I. Teoretické základy a technologické charakteristiky spracovania plastov z titánových zliatin
1. Spoločné princípy spracovania kovov a plastov Podstatou spracovania plastov z titánových zliatin je využitie plastickej deformačnej kapacity pevných kovov na zmenu ich mikroštruktúry pôsobením vonkajšej sily, čím sa nakoniec získajú titánové materiály s požadovaným tvarom a vlastnosťami. Tento proces nasleduje klasickú teóriu spracovania kovov a plastov, vrátane:
• Vzťah napätia-deformácie: Napätie toku zliatin titánu vykazuje nelineárny vzťah s teplotou deformácie a rýchlosťou deformácie;
• Mechanizmus rekryštalizácie: Dynamická rekryštalizácia je kľúčom k rafinácii zŕn a zlepšeniu plasticity;
• Trenie a mazanie: Koeficient trenia počas valcovania priamo ovplyvňuje kvalitu tvaru plechu. Technický konsenzus: Spracovanie titánovej zliatiny vyžaduje rovnováhu medzi teplotou, veľkosťou deformácie a kontrolou oxidácie, aby sa predišlo tvorbe hrubých zŕn a povrchových defektov.
2. Jedinečné výzvy zliatin titánu V porovnaní s tradičnými kovmi, ako je oceľ, meď a hliník, obtiažnosť spracovania titánových zliatin spočíva v:
• Vysoká odolnosť proti deformácii: Medza klzu čistého titánu je trikrát vyššia ako u hliníka a rýchlosť vytvrdzovania titánových zliatin (ako je GR5) je až dvojnásobná v porovnaní s oceľou;
• Úzke okno plasticity: Čistý titán má slabú plasticitu pri izbovej teplote a vyžaduje valcovanie za tepla pri teplote 200-450 stupňov alebo valcovanie za tepla pri teplote vyššej ako 800 stupňov, aby sa dosiahla dobrá tvarovateľnosť;
• Citlivé na vysoko{0}}teplotnú oxidáciu: Titán sa pri teplotách nad 600 stupňov rýchlo oxiduje, pričom vytvára tvrdú a krehkú vrstvu oxidu (TiO₂), čo zvyšuje náročnosť následného spracovania;
• Silná tendencia absorbovať plyny: Ľahko absorbuje intersticiálne prvky ako vodík a kyslík počas zahrievania alebo morenia, čo vedie k „vodíkovému skrehnutiu“ alebo „kyslíkovému skrehnutiu“. Prípadová štúdia: Pri výrobe plechu pre letectvo a kozmonautiku mala chyba v regulácii teploty ohrevu za následok nadmernú hrúbku vrstvy oxidu, čo v konečnom dôsledku spôsobilo zošrotovanie celej šarže plechu, čo malo za následok straty vo výške niekoľkých miliónov juanov.
II. Základný procesný tok pre výrobu platní, pásov a fólií z titánovej zliatiny
1. Príprava a predúprava dosky
• Výber surovín: Titánové ingoty vysokej{0}}čistoty pripravené pomocou procesov VAR (Vacuum Arsenic Arc Rafining) alebo EB (Electron Beam Rafining) s obsahom nečistôt menším alebo rovným 0,1 %;
• Povrchová úprava: Odstránenie povrchových defektov (ako sú praskliny a inklúzie) z ingotu pieskovaním alebo sústružením, aby sa zabránilo šíreniu trhlín počas spracovania;
• Kontrola rozmerov: Navrhovanie hrúbky dosky podľa špecifikácií hotového výrobku; Hrúbka dosky valcovanej za tepla-je zvyčajne 150 – 300 mm. Štandardné požiadavky: Drsnosť povrchu dosky Ra Menšia alebo rovná 3,2 μm na zabezpečenie následnej stability valcovania.
2. Riadenie procesu vykurovania
• Vyhrievanie valcovaním za tepla:
• Metóda segmentovaného ohrevu: Najprv zahrejte na 600 stupňov rýchlosťou 50 stupňov/h alebo menej, podržte 2 hodiny, potom rýchlo zahrejte na 950-1050 stupňov (+ fázová oblasť);
• Ochrana atmosféry: Zaveďte plynný argón alebo použite vákuový ohrev v elektrickej ohrievacej peci na zníženie rýchlosti oxidácie;
• Rovnomernosť teploty: Monitorujte v reálnom čase infračerveným teplomerom, odchýlka teploty menšia alebo rovná ±10 stupňov.
