Sztuka precyzyjnego sterowania: kucie izotermiczne i zapewnienie jakości łopatek turbin
Ze względu na ograniczoną termoplastyczność stopu TiAl, należy go kuć w wysokiej temperaturze i przy bardzo małej prędkości odkształcania. Sprzęt do kucia izotermicznego może zapewnić stosunkowo izotermiczne środowisko i małą szybkość odkształcania. Konwencjonalny proces kucia ostrza TiAl przebiega następująco: kęs odlewniczy lub wytłaczany pręt jest częściowo kuty w kęs kuty, a następnie dalej przygotowywany do kucia wstępnego, a ostrze jest przygotowywane poprzez kucie wstępne i kucie końcowe. W ten sposób niemieckie ostrze Rolls-Royce BR715 HPC jest wytwarzane w procesie 3-etapowego kucia izotermicznego, a ostateczna część jest przygotowywana poprzez obróbkę cieplną i obróbkę skrawaniem (rysunek 1).
Ryc.1 Etapy kucia ostrzy (a) i ostrza obrobione maszynowo (b)
Ostrza pokazane na FIG. 2 to łopatki sprężarki Ti45AL8NB0.65 (B, C) wyprodukowane przez firmę Thyssen Company dla Rolls Royce przy zastosowaniu trasy pokazanej na FIG. 2a, które mają doskonałą wytrzymałość w wysokiej temperaturze. W 2016 roku MTU ogłosiło, że w silniku PW1100G-JM samolotu A320 zastosowano kute łopatki turbiny niskociśnieniowej TNM i wykonał swój pierwszy lot. Łopatki z kutego stopu TiAl mają ogromne perspektywy zastosowania, a od 2015 r. montowano 10000 łopatek ze stopu TNM do silników PW1100G. Stop TNM wykazuje dobre właściwości przy obróbce na gorąco, a idealną mikrostrukturę i wszechstronne właściwości mechaniczne uzyskuje się poprzez dwukrotne kucie kęsów odlewniczych i późniejszą obróbkę cieplną.
Ryc.2 Ostrza Ti45Al8Nb0.5(B,C) wyprodukowane przez firmę Thyssen dla Rolls-Royce
Aby zwiększyć wydajność produkcji, kęs z krótkiego pręta metodą wytłaczania został kuty bezpośrednio w Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4). aluminiowe łopatki HPC silnika testowego Rolls-Royce E3E. Aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność i uczynić ją bardziej ekonomiczną, zaprojektowano matrycę do kucia wielu części łopatek (zwłaszcza mniejszych łopatek kompresorów) jednocześnie. Na tarczy molibdenowej o średnicy Φ600 mm wykonano 30 identycznych wnęk. Na zewnątrz prasy dolna matryca jest ładowana preformami, a cała matryca i półfabrykat umieszczane są w komorze prasy i podgrzewane do temperatury kucia dla kucia izotermicznego. Metodą tą można jednorazowo wykuć 30 ostrzy (Rysunek 3).
Rys.3 Matryca z wieloma wstępnie kutymi częściami (a) i ostrzem po kuciu (b)
Chociaż kucie izotermiczne może skutecznie rozwiązać problem trudnego formowania ostrza TiAl, ponieważ forma i odkuwka są podgrzewane do 1150 stopni, aby zapobiec utracie temperatury części w długotrwałym procesie kucia, forma jest wykonana ze stopu molibdenu o dużej odporności na ciepło. Aby zabezpieczyć materiał formy przed utlenianiem, w komorze kucia wymagana jest próżnia lub gaz obojętny. Łopatka turbiny niskociśnieniowej silnika PW1134G ze stopu TNM jest również wytwarzana metodą kucia izotermicznego próżniowego w formie ze stopu molibdenu. Niemiecki ośrodek badawczy GKSS wykorzystał wytłaczany stop TNB w osłonie do obróbki bezpośredniej lub w połączeniu z kuciem izotermicznym w celu wytworzenia łopatki ze stopu TiAl sprężarki wysokociśnieniowej, co stało się główną metodą przygotowania łopatki ze stopu TiAl sprężarki wysokociśnieniowej.
