Khuyết tật rèn hợp kim titan: Nguyên nhân, phát hiện và phòng ngừa

Tại sao việc rèn titan lại ít tha thứ hơn thép

Titan rèn trong cửa sổ nhiệt độ hẹp và dẫn nhiệt kém, do đó sự khác biệt giữa bề mặt và tâm của phôi lớn hơn so với thép. Hợp kim alpha và alpha{1}}beta đặc biệt nhạy cảm với hiện tượng quá nhiệt và các khiếm khuyết xảy ra do chu trình gia nhiệt không tốt thường không thể khắc phục được. Hiểu được những khiếm khuyết nào có thể được làm lại và bộ phận nào có nghĩa là phế liệu là sự khác biệt giữa một quy trình có thể kiểm soát được và tỷ lệ phế liệu mà không ai có thể giải thích được.

Độ giòn Beta do quá nóng

Độ giòn Beta là do quá nóng. Trong các hợp kim alpha và alpha{1}}beta và đặc biệt là ở các cấp alpha-beta, nhiệt độ rèn trên mức truyền beta tạo ra cấu trúc hạt beta trước{3}}thô, đẳng trục với alpha kết tủa dọc theo ranh giới hạt và cấu trúc nội tinh thể có vân. Độ dẻo của nhiệt độ phòng-giảm mạnh. Đây là dấu hiệu quá nhiệt cổ điển.

Quá nhiệt không thể được sửa chữa bằng cách xử lý nhiệt. Cấu trúc phải được phá vỡ bằng cách gia công lại vật liệu bên dưới transus beta và chỉ khi hình học rèn và vật liệu còn lại cho phép điều đó. Biện pháp phòng ngừa dựa trên việc kiểm soát lò: giữ nhiệt độ lò trong dải đủ tiêu chuẩn, kiểm tra buồng thường xuyên, đặt vị trí nạp điện sao cho phôi không quá gần các bộ phận làm nóng, sử dụng vách ngăn ở cả hai bên trong lò nung-được làm nóng bằng điện trở để tránh quá nhiệt cục bộ và hạn chế kích thước nạp. Việc đo hệ số truyền nhiệt beta thực tế của nhiệt hợp kim trong mỗi lò là một biện pháp bảo vệ hiệu quả hơn nữa, bởi vì hệ số truyền nhiệt chuyển động có chứa chất xen kẽ.

Hạt thô cục bộ

Trong rèn khuôn búa và khuôn ép, độ dẫn nhiệt kém của titan có nghĩa là bề mặt phôi nguội đi rõ rệt khi tiếp xúc với khuôn và ma sát giữa phôi với khuôn trên và khuôn dưới tập trung biến dạng ở giữa phôi. Bề mặt biến dạng ít hơn, cấu trúc ban đầu của nó vẫn tồn tại và tạo ra dải hạt thô cục bộ.

Ba biện pháp giải quyết nó. Thao tác rèn trước-phân phối biến dạng đồng đều hơn trong quá trình hoàn thiện. Bôi trơn tốt hơn làm giảm ma sát giữa phôi và khuôn. Và việc gia nhiệt trước kỹ lưỡng các khuôn sẽ giúp giảm nhiệt độ giảm mà phôi phải chịu trong quá trình vận chuyển và tiếp xúc.

Vết nứt bề mặt

Các vết nứt bề mặt xuất hiện chủ yếu khi nhiệt độ hoàn thiện giảm xuống dưới nhiệt độ kết tinh lại hoàn toàn của hợp kim. Trong quá trình rèn khuôn, thời gian tiếp xúc quá nhiều giữa phôi và khuôn là nguyên nhân thông thường: do titan dẫn nhiệt kém nên bề mặt có thể giảm xuống dưới nhiệt độ hoàn thiện cho phép trong khi phần tâm vẫn còn nóng. Chất bôi trơn thủy tinh khi rèn khuôn ép và rút ngắn thời gian tiếp xúc giữa phôi và khuôn dưới khi rèn búa là những biện pháp khắc phục tiêu chuẩn. Các vết nứt nông và đôi khi có thể được loại bỏ bằng cách trộn, nhưng chỉ trong giới hạn được đặt ra bởi bản vẽ và thông số kỹ thuật rèn hiện hành.

