Umetnost natančnega nadzora: izotermično kovanje in zagotavljanje kakovosti turbinskih lopatic
Zaradi omejene termoplastičnosti zlitine TiAl jo je treba kovati pri visoki temperaturi in zelo nizki stopnji deformacije. Oprema za izotermično kovanje lahko zagotovi razmeroma izotermno okolje in nizko stopnjo deformacije. Običajni postopek kovanja rezila TiAl je naslednji: gredica za litje ali ekstrudirana palica se delno kuje v gredico za kovanje, nato pa se nadalje pripravi v predkovanje, rezilo pa se pripravi s predkovanjem in končnim kovanjem. Na ta način je nemško rezilo Rolls-Royce BR715 HPC izdelano s 3-stopenjskim izotermnim kovanjem, končni del pa je pripravljen s toplotno obdelavo in strojno obdelavo (slika 1).
Sl.1 Koraki kovanja rezila (a) in strojno obdelana rezila (b)
Rezila, prikazana na sl. 2 so lopatice kompresorja Ti45AL8NB0.65 (B, C), ki jih proizvaja Thyssen Company za Rolls Royce po poti, prikazani na SL. 2a, ki imajo odlično visokotemperaturno trdnost. Leta 2016 je MTU objavil, da je bila kovana nizkotlačna turbinska lopatica TNM uporabljena na motorju PW1100G-JM potniškega letala A320, ki je opravil svoj prvi let. Rezila iz kovane zlitine TiAl kažejo odlične možnosti uporabe in od leta 2015 je bilo za motorje PW1100G sestavljenih 10000 lamel iz kovane zlitine TNM. Zlitina TNM kaže dobre lastnosti za vročo obdelavo, idealna mikrostruktura in celovite mehanske lastnosti pa so pridobljene z dvakratnim kovanjem gredic in naknadno toplotno obdelavo.
Sl.2 Rezila iz Ti45Al8Nb0.5(B,C), ki jih je izdelal Thyssen za Rolls-Royce
Da bi povečali učinkovitost proizvodnje, je bila ekstrudirana kratka gredica kovana neposredno v Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4) zlitine HPC rezila testnega motorja Rolls-Royce E3E. Da bi še povečali izkoristek in ga naredili bolj ekonomičnega, je bila zasnovana matrica za kovanje več delov lopatic (predvsem manjših lopatic kompresorja) hkrati. Na plošči iz molibdena s premerom Φ600 mm je bilo obdelanih 30 enakih votlin. Zunaj stiskalnice je spodnja matrica napolnjena s predoblikovanimi deli, celotna matrica in surovec pa sta nameščena v komoro stiskalnice in segreta na temperaturo kovanja za izotermično kovanje. S to metodo je mogoče skovati 30 rezil hkrati (slika 3).
Slika 3 Matrica z več predhodno kovanimi deli (a) in rezilom po kovanju (b)
Čeprav lahko izotermično kovanje učinkovito reši problem težkega oblikovanja rezila TiAl, ker sta kalup in kovanje segreta na 1150 stopinj, da bi preprečili izgubo temperature delov v dolgotrajnem procesu kovanja, je kalup izdelan iz molibdenove zlitine z visoko toplotno odpornostjo. Da bi zaščitili kalupni material pred oksidacijo, je v komori za kovanje potreben vakuum ali inertni plin. Nizkotlačna turbinska lopatica iz zlitine TNM motorja PW1134G je prav tako izdelana z vakuumskim izotermnim kovanjem z kalupom iz molibdenove zlitine. Nemški raziskovalni center GKSS je uporabil obloženo ekstrudirano zlitino TNB za neposredno strojno obdelavo ali v kombinaciji z izotermnim kovanjem za izdelavo rezila iz zlitine TiAl za visokotlačni kompresor, ki je postala glavna metoda priprave za rezilo iz zlitine TiAl za visokotlačni kompresor.
TETSUI T et al. izumil novo zlitino TiAl, ki je razdeljena na Ti-42Al-5Mn(%, masni delež). Postopek izdelave uporablja tradicionalno vročo obdelavo, pri kateri se ingot segreje na 1300 stopinj C za toplotno obdelavo in ohladi na približno 1200 stopinj C za kovanje ali valjanje, kot je prikazano na sliki 12. Ta metoda obdelave je enaka navadnemu vročemu matrici. metoda oblikovanja kovanja, tako da postopek izdelave rezila zmanjša postopek vročega iztiskanja palice, znatno zmanjša stroške in lahko izdela večje komponente. Kovano rezilo ima zelo fino mikrostrukturo, zaradi česar je natezna trdnost zelo visoka pri srednji in nizki temperaturi. Vendar se zaradi vpliva faze visokotemperaturna trdnost te zlitine znatno zmanjša, kar je težko uporabiti za dolgotrajne visokotemperaturne dele, kot so turbopolnilniki, in je primernejša za nizkotemperaturno ali kratkotrajno visokotemperaturno rezilo deli.
