Umijeće precizne kontrole: izotermno kovanje i osiguranje kvalitete turbinskih lopatica
Zbog ograničene termoplastičnosti TiAl legure, potrebno ju je kovati na visokoj temperaturi i vrlo niskoj brzini deformacije. Oprema za izotermno kovanje može pružiti relativno izotermno okruženje i malu brzinu deformacije. Konvencionalni postupak kovanja TiAl oštrice je sljedeći: lijevana gredica ili ekstrudirana šipka djelomično se kuje u trupac za kovanje, a zatim se dalje priprema u predkovanje, a oštrica se priprema kroz predkovanje i konačno kovanje. Na taj se način njemačka oštrica Rolls-Royce BR715 HPC izrađuje 3-stupnjevitim izotermnim kovanjem, a završni dio se priprema toplinskom obradom i strojnom obradom (Slika 1).
Slika 1 Koraci kovanja oštrice (a) i strojno obrađene oštrice (b)
Oštrice prikazane na SL. 2 su Ti45AL8NB0.65 (B, C) kompresorske lopatice koje je proizvela tvrtka Thyssen za Rolls Royce prema ruti prikazanoj na SL. 2a, koji imaju izvrsnu otpornost na visoke temperature. Godine 2016. MTU je objavio da je krivotvorena TNM lopatica niskotlačne turbine primijenjena na PW1100G-JM motor putničkog aviona A320, te je on završio svoj prvi let. Kovane lopatice od legure TiAl pokazuju velike izglede za primjenu, a od 2015., 10000 lopatica od kovane legure TNM sastavljene su za motore PW1100G. TNM legura pokazuje dobra svojstva za vruću obradu, a idealna mikrostruktura i sveobuhvatna mehanička svojstva postižu se dvostrukim kovanjem gredica i naknadnom toplinskom obradom.
Sl.2 Noževi od Ti45Al8Nb0.5(B,C) koje je proizveo Thyssen za Rolls-Royce
Kako bi se povećala učinkovitost proizvodnje, trupac ekstrudirane kratke šipke kovan je izravno u Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4) HPC lopatice od legure testnog motora Rolls-Royce E3E. Kako bi se dodatno povećao prinos i učinio ekonomičnijim, dizajnirana je matrica za kovanje više dijelova lopatica (osobito manjih lopatica kompresora) odjednom. Na molibdenskom disku promjera Φ600 mm obrađeno je 30 identičnih šupljina. Izvan preše, donja matrica se puni dijelovima predforme, a cijela matrica i sirovina se stavljaju u komoru preše i zagrijavaju do temperature kovanja za izotermno kovanje. Ovom metodom može se iskovati 30 oštrica odjednom (slika 3).
Slika 3 Matrica s višestrukim prethodno iskovanim dijelovima (a) i oštricom nakon kovanja (b)
Iako izotermno kovanje može učinkovito riješiti problem teškog oblikovanja TiAl oštrice, jer se kalup i kovanje zagrijavaju do 1150 stupnjeva, kako bi se spriječio gubitak temperature dijelova u dugotrajnom procesu kovanja, kalup je izrađen od legure molibdena s visokom otpornošću na toplinu. Kako bi se materijal kalupa zaštitio od oksidacije, potreban je vakuum ili inertni plin u komori za kovanje. Lopatica niskotlačne turbine od TNM legure motora PW1134G također je izrađena vakuumskim izotermnim kovanjem u kalupu od legure molibdena. Njemački istraživački centar GKSS koristio je ekstrudiranu leguru TNB u omotaču za izravnu strojnu obradu ili u kombinaciji s izotermnim kovanjem za izradu lopatice od legure TiAl za visokotlačni kompresor, koja je postala glavna metoda pripreme za lopaticu od legure TiAl za visokotlačni kompresor.
TETSUI T i sur. izumio je novu leguru TiAl, koja se dijeli na Ti-42Al-5Mn(%, maseni udio). Proizvodni proces koristi tradicionalnu vruću obradu, u kojoj se ingot zagrijava na 1300 stupnjeva C za toplinsku obradu i hladi na oko 1200 stupnjeva C za kovanje ili valjanje, kao što je prikazano na slici 12. Ova metoda strojne obrade ista je kao obična vruća matrica metodom oblikovanja kovanja, tako da proces proizvodnje oštrica smanjuje proces vruće ekstruzije šipke, značajno smanjuje troškove i može proizvoditi veće komponente. Kovana oštrica ima vrlo finu mikrostrukturu, što čini vlačnu čvrstoću vrlo visokom na srednjoj i niskoj temperaturi. Međutim, zbog utjecaja faze, visokotemperaturna čvrstoća ove legure značajno se smanjuje, što je teško koristiti za dugotrajne visokotemperaturne dijelove kao što su turbo punjači, te je prikladnija za niskotemperaturne ili kratkotrajno visoke temperature oštrice dijelovi.
