نقص مشترک آلیاژهای تیتانیوم و پیشگیری آنها

1. جعل اثر حرارتی

پس از درجه مشخصی از شمش آلیاژ تیتانیوم با درجه حرارت بالا ، روی یک دستگاه فرفورژه سریع جعل شد ، گرم شد و در یک نوار 165 میلی متر در منطقه + دو فاز برای چندین بار جعل شد. پس از عملیات حرارتی ، ساختار ماکروساختار آن یک ساختار کریستالی فازی مشاهده شد ، و ریزساختار آن یک ساختار برابر است ، که یک ساختار برابر ایده آل از آلیاژ تیتانیوم + دو فاز است. عکس ریزساختار در شکل 1A نشان داده شده است. پس از اره φ 165 میلی متری اره و برش ، در 5 درجه {20 درجه} درجه زیر نقطه تبدیل فاز گرم شد و در یک تخته مربع φ 110 mm × 110 میلی متر مربع روی یک چکش هیدرولیک 30 کیلوگرم جعل شد. هنگامی که بیل مربع متعاقباً جدا شد و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت ، مشخص شد که هسته کریستال واضح است. عکس ریزساختار در شکل 1b نشان داده شده است. ریزساختار لات + چرخش است که یک ساختار معمولی widmanstatten با مرزهای دانه شفاف است. متعلق به ساختار بیش از حد گرم شده در آلیاژ تیتانیوم است. کریستال نیمه تمیز 20 تا 30 میلی متر از سطح فاصله دارد. عکس ریزساختار در شکل 1C نشان داده شده است. ریزساختار Lath + Equiaxed + چرخش است. تعداد Equiaxed نادر است ، تعداد لات ها بزرگ است ، و مرزهای غلات توزیع نشده وجود دارد. دامنه 0 تا 20 میلی متر از سطح کریستال فازی است.

دسته ای از میله های آلیاژ تیتانیوم φ80mm TC4 دارای ریزساختار معمولی برابر است (شکل 2A را ببینید) ، و محتوای اصلی برابر بیش از 70 ٪ است. پس از مرگ بر روی چکش گرمایش در 940 درجه (نقطه تبدیل آلیاژ 995 درجه) ، ریزساختار هسته جعل قالب در شکل 2B نشان داده شده است ، و محتوای اصلی تعادل فقط حدود 15 ٪ است که با گرمای بیش از حد دمای جعل ایجاد می شود.

آلیاژهای تیتانیوم در بالای نقطه انتقال فاز ( + / دمای تحول) تغییر شکل داده اند تا سازه های سبد خرید یا ساختارهای widmanstatten با خصوصیات پلاستیک و خستگی ضعیف را بدست آورند. بنابراین ، اکثر استانداردهای فنی محصول آلیاژ تیتانیوم نیاز دارند که ریزساختارهای تقریباً نوع و {{2} type محصولات آلیاژ دو فاز دو فاز به طور کلی ساختارهای یکسان یا ساختارهای دو حالته با عملکرد جامع خوب باشند. بنابراین ، محصولات آلیاژ تیتانیوم فاز دوتایی تقریباً از نوع و {6} نوع به طور کلی در درجه {8}}} زیر نقطه انتقال فاز گرم و جعلی می شوند. تعداد زیادی از مطالعات و شیوه های مهندسی نشان داده اند که با افزایش دمای گرمایشی ، محتوای اولیه در ساختار آلیاژهای تیتانیوم فاز دو فاز به طور قابل توجهی کاهش می یابد ، در حالی که محتوای Laths به طور قابل توجهی افزایش می یابد. به این معنی که ، هنگامی که آلیاژ تیتانیوم دوبلکس در زیر نقطه تحول فاز گرم می شود ، با افزایش دمای گرمایش ، فاز تعادل اولیه در ساختار به تدریج به فاز تبدیل می شود ، در نتیجه کاهش محتوای تعادل اولیه ، یک مورفولوژی کوچکتر و افزایش محتوای چاه در میکرواستروکتور آلوئیل عناوین بعد از گرمایش پس از گرمایش هنگامی که دمای گرمایش و جعل از نقطه تبدیل فاز آلیاژ تیتانیوم فراتر می رود ، فاز تعادل اولیه در ساختار آلیاژ تیتانیوم دوبلکس کاملاً از بین می رود و به یک ساختار سبد مانند یا ساختار widmanstatten تبدیل می شود.