Slika 4 Rezila iz zlitine TiAl, ki jih izdeluje Mitsubishi Heavy Industries
(a) in njihove lastnosti (b)
Večstopenjska simulacija postopka izotermnega kovanja rezila iz zlitine TiAl se izvaja s simulacijo končnih elementov, ki lahko učinkovito obvlada zakon reologije materiala, analizira vpliv procesnih parametrov, optimizira postopek in zasnovo matrice. Hkrati lahko simulacija končnih elementov ne le skrajša proizvodni cikel in zmanjša stroške, ampak ima tudi pomemben usmerjevalni pomen za poglabljanje znanja o zakonu oblikovanja kovanja rezila iz zlitine TiAl in optimizacijo procesa oblikovanja rezila. Xin Jingjing idr. uporabil programsko opremo za končne elemente Deform-3D za simulacijo procesa izotermnega kovanja rezila z visoko vsebnostjo Nb-TiAl in prišel do naslednjih zaključkov: enakovredna porazdelitev deformacij telesa rezila in čepa rezila pri izotermičnem kovanju je enotna in s povečanjem zgornje hitrosti stiskanja matrice in temperature predgretja se srednja efektivna sila med deformacijo zmanjša, kar vodi do pojava dinamične rekristalizacije. Kakovost kovanja rezila iz zlitine Nb-TiAl je mogoče izboljšati, če je hitrost stiskanja zgornje matrice 1.0 ~ 1,5 mm·s-1 in temperatura predgretja 1250 ~ 13 00 stopnja . Guan Hong idr. narejeno izotermično kovanje rezila Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni. Rezultati kažejo, da je izotermno kovanje zlitine TiAl v kombinaciji s predkovanjem in končnim kovanjem izvedljivo. Temperatura segrevanja tialne zlitine je 1200 ~ 1250 stopinj, vzorec pa mora biti zaščiten z ohišjem, da se prepreči prehiter padec temperature med postopkom prenosa. Hitrost deformacije je 0,02 ~ 0,07 mm · s -1, deformacija pa je nadzorovana pri 20 % ~ 40 %. Pred kratkim sta naša ekipa in AVIC Power Co., Ltd. skupaj sprejela metodo združevanja simulacije in preskusnega preverjanja, pridobila ustrezne procesne parametre s programsko opremo za simulacijo končnih elementov Deform-3D in pripravila rezila iz zlitine TNM s skoraj izotermnim kovanjem tehnologijo z uporabo kalupa Ni3Al (SL. 5), primerjali različne profile prereza rezil. Natančnost napovedi skoraj izotermnega postopka kovanja je lahko več kot 90-odstotna s simulacijo končnih elementov. V primerjavi s tradicionalnim (vakuumskim) izotermičnim postopkom kovanja ima prednosti visoke učinkovitosti, brez vakuuma, enostavnega natančnega nadzora oblike in nizkih stroškov postopka.
Slika 5 Simulirano (a) in dejansko (b) skoraj izotermično kovano rezilo
Da bi raziskali učinkovitost kovanja zlitine TiAl pri nizki temperaturi, so WANG X et al in ZHANG H et al uporabili metodo končnih elementov za analizo procesa izotermnega kovanja rezila zlitine TiAl z visoko vsebnostjo Nb pri nizki temperaturi in uspešno pripravili visoko NB -rezilo iz zlitine z visoko kakovostjo površine in zmogljivostjo (SL. 6). Med postopkom oblikovanja rezila iz zlitine TiAl je mogoče preprečiti napake pri zgibanju rezila in zmanjšati oblikovalno silo rezila z optimizacijo oblike in velikosti predoblikovanega dela. Ko je temperatura nižja od 1000 stopinj, imata temperatura kovanja in hitrost deformacije majhen vpliv na končno porazdelitev efektivne deformacije rezila, izdelanega iz izotermnega kovanja. S povišanjem temperature kovanja in zmanjševanjem stopnje deformacije se končna efektivna napetost rezila kovanja zmanjša in njena porazdelitev je postopoma enakomerna. Rezilo iz zlitine z visoko vsebnostjo Nb-TiAl je bilo uspešno pripravljeno pri hitrosti deformacije, nižji od 0,01 mm·s-1, in temperaturi, nižji od 950 stopinj, na rezilu pa niso nastale nobene makroskopske razpoke. Istočasno je Harbin Institute of Technology razvil prvo opremo za vakuumsko izotermično vročo obdelavo, ki lahko uresniči funkcije vakuumskega izotermnega kovanja in izotermnega iztiskanja, in je bila uporabljena pri pripravi izotermičnih delov za kovanje iz zlitine TiAl. Ta naprava se ne uporablja samo za izotermno deformacijo zlitine TiAl, ampak ima tudi pomembno uporabno vrednost pri pripravi komponent diska iz praškaste superzlitine.
Slika 6 Rezilo iz zlitine z visoko vsebnostjo Nb-TiAl, pripravljeno z nizkotemperaturnim izotermnim kovanjem
TETSUI T et al. izumil novo zlitino TiAl, ki je razdeljena na Ti-42Al-5Mn(%, masni delež). Postopek izdelave uporablja tradicionalno vročo obdelavo, pri kateri se ingot segreje na 1300 stopinj C za toplotno obdelavo in ohladi na približno 1200 stopinj C za kovanje ali valjanje, kot je prikazano na sliki 12. Ta metoda obdelave je enaka navadnemu vročemu matrici. metoda oblikovanja kovanja, tako da postopek izdelave rezila zmanjša postopek vročega iztiskanja palice, znatno zmanjša stroške in lahko izdela večje komponente. Kovano rezilo ima zelo fino mikrostrukturo, zaradi česar je natezna trdnost zelo visoka pri srednji in nizki temperaturi. Vendar se zaradi vpliva faze visokotemperaturna trdnost te zlitine znatno zmanjša, kar je težko uporabiti za dolgotrajne visokotemperaturne dele, kot so turbopolnilniki, in je primernejša za nizkotemperaturno ali kratkotrajno visokotemperaturno rezilo deli.