TETSUI T i in. wynalazł nowy stop TiAl, który dzieli się na Ti-42Al-5Mn (%, ułamek masowy). W procesie produkcyjnym wykorzystuje się tradycyjną obróbkę na gorąco, podczas której wlewek jest podgrzewany do 1300 stopni C w celu obróbki cieplnej i schładzany do około 1200 stopni C w celu kucia lub walcowania, jak pokazano na rysunku 12. Ta metoda obróbki jest taka sama jak w przypadku zwykłej matrycy na gorąco metoda kucia i formowania, dzięki czemu proces produkcji ostrza ogranicza proces wytłaczania pręta na gorąco, znacznie obniża koszty i umożliwia wytwarzanie większych elementów. Kute ostrze ma bardzo drobną mikrostrukturę, co sprawia, że wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo wysoka w średnich i niskich temperaturach. Jednakże ze względu na wpływ fazy wytrzymałość tego stopu w wysokiej temperaturze znacznie spada, co jest trudne do stosowania w przypadku długoterminowych części wysokotemperaturowych, takich jak turbosprężarki, i jest bardziej odpowiedni do łopatek o niskiej temperaturze lub krótkotrwałej wysokiej temperaturze strony.
Rys. 4 Ostrza ze stopu TiAl wyprodukowane przez Mitsubishi Heavy Industries
(a) i ich właściwości (b)
Wieloetapowa symulacja procesu izotermicznego kucia matrycowego ostrza ze stopu TiAl przeprowadzana jest poprzez symulację elementów skończonych, która pozwala skutecznie opanować prawo reologii materiału, przeanalizować wpływ parametrów procesu, zoptymalizować proces i konstrukcję matrycy. Jednocześnie symulacja elementów skończonych może nie tylko skrócić cykl produkcyjny i obniżyć koszty, ale także ma ważne znaczenie przewodnie dla pogłębienia wiedzy na temat prawa odkuwania ostrza ze stopu TiAl i optymalizacji procesu formowania ostrza. Xin Jingjing i in. użył oprogramowania Deform-3D do symulacji procesu kucia izotermicznego ostrza ze stopu o wysokiej zawartości Nb-TiAl i doszedł do następujących wniosków: Równoważny rozkład odkształceń korpusu ostrza i czopa ostrza podczas kucia izotermicznego jest równomierny oraz wraz ze wzrostem prędkości ściskania górnej matrycy i temperatury wstępnego nagrzewania, podczas odkształcania siła efektywna ośrodka maleje, co sprzyja wystąpieniu rekrystalizacji dynamicznej. Jakość kucia ostrza ze stopu Nb-TiAl można poprawić, jeśli prędkość prasowania górnej matrycy wynosi 1,0 ~ 1,5 mm·s-1, a temperatura wstępnego podgrzewania wynosi 1250 ~ 13 00 stopień. Guan Hong i in. wykonane z Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni, kute izotermicznie. Wyniki pokazują, że kucie izotermiczne stopu TiAl w połączeniu z kuciem wstępnym i kuciem końcowym jest możliwe. Temperatura ogrzewania stopu tialnego wynosi 1200 ~ 1250 stopni, a próbkę należy chronić osłoną, aby zapobiec zbyt szybkiemu spadkowi temperatury podczas procesu przenoszenia. Szybkość odkształcenia wynosi 0,02 ~ 0,07 mm · s-1, a odkształcenie jest kontrolowane na poziomie 20% ~ 40%. Niedawno nasz zespół i AVIC Power Co., Ltd. wspólnie przyjęły metodę łączenia symulacji i weryfikacji testów, uzyskały odpowiednie parametry procesu za pomocą oprogramowania do symulacji elementów skończonych Deform-3D i przygotowały ostrza ze stopu TNM poprzez kucie niemal izotermiczne technologii wykorzystującej formę Ni3Al (RYS. 5), porównano różne profile przekroju poprzecznego ostrzy. Dokładność przewidywania procesu kucia bliskiego izotermicznego może wynosić ponad 90% w wyniku symulacji elementów skończonych. W porównaniu z tradycyjnym (próżniowym) procesem kucia izotermicznego ma on zalety: wysoką wydajność, brak próżni, łatwą precyzyjną kontrolę kształtu i niskie koszty procesu.