هدایت حرارتی تیتانیوم 0. 036cal/cm · s · درجه (1cal/cm · s · درجه {3}} 68w/cm · k) است که 1/15 آلومینیوم و 1/5 آهن در دمای اتاق است. در طی فرآیند جعل آلیاژ تیتانیوم بر روی چکش ، به دلیل تغییر شکل سریع فوری (9 ~ 9m/ثانیه بر روی چکش) و فرکانس زیاد اعتصاب ، استرس جریان داخلی آلیاژ بسیار بزرگ است و مقدار زیادی از انرژی مکانیکی در مدت زمان کوتاه مصرف می شود و به گرمای داخلی تبدیل می شود. از آنجا که تغییر شکل هسته بیل از محیط اطراف بزرگتر است و شرایط اتلاف گرما ضعیف است ، درجه حرارت داخل بیل افزایش می یابد و دمای ناحیه مرکز با حداکثر رویکردهای درجه تغییر شکل یا حتی بیش از نقطه انتقال فاز آلیاژ ، و در نتیجه ناپدید شدن شدید یا حتی کامل از ناپدید شدن کامل در مرکزیت میکرواستراکتری نهایی در مرکز نهایی است. هنگامی که گرمای بیش از حد جدی است ، سازمان به یک سازمان Widmanstatten عملکرد بسیار ضعیف تبدیل می شود. بعد از اینکه دو آلیاژ تیتانیوم دو فاز معمولی فوق توسط Hammer جعل می شوند ، محتوای اصلی تعادل در ریزساختارهای آنها به شدت کاهش می یابد و محتوای Lath بر این اساس افزایش می یابد. ریزساختار از یک ساختار معادل ایده آل به یک ساختار ضعیف Widmanstatten تبدیل می شود. دلیل اصلی این است که آلیاژ تیتانیوم در طی فرآیند تغییر شکل آنی و شدید بیش از حد گرم می شود.

در حین ایجاد تغییر شکل آلیاژ تیتانیوم ، این مرکز به طور کلی منطقه تغییر شکل خشونت آمیز است ، بنابراین این مرکز منطقه ای است که بیشترین افزایش دما را دارد. افزایش دما در مرکز به عنوان پایه اصلی برای تدوین فرآیند جعل استفاده می شود. هنگام جعل آلیاژ تیتانیوم با یک چکش فرفورژه با سرعت فرفری سریعتر ، باید اثر گرمای مرکزی در طی فرآیند جعل در نظر گرفته شود ، و نمی توان آن را به طور مداوم مورد اصابت قرار داد. توصیه می شود در صورت اجازه شرایط ، از مطبوعات یا دستگاه فرفری سریع برای جعل آلیاژ تیتانیوم استفاده کنید. این نوع تجهیزات جعل سرعت قابل توجه کم است و میزان کرنش فوری خالی در هنگام جعل کم است. گرمای تغییر شکل تولید شده خیلی آشکار نیست. در عین حال ، زمان کافی برای انتشار گرمای تغییر شکل وجود دارد که باعث افزایش قابل توجهی در دمای هسته فوری نمی شود.

2. سازمان ناهموار

هنگام مشاهده ریزساختار دسته ای از بخش های آلیاژ تیتانیوم TC17 ، مشخص شد که در ساختار سبد ، فازهای بزرگ بلوک (که معمولاً به عنوان بلوک های درشت شناخته می شوند) وجود دارد ، در شکل 3 به شکل 3 مراجعه کنید. یک ساختار سبد یکنواخت.

به این نوع بلوک درشت نیز بلوک بزرگ سفید گفته می شود. در مقایسه با نوار طبیعی خوب در ساختار سبد ، درشت و به شکل ناهموار است. از مرز دانه به دانه رشد می کند ، به ندرت در هم می آمیزد ، و رابط کریستال آن نسبتاً خشن و ناهموار است ، در حالی که رابط کریستالی نوار طبیعی نسبتاً صاف است. مطالعات نشان داده اند که ریزگردها بودن این بلوک درشت حدود 10 ٪ پایین تر از نوار طبیعی است که باعث می شود انعطاف پذیری آلیاژ و پایداری حرارتی کاهش یابد و بر کیفیت بخشش تأثیر بگذارد ، بنابراین لازم است از این نوع ساختار ناهموار در آلیاژ تیتانیوم جلوگیری شود. در طی فرآیند ذوب و جامد سازی آلیاژ تیتانیوم ، به دلیل ضریب توزیع تعادل عناصر مختلف آلیاژ ≠ 1 ، غنی سازی و تفکیک عناصر تثبیت کننده در مرزهای دانه پس از جامد وجود دارد ، بنابراین مرحله ابتدا در غنی سازی خود رسوب می کند و در امتداد مرز دانه به دانه رشد می کند ، در نتیجه یک بلوک Coarse را تشکیل می دهد. تفکیک مؤلفه میکرو منطقه دلیل اساسی برای تولید این ساختار ناهموار است.

