig ist, was zu unzureichender plastischer Verformungsfähigkeit, unzureichender Abschreckung und Oxidation führt.

Darüber hinaus kommt es aufgrund der hohen Heiztemperatur der hydraulischen Presse beim Schmieden zu Oxidation und es bilden sich Oxidablagerungen auf der Oberfläche des fertig geschmiedeten Rohlings.

Experiment zur Zugeigenschaft

Die Zugeigenschaften der GR5-Titanlegierung bei Raumtemperatur werden von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Legierungszusammensetzung, Korngröße, Dehnungsrate, Verformungsgrad usw.

Erstens ist der Durchmesser von Schmiedestücken im Allgemeinen kleiner als der von warmgewalzten Stangen. Die Verformungstemperatur ist während der Schmiedeerwärmung niedriger und es ist schwierig, den Verformungsgrad während des Verformungsprozesses zu kontrollieren. Daher werden die Zugeigenschaften von Schmiedestücken stark vom Grundmaterial und dem Schmiedeprozess beeinflusst. Unter den gleichen Bedingungen sind die Zugeigenschaften der durch hydraulische Pressen geschmiedeten GR5-Titanlegierung besser als die durch Schmieden mit Hammer geschmiedeten, beim Schmieden mit Hammer gibt es jedoch ein Hauptproblem: Warmkompressionsverformung.

Da es während des Schmiedeprozesses der hydraulischen Presse zu einem gewissen Grad an Erwärmung und Abkühlung kommt, können die Verformungstemperatur und die Verformungsgeschwindigkeit während der Wärmebehandlung besser kontrolliert werden, wodurch eine höhere Plastizität gewährleistet wird. Aufgrund der niedrigeren Erwärmungstemperatur und der schnelleren Abkühlrate beim Schmieden mit Hammer ist die Plastizität von Schmiedestücken nicht so gut wie die von hydraulischen Pressschmiedestücken.

Unter den gleichen Bedingungen kann das Schmieden die Zugeigenschaften der GR5-Titanlegierung deutlich verbessern, mehr als das Hammerschmieden. Bei Schmiedestücken aus GR5-Titanlegierung mit den gleichen Spezifikationen sind die Zugeigenschaften des hydraulischen Pressschmiedens besser als die des Schmiedehammerschmiedens; Unter den gleichen Bedingungen kann das Schmieden mit einem Hammer die Zugeigenschaften der Titanlegierung GR5 erheblich verbessern als das Schmieden mit hydraulischer Presse.

Bei gleicher Streckgrenze sind die Zugeigenschaften der durch hydraulische Presse geschmiedeten GR5-Titanlegierung nach dem Schmieden besser als die der durch Schmiedehammer geschmiedeten GR5-Titanlegierung. Dies liegt daran, dass hydraulische Pressschmiedeteile aufgrund von Faktoren wie geringer Verformung, niedriger Verformungstemperatur und langsamer Verformungsgeschwindigkeit eine geringe innere Restspannung aufweisen. und die Zugeigenschaften der GR5-Titanlegierung, die nach dem Schmieden mit einem Schmiedehammer geschmiedet wurde, sind besser als nach dem Schmieden mit einer hydraulischen Presse.

Dies liegt daran, dass beim Schmieden mit einem Schmiedehammer während des Schmiede- und Hämmervorgangs große Eigenspannungen entstehen, die zu großen Zugspannungen im Inneren des Materials führen, was zu einer starken plastischen Verformung des Materials führt; Beim Schmieden mit einer hydraulischen Presse befindet sich das Metall während des Schmiedevorgangs in einem frei fließenden Zustand und es gibt keine Restspannung im Material, wodurch der Grad der plastischen Verformung des Materials sichergestellt wird.

Analyse der Leistungsergebnisse mechanischer Tests

Der Festigkeitswert und die Dehnung der GR5-Titanlegierungsprobe nach dem Schmieden mit einer hydraulischen Presse sind höher als nach dem Schmieden mit einem Schmiedehammer. Dies liegt daran, dass während des Schmiedeprozesses im Schmiedeteil eine große Anzahl von Verunreinigungselementen entsteht und das Vorhandensein dieser Verunreinigungselemente zu einer Verformung der GR5-Titanlegierung führt. Starke Rekristallisation.