Cấu trúc diễn viên được giữ lại

Khi một phôi được rèn với mức độ tinh luyện không đủ hoặc trình tự sai, cấu trúc đúc vẫn tồn tại ở phần hoàn thiện. Biện pháp khắc phục dựa trên quy trình-chứ không phải dựa trên kiểm tra-: tăng tỷ lệ rèn và sử dụng thao tác đảo và vẽ lặp đi lặp lại để các sợi nhánh đúc bị phá vỡ và các đường dòng chảy theo đường viền của bộ phận. Quá trình rèn với cấu trúc đúc được giữ lại cho thấy cấu trúc vĩ mô đặc trưng trên mẫu thử được cắt và khắc.

Dải sáng

Các dải sáng có thể nhìn thấy trong cấu trúc vĩ mô có độ phóng đại thấp-dưới dạng các vệt có độ sáng khác với kim loại xung quanh. Tùy thuộc vào góc chiếu sáng, chúng có thể sáng hơn hoặc tối hơn vật liệu nền. Trên mặt cắt ngang-chúng hiển thị dưới dạng chấm hoặc vảy; trên một mặt cắt dọc, chúng chạy như những vệt nhẵn có thể dài từ mười mm đến vài mét.

Có hai nguyên nhân. Đầu tiên là sự phân tách hóa học trong hợp kim, nói chung là các nguyên tố ảnh hưởng đến phản ứng ăn mòn. Thứ hai là làm nóng biến dạng trong quá trình rèn, trong đó nhiệt độ thay đổi quá nhiều từ điểm này sang điểm khác trong phôi. Các dải sáng làm suy giảm độ dẻo và hiệu suất nhiệt độ-cao, do đó, việc phòng ngừa có nghĩa là kiểm soát sự phân tách ở giai đoạn nóng chảy và chọn các thông số rèn nhiệt, nhiệt độ gia nhiệt, mức độ biến dạng và tốc độ biến dạng để giữ nhiệt độ lan truyền trên toàn bộ quá trình rèn trong tầm kiểm soát.

Vỏ Alpha

Lớp giòn alpha hình thành khi oxy và nitơ khuếch tán vào bên trong qua lớp oxit lỏng ở nhiệt độ cao, làm tăng hàm lượng kẽ của bề mặt kim loại. Khi hàm lượng oxy và nitơ trên bề mặt tăng lên thì tỷ lệ pha alpha cũng tăng theo, cho đến khi lớp bề mặt có thể hoàn toàn là alpha. Lớp đó cứng và giòn, và trên phôi hoặc vật rèn, nó có thể bị nứt trong quá trình biến dạng tiếp theo.

Độ dày phụ thuộc vào loại lò, tính chất của khí lò, nhiệt độ gia nhiệt và thời gian giữ. Độ dày tăng theo nhiệt độ, thời gian lưu giữ và hàm lượng oxy và nitơ trong môi trường lò. Các hợp kim alpha, beta và alpha{2}}beta đều có thể tạo thành lớp và hợp kim alpha đặc biệt dễ bị lớp này; hợp kim beta chống lại nó cho đến khi chúng được nung nóng trên khoảng 980 độ. Lớp này phải được loại bỏ bằng cách tẩy hoặc gia công, và độ sâu cho phép trên bản vẽ rèn là kích thước thực, không cho phép độ chùng.

Sự giòn hydro

Hai cơ chế hoạt động. Trong dạng giòn lão hóa do biến dạng, các nguyên tử hydro trong các vị trí mạng kẽ khuếch tán dưới áp lực và tập hợp ở nồng độ ứng suất theo thời gian, ghim các vị trí lệch để chúng không thể di chuyển tự do và làm cho ma trận trở nên giòn. Trong hiện tượng giòn kiểu hydrua, hydro hòa tan ở nhiệt độ cao sẽ kết tủa dưới dạng hydrua khi nhiệt độ giảm, làm giòn hợp kim. Cả hai đều có thể xảy ra ở titan và hợp kim của nó.

