Обработка давлением титана и его сплавов
Как отмечено ранее, титан существует в модификациях д и р. Температура аллотропического превращения для чистого титана равна 882—885° С. а-Титан пластичнее р-титана, что объясняется особенностями кристаллической структуры. Примеси в титане (кислород, азот, водород и др.) значительно ухудшают его пластичность. Все это следует учитывать при разработке технологии ковки, штамповки, прессования и прокатки технического титана. Его необходимо деформировать с меньшими обжатиями и более частыми отжигами, чем чистый титан (иодидный).
Обработка давлением титана и его сплавов имеет много общего с обработкой нержавеющей стали. Титан и его сплавы имеют очень узкий интервал температур для обработки давлением. Титан можно нагревать в электрических или пламенных печах. В последнем случае его изолируют от непосредственного контакта с пламенем.
При обработке давлением титана и его сплавов возникают значительные трудности из-за налипания металла на инструмент. Это ведет к увеличению брака. Для уменьшения налипания при холодной штамповке применяют фосфатирование, электролитическое покрытие поверхности заготовки или смазку.
Свободная ковка титана применяется для предварительной обработки литого металла, разрушения крупнозернистой структуры слитка и получения из него заготовок для последующей прокатки и объемной штамповки. Ковку обычно ведут при невысоких степенях деформации с промежуточными подогревами слитка. Бойки молота перед ковкой целесообразно нагревать до 200—220е С, что способствует сохранению тепла в металле и позволяет сократить число промежуточных нагревов слитка.
В результате роста зерен при высоких температурах (особенно выше 870° С) пластичность титана снижается. Рекомендуется большую часть операций ковки титана и его сплавов проводить при температурах окаю 790° С, чтобы не снизить их механические свойства. Для улучшения этих свойств готовую поковку подвергают отжигу.
Титан и его сплавы обрабатывают свободной ковкой на том же оборудовании, что и сталь, но при меньшей скорости деформации.
Объемная штамповка титана отличается от объемной штамповки стали. Титан имеет меньшую усадку, чем сталь. Поэтому для обработки титана нельзя использовать штампы, предназначенные для получения стальных поковок. При конструировании штампов для титана необходимо применять большие уклоны (10%) и большие радиусы в переходах. При объемной штамповке титана необходимо умеренное обжатие с небольшими скоростями деформации и предварительный подогрев штампов. Заготовки из титана и его сплавов нагревают до 870—980° С, что обеспечивает хорошее заполнение штампов.
Прокатку титана и его сплавов применяют для изготовления листов, фасонных профилей проката и труб. Прокатку обычно осуществляют после ковки титановых слитков. При этом используют то же оборудование, что и при прокатке стали.
Листы получают горячей и холодной прокаткой заготовок. Толстые и тонкие листы обычно прокатывают из кованых сутунок на линейных и непрерывных станах.
При прокатке толстых листов заготовки нагревают до 1050—1100° С, а тонких — не выше 1000° С. Заканчивают прокатку обычно при 700— 850° С. За один нагрев заготовки можно достигнуть суммарного обжатия 80% и выше.
При’холодной прокатке листов и ленты исходным материалом являются горячекатаные листы толщиной 2—4 мм. Предварительно эти листы проходят травление для снятия газонасыщенного слоя металла. Подкат протравливают также после каждого межоперационного отжига.
Простые профили (круг, квадрат, уголок) прокатывают на сортовых станах по той же технологической схеме, как и нержавеющую сталь. При проектировании калибровки валков для прокатки титана и его сплавов нужно учитывать большое уширение металла при температуре начала прокатки и резкое уменьшение уширения к концу прокатки.
Листовую штамповку титана и его сплавов применяют для получения различных тонкостенных изделий. Для увеличения коэффициента вытяжки титана при листовой штамповке практикуют подогрев фланцев заготовки и пуансона. При вытяжке титана применяют графитовую смазку (50% графита и 50% масла).
Прессование титановых сплавов используют для получения проволоки, прутков, труб и фасонных профилей. Лучшие свойства достигаются при прессовании в интервале температур, когда не происходит аллотропическое превращение металла. При прессовании титановых сплавов смазкой служит смесь, содержащая графит, слюду и другие добавки. Матрицы, изготовленные из карбида титана, устраняют налипание металла к их поверхности и обеспечивают хорошее качество изделий.
Волочение титана и его сплавов применяют для последующей обработки прессованой проволоки, прутков и труб и осуществляют на том же оборудовании, что и для других цветных металлов и сплавов. Волочение проволоки и труб из титана затрудняется налипанием и задиранием металла. Для избежания этого на поверхность титановых заготовок анодированием наносят окисную пленку, предотвращающую контакт титана с металлом очка волоки.