Während des Walzvorgangs ist aufgrund des großen Walzdrucks das Spannungskonzentrationsphänomen offensichtlich. Einige Verunreinigungselemente werden in das Innere der GR5-Titanlegierung extrudiert und bilden an den Korngrenzen eine grobe Ti-reiche Phase, wodurch im Schmiedestück eine große Energiemenge erzeugt wird. Die Versetzungen und Leerstellen bieten Bedingungen für eine weitere Verformung der GR5-Titanlegierung.

Der Festigkeitswert der GR5-Titanlegierungsprobe nach dem Schmieden mit einem Schmiedehammer ist niedriger als der der Probe nach dem Schmieden mit einer hydraulischen Presse. Dies liegt daran, dass sich während des Schmiedevorgangs im Schmiedehammer eine große Anzahl von Versetzungen und Fehlstellen innerhalb des Schmiedeteils bilden und sich an den Korngrenzen kleine Partikel bilden. Die Ti-reiche Phase führt zu einer offensichtlichen Rekristallisation der GR5-Titanlegierung.

Es ist ersichtlich, dass die Brucheigenschaften der GR5-Titanlegierungsprobe nach dem Schmieden mit einem Schmiedehammer wie folgt sind: hauptsächlich duktiler Bruch, ergänzt durch lokalen Sprödbruch.

Dies ist auf den hohen Schmiededruck beim Schmieden mit dem Hammer zurückzuführen, der dazu führt, dass einige Verunreinigungselemente an den Korngrenzen grobe Ti-reiche Phasen bilden. Gleichzeitig entstehen beim Schmieden mit dem Hammer eine große Anzahl von Versetzungen und Fehlstellen, die zu offensichtlichen Veränderungen in der GR5-Titanlegierung führen. Rekristallisationsphänomen.

Aufgrund der niedrigen Schmiedetemperatur und der hohen Schmiedegeschwindigkeit beim Hammerschmieden entstehen im Inneren des Materials zahlreiche Rissquellen, Poren und andere fehlerhafte Elemente, was zu einer offensichtlichen Rekristallisation der GR5-Titanlegierung führt.

Anwendungsaussichten und Entwicklungsrichtung

Die Titanlegierung GR5 wird aufgrund ihrer hervorragenden umfassenden Eigenschaften häufig in der Luft- und Raumfahrt, in der medizinischen Ausrüstung, im Transportwesen und in anderen Bereichen eingesetzt. Vor allem im Luft- und Raumfahrtbereich hat sich die Titanlegierung GR5 zum Hauptmaterial entwickelt.

Die Titanlegierung GR5 bietet die Vorteile geringer Dichte, hoher spezifischer Festigkeit und spezifischer Steifigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Es wird häufig bei der Herstellung wichtiger Strukturteile wie Flugzeugrotoren, Leitwerken, Rumpfverstärkungsrahmen sowie Haupt- und Hilfstreibstofftanks eingesetzt.

Da die Titanlegierung GR5 bei Raumtemperatur eine höhere Festigkeit und Plastizität aufweist, ist beim Schmieden eine Lösungsbehandlung erforderlich, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Allerdings wird die Struktur der GR5-Titanlegierung während des Schmiedeprozesses ungleichmäßig verteilt und während des Abkühlprozesses wird eine grobe Phase gebildet, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Legierung führt.

Um die Schmiedestruktur der GR5-Titanlegierung zu verbessern, gibt es derzeit zwei häufig verwendete Methoden: Die eine besteht darin, vor dem Schmieden eine Mischkristallbehandlung durchzuführen, beispielsweise durch Warmgesenkschmieden mit hydraulischer Presse; Die andere besteht darin, während des Schmiedeprozesses eine Behandlung mit fester Lösung durchzuführen, beispielsweise das Schmieden mit einem Hammer.

In der tatsächlichen Produktion ist das Warmgesenkschmieden mit hydraulischer Presse aufgrund der komplexen Ausrüstung für den Schmiedehammerschmiedeprozess, der schwierigen Bedienung und der hohen Produktionskosten derzeit ein häufiger verwendetes Verfahren.

