El arte del control de precisión: forjado isotérmico y garantía de calidad de álabes de turbina
Debido a la termoplasticidad limitada de la aleación TiAl, es necesario forjarla a alta temperatura y con una tasa de deformación muy baja. Los equipos de forjado isotérmicos pueden proporcionar un entorno relativamente isotérmico y una velocidad de deformación lenta. El proceso convencional de forjado de palas de TiAl es el siguiente: el tocho de fundición o la barra extruida se forja parcialmente en un tocho de forja y luego se prepara para el preforjado, y la hoja se prepara mediante el preforjado y el forjado final. De esta manera, la pala alemana Rolls-Royce BR715 HPC se fabrica mediante 3-forja isotérmica por pasos, y la pieza final se prepara mediante tratamiento térmico y mecanizado (Figura 1).
Fig.1 Pasos de forjado de cuchillas (a) y cuchillas mecanizadas (b)
Las palas mostradas en la FIG. 2 son palas de compresor Ti45AL8NB0.65 (B, C) producidas por Thyssen Company para Rolls Royce utilizando la ruta mostrada en la FIG. 2a, que tienen una excelente resistencia a altas temperaturas. En 2016, MTU anunció que se aplicó la pala de turbina de baja presión TNM forjada al motor PW1100G-JM del avión de pasajeros A320 y completó su primer vuelo. Las palas de aleación forjada de TiAl muestran grandes perspectivas de aplicación y, hasta 2015, se han ensamblado 10,000 palas de aleación forjada TNM para motores PW1100G. La aleación TNM muestra buenas propiedades de trabajo en caliente, y la microestructura ideal y las propiedades mecánicas integrales se obtienen mediante la fundición de palanquilla dos veces y el tratamiento térmico posterior.
Fig.2 Palas de Ti45Al8Nb0.5(B,C) fabricadas por Thyssen para Rolls-Royce
Para aumentar la eficiencia de la producción, el tocho de barra corta de extrusión se forjó directamente en Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4) palas de aleación HPC del motor de prueba Rolls-Royce E3E. Para aumentar aún más el rendimiento y hacerlo más económico, se diseñó una matriz para forjar varias piezas de palas (especialmente palas de compresores más pequeñas) a la vez. Se mecanizaron 30 cavidades idénticas en un disco de molibdeno con un diámetro de Φ600 mm. Fuera de la prensa, el troquel inferior se carga con piezas de preforma, y el troquel completo y la pieza en bruto se colocan en la cámara de la prensa y se calientan a la temperatura de forjado para el forjado isotérmico. Con este método, se pueden forjar 30 hojas a la vez (Figura 3).
Fig.3 Troquel con múltiples piezas preforjadas (a) y hoja después del forjado (b)
Aunque la forja isotérmica puede resolver eficazmente el problema de la difícil formación de la hoja de TiAl, debido a que el molde y la forja se calientan a 1150 grados, para evitar la pérdida de temperatura de las piezas en el proceso de forja a largo plazo, el molde está hecho de aleación de molibdeno. con alta resistencia al calor. Para proteger el material del molde de la oxidación, se requiere vacío o gas inerte en la cámara de forjado. El álabe de turbina de baja presión de aleación TNM del motor PW1134G también se fabrica mediante forjado isotérmico al vacío con molde de aleación de molibdeno. El centro de investigación alemán GKSS utilizó la aleación TNB extruida revestida para mecanizado directo o combinada con forjado isotérmico para fabricar paletas de aleación de TiAl para compresores de alta presión, que se convirtieron en el principal método de preparación para las paletas de aleación de TiAl para compresores de alta presión.
TETSUI T et al. inventó una nueva aleación de TiAl, que se divide en Ti-42Al-5Mn(%, fracción de masa). El proceso de fabricación utiliza un procesamiento en caliente tradicional, en el que el lingote se calienta a 1300 grados C para el tratamiento térmico y se enfría a alrededor de 1200 grados C para forjar o laminar, como se muestra en la Figura 12. Este método de mecanizado es el mismo que el de la matriz en caliente ordinaria. método de formación de forja, por lo que el proceso de fabricación de la hoja reduce el proceso de extrusión en caliente de la barra, reduce significativamente el costo y puede fabricar componentes más grandes. La hoja forjada tiene una microestructura muy fina, lo que hace que la resistencia a la tracción sea muy alta a temperaturas medias y bajas. Sin embargo, debido a la influencia de la fase, la resistencia a altas temperaturas de esta aleación disminuye significativamente, lo que es difícil de usar para piezas de alta temperatura a largo plazo, como turbocompresores, y es más adecuada para palas de baja temperatura o alta temperatura a corto plazo. regiones.