Штамп для горячей штамповки деталей из титановых сплавов
Владельцы патента RU 2456112:
Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к штампам для горячей, изотермической штамповки деталей, и может быть использовано, например, в авиационной промышленности при изготовлении деталей из титановых сплавов, преимущественно лопаток.
Титан и его сплавы наиболее полно удовлетворяют растущим требованиям ряда ведущих отраслей современной техники: авиации, ракетостроения, судостроения, химической промышленности, медицинской техники. Обладая такими важными эксплуатационными качествами, как высокая удельная прочность при комнатной и повышенной до 600°С температурах и коррозионная стойкость во многих химически активных средах, титан и его сплавы в то же время удовлетворяют и основным критериям технологичности. Они пластичны, удовлетворительно обрабатываются резанием, достаточно хорошо свариваются. Кроме чисто природных качеств на технологичность титановых сплавов во многом влияет правильный выбор параметров обработки. Наиболее распространенным методом производства полуфабрикатов из титановых сплавов является объемное деформирование в горячем состоянии и, в частности, такие широко применяемые процессы, как штамповка и прессование.
Известно, что титановые сплавы наряду с повышенными прочностными и усталостными свойствами проявляют сверхпластические свойства при температурах порядка 700°С-800°С. Учитывая эффективность процессов изотермической штамповки, в условиях сверхпластичности штамповки деталей из титановых сплавов, этот метод находит все более широкое применение.
Метод горячей объемной штамповки используется в основном для изготовления деталей, работающих в условиях действия значительных статических и динамических нагрузок. К таким деталям относятся, например, лопатки компрессоров ГТД и ГТУ. Лопатки компрессора являются наиболее дорогостоящими деталями, определяющими ресурс двигателя, поэтому повышение их эксплуатационной надежности является достаточно важной экономической и технической задачей.
Процесс горячей объемной штамповки, в том числе изотермической штамповки в условиях сверхпластичности, включает пластическую деформацию металлической заготовки, происходящую под воздействием прикладываемого к ней давления штампа, имеющего гравюру, соответствующую форме получаемой детали.
Титановые сплавы, например, такие как ВТ6, ВТ3-1 и др., обладают высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, поэтому они являются наиболее распространенными материалами для изготовления лопаток компрессора. Так, например, штампованные лопатки из сплава ВТ6 после стандартной термообработки имеют прочность до 1100 МПа и относительное удлинение 12…15%, а уровень усталостной прочности лопаток из сплава ВТ6 составляет около 410 МПа.
Наиболее распространенным методом производства деталей из титановых сплавов является объемное деформирование в горячем состоянии и, в частности, такие широко применяемые процессы, как штамповка и прессование. При изготовлении лопаток из титановых сплавов горячая объемная штамповка выполняется в условиях высоких температур, обеспечивающих структурные изменения в сплаве для получения заданных механических свойств деталей.
В условиях горячей объемной штамповки из-за высокого уровня напряжений, которому подвергается материал штампа при контакте с материалом заготовки, на рабочую поверхность штампа накладывают смазку, позволяющую несколько уменьшить контактные напряжения между материалом заготовки штампа. Однако, например, при прессовании титановых сплавов со смазкой матрицы выходят из строя через каждые 10-15 прессовок [М.З.Ерманок, Прессование титановых сплавов. М.: Металлургия, 1979, с.120-135, Л.А.Никольский, Горячая штамповка и прессование титановых сплавов, М.: Машиностроение, 1975, 205 с.].
Технический результат достигается также тем, что штамп для горячей штамповки деталей из титановых сплавов содержит многослойное покрытие с толщиной каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм, выполненное в виде следующих вариантов чередующихся слоев: Zr и ZrN; Zr, Cr и ZrN; Zr, Cr, Nb и ZrN; Zr, Cr, Nb и ZrNbN.
Изобретение поясняется чертежом (фиг.), на котором показан поверхностный слой штампа с многослойным упрочняющим покрытием для горячей штамповки сплавов титана.
