Титановые сплавы из-за своих отличительных характеристик, таких как низкая плотность, высокая прочность, высокая температуростойкость, коррозионная стойкость и отсутствие магнитных свойств, стали одними из наиболее перспективных материалов для металлических конструкций в современной авиационно-космической отрасли. С увеличением применения титановых сплавов в индустрии, их металлургическое качество становится предметом широкого внимания отраслевых специалистов. Таким образом, металлургическое качество титановых сплавов становится все более важным аспектом.

На текущий момент более 80% промышленных титановых сплавов используются в виде деформируемых сплавов, таких как штампованные детали, штампованные бруски и прокатанные профили. Деформационное формование является основным методом обеспечения титановых сплавов необходимой структуры и характеристик, но некорректная технология штамповки часто приводит к появлению нежелательных структурных и металлургических дефектов в продукции из титанового сплава. Эти дефекты могут ухудшить механические свойства материала и представлять потенциальные опасности для нормального использования титановых сплавов, также создавая значительные потери для производителей и потребителей. Поэтому исследование и анализ механизмов формирования различных дефектов при штамповке титановых сплавов, а также принятие эффективных мер предотвращения, имеют большое значение

1.Термические эффекты при ковке

После первоначальной ковки на быстром прессе заготовка известной марки высокотемпературного титанового сплава превращена в прокатку φ 165 мм после многократного нагрева в α+β-фазовой области. После термической обработки наблюдается нечеткость в структуре с низким увеличением, а микроструктура представляет собой структуру сфероидальных зерен, что является идеальной структурой титанового сплава α+β сфероидальной формы, структурные фотографии см. на рисунке 1а. Вырезав указанный пруток диаметром 165 мм, после подогрева на 50 °C ниже температуры превращения на 30-тонном гидравлическом молоте он был выкован в формат 110 мм × 110 мм. Затем при анализе разреза полученного заготовки обнаружено, что центральная часть образца представляет собой четкую структуру с микроструктурой α-пластин+β-превращение, что является типичной структурой Вейи с четкой кристаллической границей. α принадлежит к перегретым структурам титанового сплава. На расстоянии 20-30 мм от поверхности наблюдается полупрозрачная микроструктура, представленная α-пластинами+α-сфероидами+β-превращение, при этом количество α-сфероидов невелико, а количество α-пластин доминирует, имеются обрывчатые кристаллические границы α; в диапазоне 0-20 мм от поверхности наблюдается нечеткая структура

Пруток из титанового сплава TC4 диаметром 80 мм в определенной партии имеет типичную структуру α-пластин, при этом содержание начальных α-пластин превышает 70%. После матричной ковки на 940 ℃ (температуре превращения сплава 995 ℃) на молотке полученное изделие имеет микроструктуру в центре, при этом содержание начальных α-пластин остается около 15%, что обусловлено перегревом при температуре ковки.

Титановые сплавы в процессе деформации при температуре выше точки превращения (α+β/переходная температура β) приобретают пластичность и ухудшаются их усталостные характеристики. Поэтому в большинстве технических стандартов для продукции из титановых сплавов требуется использование двухфазных титановых сплавов типа близкого к α или α+β, причем микроструктура обычно представляет собой сбалансированную структуру или двухфазную структуру, обладающую лучшими комплексными характеристиками. Поэтому при ковке изделий из двухфазных титановых сплавов типа близкого к α или α+β обычно выбирают температуру нагрева от 30 до 60 ℃ ниже точки превращения. Многочисленные исследования и инженерная практика показывают, что с повышением температуры нагрева для ковки двухфазных титановых сплавов содержание начальных α-пластин значительно снижается, а содержание α-пластин заметно увеличивается. Другими словами, при нагреве двухфазных титановых сплавов ниже точки превращения с увеличением температуры начальные α-пластины постепенно превращаются в β-фазу, что приводит к снижению содержания начальных α-пластин, уменьшению их размеров, увеличению содержания α-пластин и, при превышении температуры нагрева ковки точки превращения титанового сплава, полному исчезновению начальных α-пластин и формированию пластинчатой сетчатой структуры или структуры Вейи

