Jak kontrolować parametry formowania na gorąco blach tytanowych

Stopy tytanu są trudne do obróbki w temperaturze pokojowej, ponieważ charakteryzują się wysoką granicą plastyczności σ_0.2, wysoki stosunek wydajności do wytrzymałości na rozciąganie, niski moduł sprężystości E oraz niski stosunek E/σ_0.2 współczynnik. Blacha wymaga zatem dużej siły formowania, łatwo pęka i wykazuje znaczny odskok sprężysty. Powyżej około 500 °C plastyczność i wydłużenie znacznie się poprawiają. Formowanie na gorąco stosuje się zatem do produkcji poszycia samolotów, ram termicznych, owiewek, paneli dostępowych oraz części wytwarzanych poprzez gięcie, kołnierzowanie lub głębokie tłoczenie.

[

Zasada formowania na gorąco

W procesie formowania na gorąco wykorzystuje się wysoką plastyczność i niską odporność na odkształcenia rozgrzanego tytanu w celu zwiększenia granic formowalności, zmniejszenia sprężystości powrotnej oraz poprawy dokładności. Proces ten łączy izotermiczne prasowanie na gorąco z pełzaniem i relaksacją naprężeń:

1. Należy wstępnie rozgrzać matryce i równomiernie podgrzać półfabrykat do określonej temperatury formowania, a następnie umieścić go na matrycy.
2. Zamknij matryce z określoną prędkością, aby uformować element.
3. Utrzymuj matryce zamknięte przy stałym ciśnieniu i temperaturze. Pełzanie i relaksacja naprężeń w wysokiej temperaturze przekształcają odkształcenie sprężyste w odkształcenie plastyczne oraz zmniejszają naprężenia szczątkowe.
4. Po upływie określonego czasu odczekania należy zwolnić uchwyt, wyjąć element i schłodzić go powietrzem.

Prasowanie izotermiczne na gorąco

Przed formowaniem stempel, matryca i blacha są podgrzewane do tej samej temperatury. Rzeczywista zależność naprężenie–odkształcenie wskazuje, że naprężenie maleje wraz ze wzrostem temperatury oraz spadkiem szybkości odkształcania. W związku z tym podczas formowania na gorąco tytanu należy stosować podwyższoną temperaturę i stosunkowo niską szybkość odkształcania.

Relaksacja naprężeń

Po zakończeniu tłoczenia należy utrzymać matryce w bezruchu, zapewniając stałe ciśnienie i temperaturę. Blacha ulega relaksacji, odkształcenie sprężyste przechodzi w odkształcenie plastyczne, naprężenia szczątkowe maleją, a dopasowanie do matrycy ulega poprawie. W podwyższonej temperaturze dłuższy czas relaksacji zmniejsza naprężenia wewnętrzne, aż osiągną one wartość stabilną.

Parametry procesu

O jakości odlewu decydują temperatura i prędkość formowania, ciśnienie zamykania oraz czas utrzymywania ciśnienia. Temperatura zmniejsza odporność na odkształcenia i poprawia plastyczność. Ciśnienie równoważy opór formowania. Czas pozwala na pełzanie i relaksację naprężeń.

Temperatura formowania

Należy dobrać temperaturę na podstawie zależności między temperaturą a właściwościami materiału, uwzględniając utlenianie, wchłanianie wodoru oraz inne niekorzystne zjawiska. Niektóre stopy tytanu tracą plastyczność w zakresie temperatur od 300 do 500°C, a ich właściwości poprawiają się dopiero w okolicach 500°C. W temperaturze 800–850°C utlenianie, wchłanianie wodoru, wzrost ziaren oraz zmiany mikrostrukturalne stają się znaczące.

Typowe zakresy temperatur formowania dla stopów wyżarzonych wynoszą:

Prędkość formowania decyduje o szybkości odkształcania. Jej wpływ na plastyczność jest niewielki w niskiej temperaturze, ale staje się coraz bardziej istotny w średnich i wysokich temperaturach. Bardzo długie cykle powodują pogrubienie zanieczyszczonej warstwy powierzchniowej, dlatego dla każdej temperatury istnieje maksymalny praktyczny czas formowania, a szybkość odkształcania nie może być zbyt niska.

Nacisk zamknięcia matrycy i czas wygrzewania

Wyższe ciśnienie zamykania pozwala usunąć zmarszczki, ale ma niewielki wpływ na sprężystość po zwolnieniu nacisku. Należy stosować najniższe ciśnienie, które zapewnia oczekiwany efekt w wybranej temperaturze, aby uniknąć odkształcenia narzędzia i niepotrzebnego obciążenia sprzętu.

Utrzymywanie zamkniętych matryc w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem umożliwia relaksację naprężeń, zmniejsza naprężenia szczątkowe i ogranicza sprężystość powrotną. Dłuższe utrzymywanie tych warunków zasadniczo zmniejsza naprężenia szczątkowe, a relaksacja jest silniejsza w wyższej temperaturze. Nadmierna temperatura lub czas utrzymywania powodują jednak przyspieszenie utleniania i obniżają wydajność produkcji. Typowy czas utrzymywania dla elementów z stopów Ti-2Al-1,5Mn, Ti-4Al-1,5Mn i Ti-6Al-4V wynosi 8–20 minut.