Пример конкретного использования
| 1 | ZrN | 0,9-1,1 | 110-130 | 5-8 |
| 2 | ZrC | 8-10 | ||
| 3 | ZrB | 10-12 | ||
| 4 | ZrCN | 0,9-1,0 | 5-8 | |
| 5 | (Zr/Nb)N | |||
| 6 | (Zr/Nb)C | |||
| 7 | (Zr/Nb)CN | 8-10 | ||
| 8 | (Zr/Nb)B | |||
| 9 | (Zr/Nb)CB | |||
| 10 | (Zr/Nb) BN | |||
| 11 | (Zr/Nb+Cr)N |  | 5-8 | |
| 12 | (Zr/Nb+Cr)C | 8-10 | ||
| 13 | (Zr/Nb+Cr)B | 10-12 | ||
| 14 | (Zr/Nb+Cr)CB | 5-8 | ||
| 15 | (Zr/Nb+Cr)CN | |||
| 16 | (Zr/Nb+Cr)BN | |||
| 17 | (Zr/Nb+Cr)CBN | |||
| *В числителе ток дуги испарителя с Zr и Nb, в знаменателе ток дуги испарителя Cr. |
Как показами проведенные авторами исследования, нанесение на рабочие поверхности штамповой оснастки ионно-плазменных покрытий из карбидов и нитридов тугоплавких металлов позволяет приблизительно в 1,7-2,4 раза повысить стойкость штампов из жаропрочных никелевых сплавов (ЖС6-У, ЖС6-К) за счет снижения адгезионного взаимодействия материалов штампа и штампуемой детали, а также за счет резкого снижения процессов разупрочнение материала поверхностного слоя, возникающего в результате растворения γ’-фазы. Испытания проводились на образцах и натурных штампах в производственных условиях при штамповке лопаток из титановых сплавов.
2. Штамп по п.1, отличающийся тем, что многослойное покрытие выполнено в виде чередующихся слоев циркония и нитрида циркония при толщине каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм.
3. Штамп по п.1, отличающийся тем, что многослойное покрытие выполнено в виде чередующихся слоев циркония, хрома и нитрида циркония при толщине каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм.
4. Штамп по п.1, отличающийся тем, что многослойное покрытие выполнено в виде чередующихся слоев циркония, хрома, ниобия и нитрида циркония при толщине каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм.
5. Штамп по п.1, отличающийся тем, что многослойное покрытие выполнено в виде чередующихся слоев циркония, хрома, ниобия и нитрида циркония-ниобия при толщине каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм.
Титан металл особенности структуры + способы обработки
Главная страница » Титан металл особенности структуры + способы обработки
Титан металл традиционно активный материал, демонстрирующий высокую степень коррозионной стойкости. Обусловлено это образованием пассивной плёнки оксида титана, способной сохранять целостность структуры под влиянием различных сред. Металл оптимален в окислительных средах, где образуется эта пассивная плёнка, способная обеспечить чрезвычайно высокую стойкость (пример: морская вода). Однако рассмотрим полный набор особенностей уникального химического элемента (Ti), дабы иметь полное представление.
Титан металл — стойкость против кислот щелочей
Титан металл следует рассматривать материалом высокой коррозионной стойкости по отношению к окисляющим веществам, среди которых выделяются азотная, хромовая кислота и аналогичная химия. Однако неокисляющая химия высокой концентрации (соляная, серная кислоты) в условиях высоких значений температуры способны вызывать коррозию титана.
Поэтому для высокотемпературных условий рекомендуется применять коррозионно-стойкие титановые металлы сплавы(Ti-0,15Pd, Ti-Ni-Pd-Ru-Cr (AKOT) и другие). То же самое касается действия высококонцентрированных щелочей и хлоридных растворов высокой температуры.
В отличие от нержавеющей стали и медных сплавов, титан металл не подвержен точечной коррозии, растрескиванию под напряжением и коррозии в целом. Однако титан металл подвержен щелевой коррозии под воздействием высококонцентрированных растворов высокой температуры. Здесь, соответственно, опять же актуальными к применению становятся коррозионно-стойкие титановые сплавы (Ti-0.15Pd, АКОТ и другие).
Титан как металл подвержен эффекту растрескивания от напряжений лишь в определённых особых условиях. Эрозионная стойкость технически чистого титана значительно превосходит сопротивление медных сплавов. Если сравнивать с другими популярными металлами, электрический потенциал титана более высокий.
Следовательно, если титан металл контактирует в электропроводящем растворе с другими металлами, обладающими более низким потенциалом (медные сплавы и алюминий), коррозия других металлов ускоряется (эффект гальванической коррозии).
Схема под методику анодирования титановой поверхности: 1 — сосуд под электролит; 2 — катод (алюминий); 3 — анод (титан); 4 — электролит; 5 — амперметр; 6 — вольтметр; 7 — источник постоянного тока
При условиях контакта аустенитных нержавеющих сталей (SUS304 и SUS316) с титаном металлом при комнатной температуре, обычно не возникает проблемы гальванической коррозии. Причина — меньшая разница потенциалов между отмеченными сталями и титаном.