Im Vergleich zum Warmgesenkschmieden mit hydraulischer Presse wurde die Oberflächenqualität von Schmiedehammerschmiedestücken erheblich verbessert, die Körner sind feiner und gleichmäßiger und für die Produktion können Gesenkschmiedegesenke mit großem Durchmesser verwendet werden. Allerdings ist die Produktionseffizienz beim Schmieden von Hammerschmiedestücken gering und die Produktionskosten hoch. Es hat den Warmgesenkschmiedeprozess mit hydraulischer Presse nicht vollständig ersetzt.

Mit der Entwicklung der Schmiedehammer-Schmiedetechnologie und der Forschung zu Schmiedetechnologie und -ausrüstung kann vorhergesagt werden, dass die Produktionseffizienz und Qualität der Schmiedehammer-Schmiedeteile in Zukunft erheblich verbessert werden.

Da in der tatsächlichen Produktion während des Schmiedeprozesses eine große Menge an Wärme, Kraft und Stoßbelastung erzeugt wird, ist es notwendig, den Einfluss des isothermen Schmiedens auf die Struktur, die mechanischen Eigenschaften und die mechanische Lebensdauer von Schmiedestücken durch thermische Simulationsexperimente zu untersuchen Erhalten Sie geeignete Prozessparameter, um die Qualität der Schmiedestücke sicherzustellen.

Aufgrund der hohen Produktionseffizienz und des geringen Ausrüstungsbedarfs des Schmiedehammerschmiedeprozesses können wir in Zukunft versuchen, Schmiedehammerschmiedeteile zur Herstellung wichtiger Strukturteile in der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen wie Flugzeughecks, Haupt- und Hilfstreibstofftanks zu verwenden. Rumpfverstärkungsrahmen und andere wichtige Strukturteile. Bei einigen großen Schmiedestücken im allgemeinen zivilen Bereich ist es aufgrund ihrer Größe schwierig, sie im Schmiedehammerschmiedeverfahren herzustellen.

Meinung des Autors

Mit der Entwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie meines Landes werden die Qualitätsanforderungen an Schmiedeteile aus Titanlegierungen immer höher, und auch der Schmiedeprozess ist einer der wichtigen Faktoren, die die Qualität der Schmiedeteile beeinflussen.

Mit der Entwicklung hydraulischer Pressen und Schmiedehämmer in unserem Land werden ihre Anwendungen jedoch immer weiter verbreitet. Da der Preis für Schmiedehämmer jedoch relativ hoch und der Schmiedeprozess komplex ist, bevorzugen die meisten inländischen Luft- und Raumfahrtunternehmen die Wahl hydraulischer Pressen zur Vervollständigung ihrer Produkte. Produktion, aber mit der Zunahme der Anzahl hydraulischer Pressen wurden auch der Schmiedeprozess und die Qualität erheblich verbessert.

Gleichzeitig wird der Schmiedeprozess immer flexibler, da die Schmiedeparameter während des Schmiedeprozesses bedarfsgerecht angepasst werden können. Derzeit kann Chinas inländische Technologie und Ausrüstung für hydraulische Pressen die Anforderungen an Schmiedeteile im Luft- und Raumfahrtbereich jedoch nicht vollständig erfüllen. Daher erfordert die Entwicklung des Luft- und Raumfahrtbereichs Schmieden. Auch die Nachfrage nach Technologie wird steigen.

Verweise
1. Yao Weidong: Forschung zum Schmiedeprozess und zu den Mikrostruktureigenschaften von Schmiedestücken aus GR5-Titanlegierung. „Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics“, 2017,18 (01): 1036-1037.
2. He Xiaolin: Forschung zum Warmumformverhalten von Schmiedestücken aus Titanlegierungen während des Schmiedeprozesses. „China Forging“, 2015 (11): 59-60.
3. Wei Guoli: Die aktuelle Situation und der Entwicklungstrend der groß angelegten Produktion von Titanlegierungsschmiedestücken in meinem Land. „Material Protection Technology“, 2018 (05): 23-26.