Как регулировать параметры горячей штамповки титановых листов

Титановые сплавы трудно поддаются формовке при комнатной температуре, поскольку обладают высоким пределом текучести σ_0.2, высокое соотношение предела текучести к пределу прочности, низкий модуль упругости E и низкое соотношение E/σ_0.2 коэффициент. Поэтому такой лист требует значительного усилия при формовке, легко растрескивается и демонстрирует сильную упругую деформацию. При температуре выше примерно 500 °C пластичность и относительное удлинение значительно улучшаются. В связи с этим горячая штамповка применяется для изготовления обшивки самолетов, теплозащитных каркасов, обтекателей, люков доступа, а также деталей, получаемых путем гибки, отбортовки или глубокой вытяжки.

[

Принцип горячей штамповки

При горячей формовке используются высокая пластичность и низкое сопротивление деформации нагретого титана для расширения пределов формовки, уменьшения упругой восстановки и повышения точности. Этот процесс сочетает в себе изотермическое горячее прессование с ползучестью и релаксацией напряжений:

1. Предварительно нагрейте штампы и равномерно нагрейте заготовку до заданной температуры формовки, после чего поместите её на штамп.
2. Закройте матрицы с заданной скоростью для формовки детали.
3. Удерживайте прессы в закрытом положении при постоянном давлении и температуре. Ползучесть и релаксация напряжений при высоких температурах преобразуют упругую деформацию в пластическую и снижают остаточные напряжения.
4. По истечении указанного времени выдержки ослабьте зажим, извлеките деталь и охладите её с помощью сжатого воздуха.

Изотермическое горячее прессование

Перед формовкой пуансон, матрица и лист нагреваются до одинаковой температуры. Данные о фактической зависимости «напряжение—деформация» показывают, что напряжение снижается с ростом температуры и уменьшением скорости деформации. Поэтому при горячей штамповке титана следует использовать повышенную температуру и относительно низкую скорость деформации.

Релаксация напряжений

После прессования матрицы следует удерживать в неподвижном состоянии при постоянном давлении и температуре. Лист расслабляется, упругая деформация превращается в пластическую, остаточные напряжения снижаются, а степень прилегания к матрице улучшается. При повышенной температуре более длительное время релаксации способствует снижению внутренних напряжений до тех пор, пока они не приблизятся к стабильному значению.

Параметры процесса

Качество детали определяется температурой и скоростью формования, давлением смыкания и временем выдержки. Температура снижает сопротивление деформации и повышает пластичность. Давление уравновешивает сопротивление формованию. Время выдержки обеспечивает ползучесть и релаксацию напряжений.

Температура формования

Выберите температуру с учетом зависимости свойств материала от температуры, а также окисления, поглощения водорода и других неблагоприятных эффектов. Некоторые титановые сплавы теряют пластичность в диапазоне от 300 до 500 °C, а их пластичность восстанавливается только при температуре около 500 °C. При 800–850 °C окисление, поглощение водорода, рост зерен и изменения микроструктуры становятся значительными.

Типичные диапазоны температур формования для отожженных сплавов составляют:

Скорость формовки определяет скорость деформации. Ее влияние на пластичность незначительно при низких температурах, но становится все более значимым при средних и высоких температурах. Очень длительные циклы приводят к утолщению загрязненного поверхностного слоя, поэтому для каждой температуры существует максимальное практическое время формовки, а скорость деформации не должна быть чрезмерно низкой.

Давление смыкания и время выдержки

Более высокое давление при смыкании может устранить складки, но практически не влияет на пружинный возврат после снятия нагрузки. Следует использовать минимальное давление, обеспечивающее необходимый результат при выбранной температуре, чтобы избежать деформации инструмента и излишней нагрузки на оборудование.

Поддержание закрытых штампов при постоянной температуре и давлении способствует релаксации напряжений, снижает остаточные напряжения и уменьшает упругую деформацию. Более длительное выдерживание, как правило, снижает остаточные напряжения, а релаксация протекает интенсивнее при более высоких температурах. Однако избыточная температура или время удержания усиливают окисление и снижают производительность. Типичная продолжительность удержания для деталей из Ti-2Al-1,5Mn, Ti-4Al-1,5Mn и Ti-6Al-4V составляет 8–20 минут.