Дефекти при коване на титанова сплав: причини, откриване и предотвратяване

Защо коването на титан е по-малко прощаващо от стоманата

Титанът се кове в тесен температурен прозорец и провежда топлината лошо, така че разликите между повърхността и центъра на заготовката са по-големи, отколкото биха били в стоманата. Алфа и алфа-бета сплавите са особено чувствителни към прегряване и дефектите, произтичащи от лош цикъл на нагряване, често не могат да бъдат възстановени. Разбирането кои дефекти могат да бъдат преработени и кои означават, че частта е скрап е разликата между контролируем процес и степента на скрап, която никой не може да обясни.

Бета чупливост от прегряване

Бета крехкостта се причинява от прегряване. В алфа и алфа-бета сплави, и по-специално в алфа-бета степени, температурата на коване над бета трансуса създава груба, равноосна предшестваща-бета зърнеста структура с алфа, утаена по границите на зърната и набраздена вътрешнокристална структура. Пластичността при стайна-температура пада рязко. Това е класическият знак за прегряване.

Прегряването не може да се поправи чрез топлинна обработка. Структурата трябва да бъде разбита чрез преработване на материала под бета трансуса и само ако геометрията на изковаването и останалата заготовка позволяват това. Предотвратяването се основава на контрола на пещта: поддържайте температурата на пещта в определен диапазон, проверявайте редовно камерата, позиционирайте заряда така, че детайлите да не са твърде близо до нагревателните елементи, използвайте прегради от двете страни в съпротивителни-нагрети пещи, за да предотвратите локално прегряване и ограничете размера на заряда. Измерването на действителния бета трансус на топлината на сплавта във всяка пещ е допълнителна ефективна защита, тъй като трансусът се движи с интерстициално съдържание.

Локализирано грубо зърно

При коване с чук и преса лошата топлопроводимост на титана означава, че повърхността на заготовката се охлажда значително при контакт с матрицата, а триенето между детайла и горната и долната матрица концентрира деформацията в средата на заготовката. Повърхността се деформира по-малко, нейната оригинална структура оцелява и се получава локално груба зърнеста лента.

Три мерки се справят с него. Операцията по предварително{1}}коване разпределя по-равномерно деформацията в довършителния проход. По-доброто смазване намалява триенето между заготовката и матрицата. А цялостното предварително загряване на матриците намалява спада на температурата, който заготовката претърпява по време на прехвърляне и контакт.

Повърхностни пукнатини

Повърхностните пукнатини се появяват главно, когато крайната температура падне под пълната температура на рекристализация на сплавта. При коването на матрици, прекомерното време на контакт между заготовката и матрицата е обичайната причина: тъй като титанът провежда лошо топлината, повърхността може да падне под допустимата крайна температура, докато центърът е все още горещ. Смазката за стъкло при коване с пресова матрица и съкратеното време за контакт между заготовката и долната матрица при коване с чук са стандартните средства за защита. Пукнатините са плитки и понякога могат да бъдат отстранени чрез смесване, но само в границите, определени от чертежа и от приложимата спецификация за коване.

Запазена лята структура

Когато един слитък е изкован с недостатъчна редукция или с грешна последователност, отлятата структура оцелява в завършената част. Решението се основава-на процес, а не на инспекция-: увеличете коефициента на изковаване и използвайте многократно пресоване и изтегляне, така че отливките да бъдат разбити и линиите на потока да следват контура на детайла. Изковка със запазена отлята структура показва характерна макроструктура върху сечена и ецвана проба.

Ярки ленти

Ярките ивици се виждат в макроструктурата с ниско{0}}увеличение като ивици с различна яркост от околния метал. В зависимост от ъгъла на осветяване те могат да изглеждат по-светли или по-тъмни от основния материал. На напречен-срез те се показват като точки или люспи; върху надлъжен разрез те протичат като гладки ивици, които могат да бъдат дълги от десет милиметра до няколко метра.

Има две причини. Първият е химическа сегрегация в сплавта, обикновено на елементи, които влияят на реакцията при ецване. Второто е деформационно нагряване по време на коване, където температурата варира твърде много от точка до точка в детайла. Ярките ленти влошават пластичността и ефективността при висока-температура, така че предотвратяването означава контролиране на сегрегацията на етапа на топене и избор на параметри на термично коване, температура на нагряване, степен на деформация и скорост на деформация, които поддържат разпространението на температурата в изковката под контрол.