Что касается реакционной способности металла по отношению к газу, титан имеет сильное сродство с газами:
Соответственно, необходимо соблюдать осторожность в отношении эксплуатационных условий использования, в частности, температур и давления. Титан проявляет коррозионную стойкость к влагосодержащему газообразному хлору, но активно реагирует на сухой газообразный хлор.
Титан – способы обработки структуры металла
Существует несколько применяемых на практике способов обработки титана, среди которых часто встречаются следующие:
Способ обработки №1: Резка механическая + особенности
Свойства титана, по сути, аналогичны свойствам нержавеющей стали, но несколько уступают. Однако применение условий, упрощающих обработку этого металла, обеспечивает безотказную токарную обработку:
Конечно, обрабатываемость титана зависит от качества структуры. Например, технически чистый титан и α-титановые сплавы достаточно хорошо поддаются обработке, тогда как β-титановый сплав доставляет определённые трудности. Промежуточный материал α и β явно характеризует формируемые сплавы. Материалы инструмента, рекомендуемые для резки металла, показаны в таблице:
Способ обработки №2: Механическая стрижка + особенности
Остаточные заусенцы – очевидное явление, часто возникающее в процессе резки титана. Поэтому ключевым моментом такого типа механической обработки логичным видится некоторое уменьшение зазора между верхним и нижним лезвием инструмента.
Рекомендуемая толщина обрабатываемого титанового листа составляет 5% (нержавеющей стали — 10%). Сопротивление сдвигу титана поддерживается, примерно, на уровне 80% от прочности материала на разрыв.
Титан допустимо резать ножницами при условии способности станка резать материалы с пределом прочности на разрыв, равным параметру прочности металла. Конечно, резка титана возможна не только посредством ножниц. Применимы также другие инструменты.
Способ обработки №3: Механическая гибка + особенности
По причине способности к холодному сгибанию и штамповке, металл титан традиционно используется в качестве материала для штампованных изделий. Титановые сплавы в основном делятся на α-, α-β, и β-сплавы. Формуемость различается в зависимости от типа представленного сплава. Тёплое и горячее формование используется для сплавов α и α-β по причинам недостаточной деформируемости в холодном состоянии и выраженной упругости.
Применяемые методы формования металла здесь:
Собственно, такие же методы, как и те, что применяются к нержавеющей стали. В состоянии обработки гомогенизацией, титановый сплав допустимо формовать в холодном состоянии. Обработка дисперсионным твердением применяется к титановому сплаву после формовки, чем достигается прочность в пределах 1300-1500 МПа.
Способ обработки №4: Пресс-формование (штамповка) титана
Формование прессованием, как правило, применяется для технически чистого титана и обычно выполняется при комнатной температуре. Формуемость титанового сплава сравнима с технологически чистым титаном (KS50 KS70). Но следует иметь в виду – высокая степень упругости вызывает трудности при формовании и достижении точности размеров.
Основными условиями деформации при штамповке являются формование с вытяжкой и глубокая вытяжка. Но свойства технически чистого металла при глубокой вытяжке лучше, чем свойства металла, подвергшегося формованию растяжением. Таким образом, важно учитывать факторы глубокой вытяжки при выборе подходящих условий штамповки и проектировании комплекта штампов.
Среди технически чистых титановых металлов самый мягкий материал по структуре (KS40S) подходит для штамповки под воздействием многих факторов формования растяжением. Напротив, структуры KS40 и KS50 подходят для штамповки, подвергающейся многим факторам глубокой вытяжки.
Титановые штамповочные комплекты повреждаются легко, поэтому требуется смазка для соответствия условиям штамповки. Например, смазочные материалы:
используются в процессе штамповки при комнатной температуре. Также эффективным способом видится дополнение к заготовке полиэтиленового листа.
Титан и особенности термической обработки
Отжиг для снятия напряжения применяется к технически чистому металлу и титановым сплавам после горячей и холодной обработки. Отжиг также применяется для восстановления или перекристаллизации деформированной микроструктуры. Таким образом, отжиг эффективен для стабилизации микроструктуры и размеров обрабатываемого продукта, а также для улучшения режущих свойств и механических свойств металла.
Отмеченные способы применяются к титановым сплавам для улучшения прочности, ударной вязкости и усталостных свойств. Титановые сплавы с большим количеством β-фаз демонстрируют лучшие свойства термообработки. С β-титановым сплавом после обработки гомогенизацией достигается прочность на разрыв около 1600 МПа за счёт двухступенчатого процесса дисперсионного твердения: низкотемпературного и высокотемпературного, соответственно.
