The Art of Precision Control: izotermické kovanie a zabezpečenie kvality lopatiek turbíny
Vzhľadom na obmedzenú termoplasticitu zliatiny TiAl je potrebné kovanie pri vysokej teplote a veľmi nízkej rýchlosti deformácie. Izotermické kovanie môže poskytnúť relatívne izotermické prostredie a pomalú rýchlosť deformácie. Konvenčný proces kovania TiAl čepele je nasledovný: odlievaný predvalok alebo pretláčaná tyč sa čiastočne zakuje na predkovky a potom sa ďalej upraví na predkovanie a čepeľ sa pripraví predkovaním a konečným kovaním. Týmto spôsobom je nemecká čepeľ Rolls-Royce BR715 HPC vyrobená 3-krokovým izotermickým kovaním a finálna časť je pripravená tepelným spracovaním a obrábaním (obrázok 1).
Obr.1 Kroky kovania čepele (a) a opracované čepele (b)
Lopatky znázornené na obr. 2 sú lopatky kompresora Ti45AL8NB0.65 (B, C) vyrobené spoločnosťou Thyssen Company pre Rolls Royce s použitím postupu znázorneného na OBR. 2a, ktoré majú vynikajúcu pevnosť pri vysokej teplote. V roku 2016 MTU oznámila, že kovaná lopatka nízkotlakovej turbíny TNM bola aplikovaná na motor PW1100G-JM dopravného lietadla A320 a absolvovala svoj prvý let. Kované čepele zo zliatiny TiAl majú skvelé vyhliadky na použitie a od roku 2015 bolo pre motory PW1100G zostavených 10000 kovaných čepelí zo zliatiny TNM. Zliatina TNM vykazuje dobré vlastnosti pri spracovaní za tepla a ideálna mikroštruktúra a komplexné mechanické vlastnosti sa získajú dvojitým odlievaním predvalkov a následným tepelným spracovaním.
Obr.2 Čepele z Ti45Al8Nb0.5(B,C) vyrobené spoločnosťou Thyssen pre Rolls-Royce
Aby sa zvýšila efektivita výroby, predvalok z krátkej tyče bol vykovaný priamo do Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4) zliatinové lopatky HPC testovacieho motora Rolls-Royce E3E. Aby sa ešte viac zvýšila výťažnosť a bola hospodárnejšia, bola navrhnutá zápustka na kovanie viacerých častí lopatiek (najmä menších lopatiek kompresora) naraz. Na molybdénovom kotúči s priemerom Φ600 mm bolo opracovaných 30 rovnakých dutín. Mimo lisu je spodná matrica zaťažená predliskami a celá matrica a polotovar sú umiestnené do lisovacej komory a zahrievané na kovaciu teplotu pre izotermické kovanie. Touto metódou je možné naraz vykovať 30 čepelí (obrázok 3).
Obr.3 Zápustka s viacerými predkovanými časťami (a) a čepeľou po kovaní (b)
Aj keď izotermické kovanie môže účinne vyriešiť problém ťažkého tvarovania čepele TiAl, pretože forma a kovanie sú zahriate na 1150 stupňov, aby sa zabránilo tepelnej strate dielov v dlhodobom procese kovania, forma je vyrobená zo zliatiny molybdénu. s vysokou tepelnou odolnosťou. Na ochranu materiálu formy pred oxidáciou je v kovacej komore potrebné vákuum alebo inertný plyn. Nízkotlaková turbínová lopatka zo zliatiny TNM motora PW1134G je tiež vyrobená vákuovým izotermickým zápustkovým kovaním s formou z molybdénovej zliatiny. Nemecké výskumné centrum GKSS použilo zapuzdrenú extrudovanú zliatinu TNB na priame obrábanie alebo v kombinácii s izotermickým kovaním na výrobu čepele z TiAl zliatiny vysokotlakového kompresora, ktorá sa stala hlavnou metódou prípravy čepele z TiAl zliatiny vysokotlakového kompresora.
TETSUI T a kol. vynašiel novú zliatinu TiAl, ktorá je rozdelená na Ti-42Al-5Mn(%, hmotnostný zlomok). Výrobný proces využíva tradičné spracovanie za tepla, pri ktorom sa ingot zahrieva na 1300 stupňov C na tepelné spracovanie a ochladzuje sa na približne 1200 stupňov C na kovanie alebo valcovanie, ako je znázornené na obrázku 12. Tento spôsob obrábania je rovnaký ako pri bežnej lisovnici za tepla metóda tvárnenia kovania, takže proces výroby čepele znižuje proces vytláčania tyče za tepla, výrazne znižuje náklady a môže vyrábať väčšie komponenty. Kovaná čepeľ má veľmi jemnú mikroštruktúru, vďaka ktorej je pevnosť v ťahu veľmi vysoká pri strednej a nízkej teplote. Vplyvom fázy však výrazne klesá vysokoteplotná pevnosť tejto zliatiny, ktorá sa ťažko používa na dlhodobé vysokoteplotné diely, ako sú turbodúchadlá, a je vhodnejšia pre nízkoteplotné alebo krátkodobé vysokoteplotné lopatky časti.