Micro-region component crystallization segregation is caused by the equilibrium distribution coefficient k0>1 یا k 0<1. The segregation formed by different solute concentrations in the successive crystallization regions of the alloy is normal segregation. This segregation is difficult to avoid completely, but it can be controlled by appropriate measures. On the one hand, it can be controlled by improving and optimizing the ingot smelting process parameters, and on the other hand, it can be improved and eliminated by appropriate forging processes. In terms of forging process, firstly, during the forging of the ingot, appropriate high-temperature homogenization treatment is used. The microscopic intracrystalline dendrite segregation in the columnar structure area of ​​the ingot is improved and eliminated by homogenization annealing or deformation recrystallization; secondly, during the die forging process of the alloy billet and the finished product, appropriate post-forging cooling methods are used to control it and inhibit the appearance of coarse α blocks in its microstructure. The use of air cooling after the sub-β die forging of the above-mentioned TC17 titanium alloy forgings is the cause of the appearance of coarse α blocks. The post-forging cooling rate is slow, the undercooling degree is small, and the nucleation rate is low, so the α phase has enough time to grow and form coarse α blocks.

خنک کننده سریع (خنک کننده آب یا خنک کننده روغن) پس از فرفورژه می تواند ظاهر بلوک های درشت را به میزان قابل توجهی کاهش یا مهار کند. تسریع سرعت خنک کننده و افزایش میزان سوپر کولینگ می تواند میزان هسته سازی فاز را افزایش دهد. اگرچه تفکیک عنصر آلیاژ در منطقه محلی وجود دارد که شرایط رشد بلوک های درشت را دارد ، اما این مرحله زمان رشد و ادغام را ندارد و روند تحول فاز کل سازمان به پایان رسیده است. کنترل میزان خنک کننده می تواند به طور قابل توجهی مورفولوژی و توزیع فاز رسوب را تغییر دهد. خنک کننده آب یا خنک کننده روغن پس از جعل ، تمام یا بخشی از نقص کریستالی (جابجایی ، زیر دانه ها) و سازمانهای تغییر شکل با افزایش چگالی جابجایی ایجاد شده توسط جعل به دمای اتاق را برطرف می کند و تعداد زیادی از هسته های کریستالی را برای تبلور مجدد در فرآیند عملیات حرارتی متعاقب آن اضافه می کند. در عملیات حرارتی بعدی ، مکانیسم بارش فاز از مکانیسم هسته ای ناشی از شرایط خنک کننده هوا به یک حالت هسته ای مستقل تغییر می کند و نوارهای کوچک ، هرج و مرج و همبستگی اولیه و ثانویه بدست می آید. این سازمان می تواند خصوصیات جامع آلیاژ را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد.

3. نقص از نوع حفره

در طول بازرسی اولتراسونیک کارخانه از دسته ای از میله های آلیاژ تیتانیوم φ 70mm TA7 ، امواج نقص بیش از حد پیدا شد. پس از جدا کردن محل نقص ، یک بازرسی افقی کم مصرف انجام شد. پس از خوردگی ، تعداد زیادی از "چاله ها" در بازرسی کم مصرف یافت شد ، که عمدتا در محوطه مرکز نوار متمرکز شده بود ، و هیچ "چاله" در خارج از شعاع 1/4 نوار یافت نشد. پس از آن ، گودالها با قدرت بالا مشاهده شد و به نظر می رسد نقص خلاء بین دانه ای است. عکس های ریزساختار از نقص در شکل 4 نشان داده شده است. برخی از مطالعات بر این باورند که پدیده "گودال" مربوط به خوردگی است و با افزایش زمان خوردگی ، پدیده "گودال" آشکارتر می شود. برخی از مطالعات بر این باورند که "گودال" ممکن است مربوط به محتوای بالای عنصر ناخالصی FE باشد. با این حال ، توضیحات فوق برای توضیح پدیده امواج بیش از حد نقص در آزمایش اولتراسونیک و پدیده خالی موجود در تجزیه و تحلیل قدرت بالا دشوار است.