Материал
Применение электрических печей с функцией регулируемой вентиляции считается предпочтительным для регулирования температуры при термообработке титана. Кроме того, при использовании печи для отжига, с целью предотвращения абсорбции водорода, необходимо увеличить соотношение воздуха и сделать атмосферу печи слабой окислительной. Также рекомендуется помещать обрабатываемый продукт внутрь муфеля, чтобы защитить от прямого воздействия открытым пламенем.
Как сваривать титановые детали?
Титан металл обладает свойствами, благодаря которым, допустимой становится сварка металла. Более того, механические свойства или коррозионная стойкость свариваемого участка практически не меняются. Однако при высоких температурах титан металл показывает высокое сходство с газообразным кислородом и азотом. Соответственно, реакция с этими газами способна привести к затвердеванию и охрупчиванию.
Отсюда не исключены факторы снижения пластичности и возникновение раковин в газообразном состоянии в области производства сварки. Следовательно, сварка титана требует выполнять процедуру в среде инертного газа или вакууме. Кроме того, перед сваркой необходимо тщательно очистить материал и электрод, а также сварочную среду.
Среди всех титановых материалов технически чистый титан металл и α-титановый сплав обладают лучшими свариваемыми свойствами. Среди существующих методов сварки обычно используется технология TIG (Tungsten Inert Gas) — дуговая сварка вольфрамовым электродом в области инертного газа.
Структурная схема сварочного аппарата на технологию TIG: 1 — наполнитель вольфрамового электрода; 2 — факельная система TIG; 3, 6, 9 — защитный газ; 4 — альтернативная защита; 5 — нержавеющая стружка; 7 — титановая деталь; 8 — нижняя защита; 10 — вольфрамовый электрод
В этом случае для сварки используется специальная горелка, дополненная приспособлением защиты от газов. Реакция сварной части металла на кислород и т. п., предотвращается путём помещения этой части металла в атмосферу газообразного аргона.
Как правило, в результате вступления сварной части в реакцию с газом, получают эффект обесцвечивания металла титан. Такое явление позволяет в некоторой степени определить качество сварного шва путём анализа внешнего вида.
Сварка титана металла со сталью прежде считалась сложной процедурой. Однако технология, разработанная японской компанией «Kobe Steel» для сварки неоднородных металлов, позволила использовать прямую футеровку на стальном листе.
Как паять титановые детали?
Пайка применяется в тех условиях, когда титан нельзя сваривать с другими металлами или когда сварка затруднена в виду сложной структуры. Пайку металла сопровождает особенность выполнения в условиях вакуума или в атмосфере инертного газа. Рекомендуется использовать следующие припои для пайки титана:
| Маркировка припоев для пайки | Температура пайки, C° |
| Ag-3Li | 800 |
| Ag-7.5Cu-0.2Li | 920 |
| Ag-28Cu-0.2Li | 830 |
| Ag-20Cu-2Ni-0.2Li | 920 |
| Ag-20Cu-2Ni-0.4Li | 920 |
| Ag-9Ga-9Pd | 900 |
| Ag-27Cu-5Ti | 840 |
| Ti-15Cu-15Ni | 930 |
| Ti-20Zr-20Cu-20Ni | 890 |
| Ti-25Zr-50Cu | 890 |
Обработка поверхности на коррозионную стойкость
Высокая коррозионная стойкость обусловлена образованием тонкой поверхностной плёнки оксида титана, толщина которой не превышает нескольких десятков ангстрем. Следовательно, коррозионную стойкость допустимо дополнительно улучшить.
Делается это за счёт нанесения дополнительного слоя оксидной плёнки, используя метод обработки поверхности атмосферным окислением. Кроме того, обработка окислением при атмосферном давлении значительно замедляет абсорбцию водорода.
Общая коррозионная стойкость и стойкость к щелевой коррозии дополнительно улучшается после покрытия поверхности металла плёнкой на основе химических соединений PdO-TiO2. Существует технология (Keni Coat) твёрдого электрического покрытия Ni-P для улучшения износостойкости, в результате применения которой:
становятся сбалансированными до высокого уровня. Соответственно, обработанный таким методом титан демонстрирует улучшенные свойства износостойкости.
Формируя оксидную плёнку на поверхности металла с помощью анодирования, световая интерференция позволяет получать красивые цветовые тона с высокой насыщенностью в зависимости от толщины плёнки.
При помощи информации: Azom