Slika 4 Oštrice od legure TiAl koje proizvodi Mitsubishi Heavy Industries
(a) i njihova svojstva (b)
Simulacija u više koraka procesa izotermalnog kovanja lopatice od legure TiAl provodi se simulacijom konačnih elemenata, koja može učinkovito ovladati zakonom reologije materijala, analizirati utjecaj parametara procesa, optimizirati proces i dizajn matrice. U isto vrijeme, simulacija konačnih elemenata ne samo da može skratiti proizvodni ciklus i smanjiti troškove, već također ima važno usmjeravajuće značenje za produbljivanje znanja o zakonu oblikovanja kovanja noža od legure TiAl i optimizaciju procesa oblikovanja noža. Xin Jingjing i sur. koristio je softver konačnih elemenata Deform-3D za simulaciju izotermalnog procesa kovanja lopatice od legure s visokim sadržajem Nb-TiAl i došao do sljedećih zaključaka: Ekvivalentna raspodjela deformacija tijela lopatice i klina lopatice u izotermnom kovanju je ujednačena, a s povećanjem brzine kompresije gornjeg kalupa i temperature predgrijavanja, srednja efektivna sila se smanjuje tijekom deformacije, što pogoduje pojavi dinamičke rekristalizacije. Kvaliteta kovanja oštrice od legure Nb-TiAl može se poboljšati kada je brzina prešanja gornje matrice 1.0 ~ 1,5 mm·s-1, a temperatura predgrijanja 1250 ~ 13 00 stupanj . Guan Hong i sur. izrađen od Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni izotermno kovanje oštrice. Rezultati pokazuju da je izotermno kovanje TiAl legure u kombinaciji s predkovanjem i završnim kovanjem izvedivo. Temperatura zagrijavanja tialne legure je 1200 ~ 1250 stupnjeva, a uzorak treba zaštititi kućištem kako bi se spriječio prebrzi pad temperature tijekom procesa prijenosa. Brzina deformacije je 0,02 ~ 0,07 mm ·s-1, a deformacija se kontrolira na 20% ~ 40%. Nedavno su naš tim i AVIC Power Co., Ltd. zajednički usvojili metodu kombiniranja simulacije i verifikacije testa, dobili odgovarajuće procesne parametre putem softvera za simulaciju konačnih elemenata Deform-3D i pripremili lopatice od legure TNM gotovo izotermnim kovanjem tehnologijom pomoću Ni3Al kalupa (SLIKA 5), usporedili su različite profile presjeka lopatica. Točnost predviđanja gotovo izotermnog procesa kovanja može biti više od 90% simulacijom konačnih elemenata. U usporedbi s tradicionalnim (vakuumskim) izotermalnim postupkom kovanja, ima prednosti visoke učinkovitosti, bez vakuuma, jednostavne precizne kontrole oblika i niske cijene procesa.
Slika 5 Simulirana (a) i stvarna (b) gotovo izotermna kovana oštrica
Kako bi istražili performanse kovanja TiAl legure na niskoj temperaturi, WANG X et al i ZHANG H et al upotrijebili su metodu konačnih elemenata za analizu izotermalnog procesa kovanja oštrice TiAl legure s visokim sadržajem Nb na niskoj temperaturi i uspješno pripremili visok NB -oštrica od legure s visokom kvalitetom površine i performansama (SLIKA 6). Tijekom procesa oblikovanja lopatice od legure TiAl, defekti savijanja lopatice mogu se spriječiti, a sila oblikovanja lopatice može se smanjiti optimizacijom oblika i veličine prethodno oblikovanog dijela. Kada je temperatura niža od 1000 stupnjeva, temperatura kovanja i brzina deformacije imaju mali utjecaj na konačnu raspodjelu efektivne deformacije oštrice izrađene izotermnim kovanjem. S porastom temperature kovanja i smanjenjem brzine deformacije, konačno efektivno naprezanje oštrice kovanja se smanjuje i njegova raspodjela je postupno ravnomjerna. Oštrica od legure s visokim sadržajem Nb-TiAl uspješno je pripremljena pri brzini deformacije nižoj od 0,01 mm·s-1 i temperaturi nižoj od 950 stupnjeva, a na oštrici nisu nastale nikakve makroskopske pukotine. U isto vrijeme, Institut za tehnologiju u Harbinu razvio je prvu vakuumsku izotermalnu opremu za vruću obradu koja može ostvariti funkcije vakuumskog izotermalnog kovanja i izotermne ekstruzije, a korištena je u pripremi dijelova za izotermno kovanje od legure TiAl. Ovaj uređaj ne samo da se može koristiti za izotermnu deformaciju TiAl legure, već također ima važnu primjenjivu vrijednost u pripremi komponenti diska od praškaste superlegure.
Slika 6 Oštrica od legure s visokim sadržajem Nb-TiAl pripremljena postupkom izotermalnog kovanja na niskoj temperaturi
TETSUI T i sur. izumio je novu leguru TiAl, koja se dijeli na Ti-42Al-5Mn(%, maseni udio). Proizvodni proces koristi tradicionalnu vruću obradu, u kojoj se ingot zagrijava na 1300 stupnjeva C za toplinsku obradu i hladi na oko 1200 stupnjeva C za kovanje ili valjanje, kao što je prikazano na slici 12. Ova metoda strojne obrade ista je kao obična vruća matrica metodom oblikovanja kovanja, tako da proces proizvodnje oštrica smanjuje proces vruće ekstruzije šipke, značajno smanjuje troškove i može proizvoditi veće komponente. Kovana oštrica ima vrlo finu mikrostrukturu, što čini vlačnu čvrstoću vrlo visokom na srednjoj i niskoj temperaturi. Međutim, zbog utjecaja faze, visokotemperaturna čvrstoća ove legure značajno se smanjuje, što je teško koristiti za dugotrajne visokotemperaturne dijelove kao što su turbo punjači, te je prikladnija za niskotemperaturne ili kratkotrajno visoke temperature oštrice dijelovi.