Ryc.5 Symulowane (a) i rzeczywiste (b) prawie izotermiczne ostrze kute
Aby zbadać wydajność kucia stopu TiAl w niskiej temperaturze, WANG X i in. oraz ZHANG H i in. wykorzystali metodę elementów skończonych do analizy procesu izotermicznego kucia matrycowego ostrza ze stopu TiAl o wysokiej zawartości Nb w niskiej temperaturze i z powodzeniem przygotowali wysoką zawartość NB - ostrze ze stopu tytanu o wysokiej jakości powierzchni i wydajności (RYS. 6). Podczas procesu formowania ostrza ze stopu TiAl można zapobiec defektom związanym z fałdowaniem ostrza, a siłę formującą ostrza można zmniejszyć poprzez optymalizację kształtu i rozmiaru wstępnie uformowanej części. Gdy temperatura jest niższa niż 1000 stopni, temperatura kucia i szybkość odkształcania mają niewielki wpływ na ostateczny rozkład efektywnego odkształcenia ostrza wykonanego z izotermicznej kucia matrycowego. Wraz ze wzrostem temperatury kucia i spadkiem prędkości odkształcania końcowe naprężenie efektywne ostrza do kucia maleje, a jego rozkład staje się stopniowo równomierny. Ostrze ze stopu o wysokiej zawartości Nb-TiAl zostało pomyślnie przygotowane przy szybkości odkształcania mniejszej niż 0,01 mm·s-1 i temperaturze niższej niż 950 stopni, przy czym na ostrzu nie powstały żadne makroskopowe pęknięcia. Jednocześnie Harbin Institute of Technology opracował pierwszy sprzęt do izotermicznej obróbki próżniowej na gorąco, który może realizować funkcje próżniowego kucia izotermicznego i wytłaczania izotermicznego i został wykorzystany do przygotowania części do kucia izotermicznego ze stopu TiAl. Urządzenie to może być stosowane nie tylko do izotermicznego odkształcania stopu TiAl, ale ma również ważną wartość aplikacyjną przy wytwarzaniu komponentów dyskowych z proszkowego nadstopu.
Rys.6 Ostrze ze stopu wysokiej zawartości Nb-TiAl przygotowane w niskotemperaturowym procesie izotermicznego kucia matrycowego
TETSUI T i in. wynalazł nowy stop TiAl, który dzieli się na Ti-42Al-5Mn (%, ułamek masowy). W procesie produkcyjnym wykorzystuje się tradycyjną obróbkę na gorąco, podczas której wlewek jest podgrzewany do 1300 stopni C w celu obróbki cieplnej i schładzany do około 1200 stopni C w celu kucia lub walcowania, jak pokazano na rysunku 12. Ta metoda obróbki jest taka sama jak w przypadku zwykłej matrycy na gorąco metoda kucia i formowania, dzięki czemu proces produkcji ostrza ogranicza proces wytłaczania pręta na gorąco, znacznie obniża koszty i umożliwia wytwarzanie większych elementów. Kute ostrze ma bardzo drobną mikrostrukturę, co sprawia, że wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo wysoka w średnich i niskich temperaturach. Jednakże ze względu na wpływ fazy wytrzymałość tego stopu w wysokiej temperaturze znacznie spada, co jest trudne do stosowania w przypadku długoterminowych części wysokotemperaturowych, takich jak turbosprężarki, i jest bardziej odpowiedni do łopatek o niskiej temperaturze lub krótkotrwałej wysokiej temperaturze strony.