Obr.4 Čepele zo zliatiny TiAl vyrobené spoločnosťou Mitsubishi Heavy Industries
a) a ich vlastnosti b)
Viacstupňová simulácia izotermického procesu kovania čepele TiAl zliatiny sa vykonáva pomocou simulácie konečných prvkov, ktorá dokáže efektívne zvládnuť zákon reológie materiálu, analyzovať vplyv parametrov procesu, optimalizovať proces a návrh formy. Simulácia metódou konečných prvkov môže nielen skrátiť výrobný cyklus a znížiť náklady, ale má aj dôležitý vodiaci význam pre prehĺbenie znalostí o zákone tvárnenia kovania čepele zo zliatiny TiAl a optimalizáciu procesu tvárnenia čepele. Xin Jingjing a kol. použil softvér konečných prvkov Deform{1}}D na simuláciu procesu izotermického kovania čepele z vysoko Nb-TiAl zliatiny a dospel k týmto záverom: Ekvivalentná distribúcia deformácie tela čepele a čapu čepele pri izotermickom kovaní je rovnomerná a so zvýšením rýchlosti kompresie hornej formy a teploty predohrevu sa pri deformácii znižuje účinná sila média, čo vedie k vzniku dynamickej rekryštalizácie. Kvalita kovania čepele zo zliatiny Nb-TiAl sa môže zlepšiť, keď je rýchlosť lisovania hornej matrice 1.0 ~ 1,5 mm·s-1 a teplota predhrievania je 1250 ~ 13 00 stupeň . Guan Hong a kol. vyrobené Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni čepeľ izotermické kovanie. Výsledky ukazujú, že izotermické kovanie zliatiny TiAl v kombinácii s predkovaním a konečným kovaním je možné. Teplota zahrievania zliatiny je 1200 ~ 1250 stupňov a vzorka by mala byť chránená puzdrom, aby sa zabránilo príliš rýchlemu poklesu teploty počas procesu prenosu. Miera deformácie je 0,02 ~ 0,07 mm ·s{25}} a deformácia je riadená na 20 % ~ 40 %. Nedávno náš tím a AVIC Power Co., Ltd. spoločne prijali metódu kombinácie simulácie a overenia testom, získali príslušné parametre procesu prostredníctvom softvéru na simuláciu konečných prvkov Deform{28}}D a pripravili čepele zo zliatiny TNM takmer izotermickým kovaním technológiou s použitím formy Ni3Al (obr. 5), porovnali rôzne profily prierezov čepelí. Presnosť predpovede takmer izotermického procesu kovania môže byť viac ako 90% pri simulácii konečných prvkov. V porovnaní s tradičným (vákuovým) izotermickým procesom kovania má výhody vysokej účinnosti, bez vákua, jednoduchého presného riadenia tvaru a nízkych nákladov na proces.
Obr.5 Simulovaná (a) a skutočná (b) takmer izotermická kovaná čepeľ
Aby sa preskúmala výkonnosť kovania zliatiny TiAl pri nízkej teplote, WANG X et al a ZHANG H et al použili metódu konečných prvkov na analýzu procesu izotermického zápustkového kovania čepele zo zliatiny TiAl s vysokým obsahom Nb pri nízkej teplote a úspešne pripravili vysokú NB. čepeľ z ciálnej zliatiny s vysokou kvalitou povrchu a výkonom (obr. 6). Počas procesu tvárnenia čepele zo zliatiny TiAl je možné zabrániť prehýbaniu čepele a znížiť tvarovaciu silu čepele optimalizáciou tvaru a veľkosti predtvarovaného dielu. Keď je teplota nižšia ako 1000 stupňov, teplota kovania a rýchlosť deformácie majú malý vplyv na konečnú distribúciu efektívnej deformácie čepele vyrobenej z izotermického zápustkového kovania. So zvyšovaním kovacej teploty a znižovaním rýchlosti deformácie klesá konečné efektívne napätie kovacieho ostria a jeho rozloženie je postupne rovnomerné. Čepeľ zo zliatiny s vysokým obsahom Nb-TiAl bola úspešne pripravená pri rýchlosti deformácie nižšej ako 0,01 mm·s{6}} a teplote nižšej ako 950 stupňov a na čepeli sa nevytvorili žiadne makroskopické trhliny. Harbin Institute of Technology zároveň vyvinul prvé zariadenie na vákuové izotermické spracovanie za tepla, ktoré dokáže realizovať funkcie vákuového izotermického kovania a izotermického vytláčania a používa sa pri príprave izotermických kovacích dielov zo zliatiny TiAl. Toto zariadenie je možné použiť nielen na izotermickú deformáciu zliatiny TiAl, ale má tiež dôležitú aplikačnú hodnotu pri príprave diskových komponentov z práškovej superzliatiny.
Obr.6 Čepeľ zo zliatiny vysokého Nb-TiAl pripravená procesom nízkoteplotného izotermického zápustkového kovania
TETSUI T a kol. vynašiel novú zliatinu TiAl, ktorá je rozdelená na Ti-42Al-5Mn(%, hmotnostný zlomok). Výrobný proces využíva tradičné spracovanie za tepla, pri ktorom sa ingot zahrieva na 1300 stupňov C na tepelné spracovanie a ochladzuje sa na približne 1200 stupňov C na kovanie alebo valcovanie, ako je znázornené na obrázku 12. Tento spôsob obrábania je rovnaký ako pri bežnej lisovnici za tepla metóda tvárnenia kovania, takže proces výroby čepele znižuje proces vytláčania tyče za tepla, výrazne znižuje náklady a môže vyrábať väčšie komponenty. Kovaná čepeľ má veľmi jemnú mikroštruktúru, vďaka ktorej je pevnosť v ťahu veľmi vysoká pri strednej a nízkej teplote. Vplyvom fázy však výrazne klesá vysokoteplotná pevnosť tejto zliatiny, ktorá sa ťažko používa na dlhodobé vysokoteplotné diely, ako sú turbodúchadlá, a je vhodnejšia pre nízkoteplotné alebo krátkodobé vysokoteplotné lopatky časti.