Fig.4 Hojas de aleación de TiAl fabricadas por Mitsubishi Heavy Industries
(a) y sus propiedades (b)
La simulación de varios pasos del proceso de forja isotérmica de una hoja de aleación de TiAl se lleva a cabo mediante una simulación de elementos finitos, que puede dominar eficazmente la ley de reología del material, analizar la influencia de los parámetros del proceso, optimizar el proceso y el diseño de la matriz. Al mismo tiempo, la simulación de elementos finitos no sólo puede acortar el ciclo de producción y reducir el costo, sino que también tiene una importante importancia orientadora para profundizar el conocimiento de la ley de forjado y formación de la hoja de aleación de TiAl y optimizar el proceso de formación de la hoja. Xin Jingjing et al. utilizó el software de elementos finitos Deform-3D para simular el proceso de forjado isotérmico de una hoja de aleación con alto contenido de Nb-TiAl y llegó a las siguientes conclusiones: La distribución de tensión equivalente del cuerpo de la hoja y la espiga de la hoja en la forja isotérmica es uniforme, y Con el aumento de la velocidad de compresión del troquel superior y la temperatura de precalentamiento, la fuerza efectiva media disminuye durante la deformación, lo que favorece la aparición de recristalización dinámica. La calidad de forjado de la hoja de aleación Nb-TiAl se puede mejorar cuando la velocidad de prensado del troquel superior es 1,0 ~ 1,5 mm·s-1 y la temperatura de precalentamiento es 1250 ~ 13. 00 grado. Guan Hong et al. hecho de forja isotérmica de hoja de Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni. Los resultados muestran que el forjado isotérmico de la aleación TiAl combinado con el preforjado y el forjado final es factible. La temperatura de calentamiento de la aleación de titanio es de 1200 ~ 1250 grados y la muestra debe protegerse con una carcasa para evitar que la temperatura baje demasiado rápido durante el proceso de transferencia. La tasa de deformación es de 0,02 ~ 0,07 mm·s-1 y la deformación se controla entre 20 % y 40 %. Recientemente, nuestro equipo y AVIC Power Co., Ltd. adoptaron conjuntamente el método de combinar simulación y verificación de prueba, obtuvieron los parámetros de proceso apropiados a través del software de simulación de elementos finitos Deform-3D y prepararon hojas de aleación TNM mediante forjado casi isotérmico. tecnología que utiliza molde Ni3Al (FIG. 5), comparó diferentes perfiles de sección transversal de palas. La precisión de la predicción del proceso de forjado casi isotérmico puede ser superior al 90% mediante simulación de elementos finitos. En comparación con el proceso de forjado isotérmico tradicional (al vacío), tiene las ventajas de alta eficiencia, ausencia de vacío, control de forma de precisión fácil y bajo costo de proceso.
Fig.5 Hoja forjada casi isotérmica simulada(a) y real(b)
Para explorar el rendimiento de forjado de la aleación de TiAl a baja temperatura, WANG X et al y ZHANG H et al utilizaron el método de elementos finitos para analizar el proceso de forjado isotérmico de una hoja de aleación de TiAl con alto contenido de Nb a baja temperatura, y prepararon con éxito un alto NB. - Hoja de aleación de alta calidad superficial y rendimiento (FIG. 6). Durante el proceso de formación de la hoja de aleación de TiAl, se pueden evitar los defectos de plegado de la hoja y se puede reducir la fuerza de formación de la hoja optimizando la forma y el tamaño de la pieza preformada. Cuando la temperatura es inferior a 1000 grados, la temperatura de forjado y la tasa de deformación tienen poca influencia en la distribución final de la deformación efectiva de la hoja hecha de forjado isotérmico. Con el aumento de la temperatura de forjado y la disminución de la tasa de deformación, la tensión efectiva final de la hoja de forjado disminuye y su distribución se vuelve gradualmente uniforme. La hoja de aleación con alto contenido de Nb-TiAl se preparó con éxito a una velocidad de deformación inferior a 0,01 mm·s-1 y una temperatura inferior a 950 grados, y no se formaron grietas macroscópicas en la hoja. Al mismo tiempo, el Instituto de Tecnología de Harbin ha desarrollado el primer equipo de procesamiento en caliente isotérmico al vacío que puede realizar las funciones de forjado isotérmico al vacío y extrusión isotérmica, y se ha utilizado en la preparación de piezas de forjado isotérmicas de aleación TiAl. Este dispositivo no solo se puede utilizar para la deformación isotérmica de aleaciones de TiAl, sino que también tiene un valor de aplicación importante en la preparación de componentes de discos de superaleación en polvo.
Fig.6 Hoja de aleación con alto contenido de Nb-TiAl preparada mediante un proceso de forjado isotérmico a baja temperatura
TETSUI T et al. inventó una nueva aleación de TiAl, que se divide en Ti-42Al-5Mn(%, fracción de masa). El proceso de fabricación utiliza un procesamiento en caliente tradicional, en el que el lingote se calienta a 1300 grados C para el tratamiento térmico y se enfría a alrededor de 1200 grados C para forjar o laminar, como se muestra en la Figura 12. Este método de mecanizado es el mismo que el de la matriz en caliente ordinaria. método de formación de forja, por lo que el proceso de fabricación de la hoja reduce el proceso de extrusión en caliente de la barra, reduce significativamente el costo y puede fabricar componentes más grandes. La hoja forjada tiene una microestructura muy fina, lo que hace que la resistencia a la tracción sea muy alta a temperaturas medias y bajas. Sin embargo, debido a la influencia de la fase, la resistencia a altas temperaturas de esta aleación disminuye significativamente, lo que es difícil de usar para piezas de alta temperatura a largo plazo, como turbocompresores, y es más adecuada para palas de baja temperatura o alta temperatura a corto plazo. regiones.