Nguyên nhân sâu xa trong cả hai trường hợp là hàm lượng hydro quá cao và do đó, hợp kim titan công nghiệp phải được giữ ở mức hoặc dưới 0,015%. Phòng ngừa trong quá trình rèn và xử lý nhiệt có nghĩa là sử dụng môi trường lò có tính oxy hóa nhẹ và khi hydro đã vượt quá giới hạn, ủ chân không là cách để loại bỏ nó. Hàm lượng hydro được đo trên thành phẩm bằng phản ứng tổng hợp khí trơ theo tiêu chuẩn ASTM E1447 và chứng chỉ rèn phải nêu rõ kết quả chứ không phải mục đích.

Phát hiện và chấp nhận

ASTM B381 đề cập đến việc rèn hợp kim titan và đặt ra các cấp chất lượng cũng như các yêu cầu kiểm tra mà đơn đặt hàng có thể yêu cầu; AMS 4928 bao gồm thanh Ti-6Al-4V, phôi rèn và lộ trình rèn được sử dụng trong công việc hàng không vũ trụ. Sự chấp nhận cơ học được thực hiện bằng thử nghiệm độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M, với thử nghiệm độ bền kéo và đứt ứng suất ở nhiệt độ cao đối với các bộ phận có phần nóng. Độ bền bên trong thường được xác minh bằng kiểm tra siêu âm và tình trạng bề mặt bằng kiểm tra thẩm thấu. Vỏ Alpha và cấu trúc vi mô được xác minh trên các phiếu giảm giá theo từng phần từ quá trình rèn hy sinh hoặc rèn tiêu chuẩn.

Câu hỏi thường gặp

Q:Liệu quá trình rèn titan quá nóng có thể được khắc phục bằng cách -xử lý nhiệt lại không?
Đáp: Không. Cấu trúc biến đổi thô không thể bị đảo ngược chỉ bằng cách xử lý nhiệt. Quá trình phục hồi yêu cầu biến dạng dẻo bên dưới phần chuyển tiếp beta và chỉ khi hình dạng và phần còn lại cho phép điều đó.

Q:Tại sao titan rèn có cửa sổ hẹp hơn thép?
Đáp: Bởi vì quá trình truyền beta đặt ra giới hạn trên cứng và độ dẫn nhiệt thấp làm cho chênh lệch nhiệt độ bề mặt-đến-trung tâm lớn. Khoảng thời gian có thể sử dụng được giảm hơn nữa do nhu cầu hoàn thiện trên nhiệt độ kết tinh lại.

Q:Hàm lượng hydro tối đa cho phép là bao nhiêu?
A: 0,015% đối với hợp kim titan công nghiệp. Trên mức đó, cả sự-lão hóa do biến dạng và sự giòn kiểu hydrua đều trở thành một rủi ro thực sự và cần phải ủ chân không để giảm thiểu rủi ro này.

Q:Hợp kim beta có tạo thành vỏ alpha không?
Đáp: Chúng chống chịu tốt hơn hợp kim alpha và alpha{0}}beta và sẽ không tạo thành lớp cho đến khi được nung nóng trên khoảng 980 độ . Hợp kim Alpha là hợp kim nhạy cảm nhất và cần kiểm soát khí quyển chặt chẽ nhất.

Q:Trường hợp alpha trên một vật rèn thông thường sâu đến mức nào?
A: Độ sâu phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và không khí lò. Nó phải được loại bỏ bằng cách tẩy hoặc gia công, và dung sai cho phép kéo đối với độ sâu bị ảnh hưởng là một yêu cầu của quy trình chứ không phải là dung sai.

Q:Điều gì gây ra các dải sáng trong cấu trúc vĩ mô titan giả mạo?
A: Sự phân tách hóa học trong hợp kim, hoặc sự thay đổi nhiệt độ quá mức do gia nhiệt biến dạng trong quá trình rèn. Cả hai đều làm giảm độ dẻo và hiệu suất nhiệt độ-cao, đồng thời được kiểm soát khi nấu chảy và khi ép.