تعداد زیادی از شیوه های مهندسی ثابت کرده اند که عملکرد فرآیند جعل TA7 از سایر آلیاژهای تیتانیوم مانند TC4 و TC11 بدتر است. این بیشتر از سایر آلیاژهای تیتانیوم مستعد ترک خوردگی در طی فرآیند جعل است و میزان انتشار ترک سریعتر است. مواد فلزی مانند تیتانیوم و آلیاژهای آلومینیوم مستعد ابتلا به شل ، حفره ها و حتی شکستگی ها در هنگام استفاده از سویه های بزرگ (مانند شکل گیری ابررسانه ای) هستند. حفره های موجود در آلیاژ تیتانیوم TA7 توسط سویه های بزرگ القا می شود. تحت فشار زیاد ، استرس جریان آلیاژ تیتانیوم TA7 در مقایسه با شرایط استاتیک به طور قابل توجهی افزایش می یابد ، اما انعطاف پذیری به طور قابل توجهی کاهش می یابد. با افزایش سرعت کرنش ، فشار تنش جریان افزایش می یابد ، اما میزان کرنش بحرانی وجود دارد. هنگامی که از مقدار بحرانی فراتر رود ، مواد شکستگی می کنند. هنگامی که نرخ کرنش به مقدار بحرانی می رسد ، یک باند برشی آدیاباتیک در مواد تولید می شود و میکرو-حومه ها در باند تشکیل می شوند. تحت عمل استرس بیرونی ، حفره ها به تدریج جمع می شوند و رشد می کنند و حتی میکرو تکه هایی را تشکیل می دهند. میکرووئیدها همیشه در امتداد باند تغییر شکل برشی تشکیل می شوند. این امر به این دلیل است که در تغییر شکل موضعی ، حداکثر باند برشی به شدت تغییر شکل می یابد و در نتیجه دمای بالایی ایجاد می شود که مواد موجود در باند را نرم می کند و به مکانی ایده آل برای نقص هایی مانند ترک و حفره تبدیل می شود. در طی فرآیند جعل ، تغییر شکل ناحیه مرکزی نوار TA7 بزرگترین است ، انتشار گرمای تغییر شکل کمترین سرعت است و دمای تغییر شکل بالاترین است. بنابراین ، حفره ها به احتمال زیاد در هنگام تغییر شکل بزرگ ظاهر می شوند.

مطالعات نشان داده اند که تغییر شکل پلاستیک مواد فلزی با تغییر در مورفولوژی سازمانی ، عمدتاً رشد دانه ، کشیدگی دانه برابر ، چرخش دانه و کشویی ، تکثیر جابجایی ، بازیابی پویا و تبلور مجدد و هسته و رشد باطل همراه است. کشویی مرز دانه مکانیسم اصلی تغییر شکل پلاستیک است. کشویی مرز دانه می تواند باعث غلظت استرس موضعی شود و مانع از بروز بیشتر کشویی مرزی دانه شود. هنگامی که غلظت استرس با حرکت جابجایی از بین نرود ، خلاء هسته می کند و سپس رشد می کند. خلأ ترجیحاً در مرز دانه مثلثی هسته می کند. با افزایش تغییر شکل ، خلاء شروع به رشد می کند و باطل در حالت تعادل رشد نمی کند ، اما به روشی بیضوی رشد می کند. حفره ها به راحتی به مرزهای دانه ای که دارای استرس کششی موازی هستند ، آسان می شوند ، بنابراین یک جریان خالی جهت دار در جهت استرس کششی ایجاد می کنند ، که به طور مداوم به سمت مرکز خالی می چرخد ​​و به خالی اجازه می دهد تا موازی با جهت کششی رشد کند. تعداد زیادی از ادبیات ذکر می کنند که "گودال" و حفره ها مستعد ظاهر شدن در طی فرآیند جعل این آلیاژ هستند. از طریق تجزیه و تحلیل مکانیسم شکل گیری "گودال" و نقص باطل آلیاژ تیتانیوم TA7 ، ما مجموعه ای از روش های مؤثر را برای جلوگیری از نقص باطل در آلیاژ تیتانیوم خلاصه کرده ایم که به طور دقیق میزان تغییر شکل هر آتش را به کمتر از 50 ٪ کنترل می کند ، به شدت کنترل هیدرولیک را کنترل می کند و هیدرولیک را ترجیح می دهد و هیدرولیک را به طور هیدرولیک استفاده می کند. نتایج خوبی در تولید به دست آورد.

4. نتیجه گیری

در حال حاضر ، نقص جعل متداول در آلیاژهای تیتانیوم عمدتاً شامل گرمای بیش از حد و ساختار ناهموار ، حفره ها ، ترک ها و غیره است. این نقص ها به طور کلی در بازرسی ریزساختار یا آزمایش اولتراسونیک محصولات آلیاژ تیتانیوم آسان است. آنها عمدتاً در اثر کنترل نادرست پارامترهای فرآیند در طی فرآیند جعل محصولات آلیاژ تیتانیوم ایجاد می شوند. بنابراین ، در فرآیند جعل ، لازم است میزان تغییر شکل مناسب (تجهیزات جعل) ، دمای گرمایشی ، مقدار تغییر شکل در هر پاس و سرعت خنک کننده را پس از جعل با توجه به ویژگی های مختلف مواد آلیاژ تیتانیوم انتخاب کنید.