Теплопроводность титана составляет 0,036 ккал/(см·с·°C) (1 ккал/(см·с·°C) = 418,68 Вт/(см·K)). При комнатной температуре она в 15 раз меньше, чем у алюминия, и в 5 раз меньше, чем у железа. В процессе ковки титанового сплава на молотке из-за высокой скорости мгновенной деформации (7-9 м/с) и высокой частоты ударов внутренние напряжения в сплаве становятся слишком высокими, что приводит к большому расходу механической энергии, преобразуемой во внутреннее тепло за короткое время.

Из-за того, что деформация в центре заготовки больше, чем в окружающих областях, и из-за плохих условий для сброса тепла, внутренняя температура заготовки повышается, и температура в центральной области, где максимальная деформация, может даже превысить точку превращения сплава. Это приводит к резкому снижению содержания начальных α-пластин в центре микроструктуры заготовки, и в некоторых случаях они могут полностью исчезнуть. При сильном перегреве микроструктура может преобразоваться в структуру Вейи, которая обладает очень низкими механическими характеристиками.

Для изготовления двухфазных титановых сплавов, как правило, рекомендуется использовать технологии с низкой скоростью удара, чтобы избежать перегрева и обеспечить достаточное время для диффузии тепла во время деформации. Возможно использование прессов или быстрых прессов, где скорость удара невелика, и моментальная скорость деформации заготовки невысока, что снижает выделение тепла и позволяет ему более эффективно распределяться

2.Неравномерная структура

При микроскопическом изучении отливки из титанового сплава TC17 определено наличие крупных α-фазовых областей в структуре сетчатой решетки, так называемых крупных α-блоков, как показано на рисунке 3. Этот заготовка из титанового сплава TC17 изготовлен с использованием технологии низколегированного β-сплава (нагрев на 40℃ выше температуры превращения, затем формовка на молотке и охлаждение на воздухе), с целью получить однородную структуру сетчатой решетки.

Эти крупные α-блоки, также известные как большие белые блоки, отличаются от мелких нормальных α-пластин по своей форме, они крупнее и менее однородны. Они растут от границы зерен внутрь зерна, редко пересекаясь с другими блоками, их границы зерен грубые и неровные, в то время как границы нормальных α-пластин гладкие. Исследования показывают, что микротвердость этих крупных α-блоков примерно на 10% ниже, чем у нормальных α-пластин, что снижает пластичность и теплостойкость сплава, оказывая негативное влияние на качество формовки. Поэтому необходимо предотвращать появление такой неравномерной структуры в титановых сплавах. В процессе плавления титанового сплава из-за неравновесных коэффициентов распределения элементов α-стабилизирующие элементы накапливаются и диффундируют вдоль границ зерен, вызывая первичное образование α-фаз в виде крупных блоков, что является основной причиной появления такой неравномерной структуры.

Диффузионная образование в микрозонах обусловлена неравенством коэффициента распределения k₀, когда k₀>1 или k₀<1. Последующее кристаллизационное обогащение влияет на содержание растворенных компонентов в различных областях затвердевших областей, что является нормальным процессом. Это обогащение трудно полностью избежать, но его можно контролировать при необходимости. С одной стороны, это можно осуществить улучшением и оптимизацией параметров плавки, а с другой — с помощью подходящей ковочной технологии. В процессе ковки, при открытке отливки, используется подходящее высокотемпературное отпускание для улучшения и устранения микроскопической дендритной диффузии в зоне столбчатой структуры отливки. Затем, в процессе формовки заготовки и готового изделия, применяются соответствующие способы охлаждения после ковки для контроля и подавления появления крупных α-блоков в микроструктуре. Указанный в случае титановой заготовки TC17, после формовки в низколегированной β-форме, использование естественного охлаждения после ковки стало причиной появления крупных α-блоков. Быстрое охлаждение (водное или масляное) после низколегированной бета-ковки значительно снижает или устраняет появление крупных α-блоков, увеличивает скорость охлаждения и повышает переохлаждение, что способствует увеличению зерен β-фазы и, следовательно, снижает появление крупных α-блоков. Форсированное охлаждение после низколегированной бета-формовки может значительно снизить или предотвратить появление крупных α-блоков, ускоряя скорость охлаждения и увеличивая переохлаждение. Это повышение дает больше времени для образования зерен β-фазы, котор