• Ohrievanie valcovaním za tepla: Riadené pri 650-750 stupňoch, hrúbka vrstvy oxidu menšia alebo rovná 2 μm, možno priamo odstrániť morením. Kľúčové parametre: Odchýlka teploty ohrevu musí byť riadená v rozmedzí ±10 stupňov, aby sa zabránilo lokálnemu prehriatiu vedúcemu k zhrubnutiu zrna.
3. Návrh procesu valcovania
(1) Proces valcovania za tepla
• Počiatočná teplota valcovania: 980-1020 stupňov, konečná teplota valcovania väčšia alebo rovná 850 stupňov;
• Zníženie na prechod: zníženie pri prvom prechode Menej ako alebo rovné 15 %, následné prechody sa postupne zvyšujú na 30 % - 40 %;
• Kontrola zrna: finálna deformácia prechodu je dokončená vo fázovej oblasti (menší alebo rovný 882 stupňom), rafinácia zrna na stupeň ASTM 8-10;
• Kontrola tvaru: hydraulický systém ohýbacích valcov sa používa na kontrolu zvyškového napätia menšieho alebo rovného 50 MPa.
(2) Proces valcovania za tepla
• Teplotný rozsah: 600-700 stupňov, využívajúce charakteristiky dynamickej rekryštalizácie titánu na zlepšenie plasticity;
• Kontrola oxidovej vrstvy: hrúbka vrstvy oxidu po valcovaní je menšia alebo rovná 2 μm, ktorú možno priamo odstrániť morením;
• Plánovanie priechodu: redukcia pri jednom priechode Menej ako alebo rovnajúce sa 8 %, celková deformácia Menej ako alebo rovnajúcej sa 30 %, čím sa zabráni praskaniu hrán. Výhody: valcovanie za tepla môže vynechať proces medzižíhania, čím sa skráti výrobný cyklus o viac ako 20 %.
(3) Proces valcovania za studena
• Viac{0}}prechodový dizajn: 0,3 – 1,8 mm tenké plechy je potrebné valcovať za studena v 5 – 8 prechodoch, pričom veľkosť deformácie je kontrolovaná na 10 % – 15 % na jeden prechod;
• Stredné žíhanie: Vákuové žíhanie (650 stupňov /2h) sa vykonáva, keď kumulatívna deformácia dosiahne 30%, aby sa eliminovalo mechanické spevnenie;
• Kvalita povrchu: Technológia mazania valčekom sa používa na zníženie škrabancov. Spracovanie vysokolegovaného materiálu: Pre zliatiny typu +, ako je Ti-6Al-4V, je potrebné znížiť deformáciu na jeden priechod na 5%-8%, aby sa zabránilo praskaniu hrán.
4. Dokončenie a po-úprave
• Proces morenia:
• Dvoj{0}}kroková metóda: Najprv sa vrstva oxidu odstráni zmesou 10 % HF + 30 % HNO₃ kyseliny a potom sa pasivuje 5 % kyselinou citrónovou;
• Alternatíva šetrná k životnému prostrediu: Vyviňte proces morenia bez{0}}fluóru, aby ste znížili množstvo použitej kyseliny fluorovodíkovej o viac ako 80 %.
• Proces vyrovnávania: Zvyškové napätie je eliminované pomocou desaťvalcového vyrovnávača, čím sa dosiahne rovnosť menšia alebo rovná 1 mm/m;
• Kontrola povrchu: Subkutánne defekty sa zisťujú pomocou defektoskopu na báze vírivých prúdov, aby sa zabezpečila absencia trhlín, inklúzií a iných defektov.
III. Smery optimalizácie procesov a trendy v odvetví
1. Technológia tvarovania Near-Net-: Vývoj technológie presného valcovania na zníženie prídavkov na obrábanie z tradičných 3 mm na 0,5 mm;
2. Inteligentné riadenie: Predstavujeme technológiu digitálneho dvojčaťa na monitorovanie valcovacej sily, teplotného poľa a ďalších parametrov v reálnom čase, čo umožňuje adaptívne nastavenie procesu;
3. Zelená výroba: propagácia procesov morenia bez fluóru- na zníženie rizík znečistenia životného prostredia;
4. Spracovanie kompozitov: Skúmanie technológie laserového-valcovania kompozitov s cieľom prelomiť limity tvárnenia titánových zliatin pri izbovej teplote;
5. Superplastické tvarovanie: Dosiahnutie superplasticity titánových zliatin pri 850-950 stupňoch prostredníctvom kontroly mikroštruktúry pre integrované tvarovanie zložitých konštrukčných dielov.