Калъф Алфа

The alpha embrittlement layer forms when oxygen and nitrogen diffuse inward through the loose oxide scale at high temperature, raising the interstitial content of the surface metal. Тъй като съдържанието на кислород и азот на повърхността се повишава, нараства и делът на алфа фазата, докато повърхностният слой стане изцяло алфа. Този слой е твърд и чуплив и върху заготовка или изковка може да се напука при последваща деформация.

Дебелината зависи от типа на пещта, естеството на пещния газ, температурата на нагряване и времето на задържане. Дебелината се увеличава с температурата, с времето на задържане и със съдържанието на кислород и азот в атмосферата на пещта. Всички алфа, бета и алфа-бета сплави могат да образуват слоя, а алфа сплавите са особено податливи на това; бета сплавите му издържат, докато не се нагреят над приблизително 980 градуса. Слоят трябва да се отстрани чрез байцване или машинна обработка, а разрешената дълбочина на чертежа на коване е реален размер, без да се допуска провисване.

Водородна крехкост

Действат два механизма. При крехкост от тип -стареене при деформация, водородните атоми в местата на интерстициалната решетка дифундират при напрежение и се събират при концентрации на напрежение с течение на времето, закрепвайки дислокации, така че да не могат да се движат свободно и правят матрицата крехка. При крехкост от хидриден тип водородът, разтворен при висока температура, се утаява като хидрид с понижаване на температурата, което крехка сплавта. И двете могат да се появят в титана и неговите сплави.

Основната причина и в двата случая е прекомерното съдържание на водород и промишлените титанови сплави следователно трябва да се поддържат на или под 0,015 %. Предотвратяването по време на коване и термична обработка означава използване на леко оксидираща атмосфера в пещта и когато водородът вече надвишава лимита, вакуумното отгряване е начинът за отстраняването му. Съдържанието на водород се измерва в крайния продукт чрез синтез на инертен газ съгласно ASTM E1447 и сертификатът за коване трябва да посочва резултата, а не намерението.

Откриване и приемане

ASTM B381 обхваща изковки от титанова сплав и определя класовете за качество и изискванията за проверка, които поръчката за покупка може да извика; AMS 4928 обхваща Ti-6Al-4V шина, коване и маршрут за коване, използвани в космическата работа. Механичното приемане е чрез изпитване на опън по ASTM E8/E8M, с изпитване на опън при повишена температура и напрежение на разрушаване за части с горещо сечение. Вътрешната здравина обикновено се проверява чрез ултразвуково изследване, а състоянието на повърхността чрез проникващо изследване. Алфа кутията и микроструктурата са проверени върху разделени купони от жертвено или квалификационно коване.

Често задавани въпроси

Q:Може ли прегрята титанова изковка да бъде спасена чрез повторна-термична обработка?
О: Не. Грубата трансформирана структура не може да бъде обърната само чрез термична обработка. Възстановяването изисква пластична деформация под бета трансуса и само там, където геометрията и оставащият запас го позволяват.

Q:Защо титанът се кове с по-тесен прозорец от стоманата?
О: Тъй като бета трансусът задава твърда горна граница и ниската топлопроводимост прави температурната разлика от повърхността-до-центъра голяма. Използваемият прозорец допълнително се намалява от необходимостта да се завърши над температурата на рекристализация.

Q:Какво е максимално допустимото съдържание на водород?
A: 0,015 % за индустриални титанови сплави. Над това ниво както-стареенето при деформация, така и крехкостта от хидриден тип стават реален риск и е необходимо вакуумно отгряване, за да се намали.

Q:Бета сплавите образуват ли алфа случай?
О: Те му се съпротивляват по-добре от алфа и алфа-бета сплавите и няма да образуват слой, докато не се нагреят над приблизително 980 градуса. Алфа сплавите са най-чувствителни и се нуждаят от най-строг контрол на атмосферата.

Q:Колко дълбок е калъфът алфа при типично коване?
О: Дълбочината зависи от температурата, времето и атмосферата на пещта. Той трябва да бъде отстранен чрез ецване или машинна обработка, а допустимото изтегляне за засегнатата дълбочина е изискване на процеса, а не толеранс.

Q:Какво причинява ярки ивици в кована титаниева макроструктура?
О: Химическа сегрегация в сплавта или прекомерна температурна промяна от нагряване при деформация по време на коване. И двете влошават пластичността и ефективността при висока-температура и се контролират при топене и при пресоване.