3.Дефект в виде полостей

В ходе ультразвукового контроля одного партийного образца титанового сплава TA7 диаметром 70 мм было выявлено наличие превышения сигнала дефектов. После проведения анализа дефектов исследование на поперечное сечение с последующим обзором на низком увеличении после коррозии показало большое количество "полостей", сосредоточенных в основной области центра образца, в то время как за пределами 1/4 радиуса образца "полостей" не было обнаружено. Затем проведено высокомасштабное наблюдение в области "полостей", и выяснено, что они представляют собой дефекты в виде межкристаллитных полостей, как показано на микрофотографии структуры в области дефекта на рисунке 4. Некоторые исследования связывают явление "полостей" с коррозией, считая, что с увеличением времени коррозии явление становится более явным. Другие исследования связывают "полости" с высоким содержанием примеси элемента Fe. Однако эти точки зрения трудно объясняют явление превышения сигнала дефектов в ультразвуковом контроле и обнаружение полостей при высоком увеличении.

Множество инженерных практик подтверждают, что технологические характеристики сплава TA7 хуже, чем у других титановых сплавов, таких как TC4, TC11 и др. Процесс ковки более подвержен образованию трещин по сравнению с другими титановыми сплавами, и скорость распространения трещин высока. Металлические материалы, такие как титан, алюминий и др., при подвержении большим деформациям (например, при сверхпластичной формовке), могут вызывать рыхлость, образование полостей и даже разрывы. В случае титанового сплава TA7 образование полостей является результатом вызванных большой деформацией. При высоких значениях деформации скорость течения сплава TA7 значительно увеличивается по сравнению со статическим состоянием, но пластичность существенно снижается; с увеличением скорости деформации увеличивается деформация течения, но существует критическая скорость деформации, превышение которой приводит к разрыву материала; при достижении критической скорости деформации в материале возникает адиабатическая пластическая полоса, и в этой полосе образуются микрополости, постепенно сливающиеся и даже образующие микротрещины под действием внешнего напряжения. Микрополости всегда образуются вдоль полосы с наибольшим уровнем сдвига, потому что в локализованной деформации внутри полосы происходит значительный нагрев, что приводит к облегчению материала внутри полосы и создает идеальные условия для образования дефектов, таких как трещины и полости. В случае брусчатой сетки TA7 в процессе ковки область центра образца имеет максимальное деформационное напряжение и самое медленное распространение деформации, что приводит к наивысшей температуре деформации и, следовательно, к образованию полостей при больших деформациях.

Исследования показывают, что в процессе пластичной деформации металлических материалов с изменением формы структуры происходит рост зерен, вытягивание эки-осейных кристаллов, вращение и скольжение зерен, размножение дислокаций, динамическая рекристаллизация и рост полостей, связанных с формированием явлений в процессе пластичной деформации. Сдвиг по границам зерен является основным механизмом пластичной деформации; сдвиг по границам зерен вызывает локальную кон

4.Заключение

В настоящее время наиболее распространенными дефектами в процессе ковки титановых сплавов являются перегрев и неравномерность структуры, полости, трещины и т.д. Эти дефекты обычно легко обнаруживаются при микроскопическом исследовании микроструктуры или ультразвуковом контроле титановых сплавов. Они, как правило, образуются из-за неправильного контроля технологических параметров в процессе ковки титановых сплавов. Поэтому в процессе ковки необходимо выбирать подходящую скорость деформации (оборудование для ковки), температуру нагрева перед ковкой, количество деформаций и скорость охлаждения после ковки в зависимости от особенностей каждого титанового сплава