Analyse de divers types de fissures dans le forge en alliage en titane
Les alliages de titane sont largement utilisés dans les champs aérospatiaux, de construction navale et biomédicaux en raison de leur résistance spécifique élevée, de leur résistance à la corrosion et de leur résistance à haute température. Cependant, les défauts de fissuration sont susceptibles de se produire pendant le processus de forgeage, affectant sérieusement la qualité des produits et l'efficacité de la production. Cet article passe systématiquement les types de fissures courants dans le forgeage des alliages de titane, combinant des cas typiques avec des points de contrôle des processus clés pour fournir une référence technique à l'industrie.
Craquement du visage final: la "plaie mortelle" de la forge initial
La fissuration du visage final est l'un des défauts les plus courants de la forgeage des alliages de titane, se produisant souvent pendant les étapes de bouleversement ou de dessin de lingot. Sa caractéristique est une fissure qui se propage radialement le long de la face finale de la billette et, dans des cas graves, peut empêcher un forgeur supplémentaire. Les principales causes comprennent:
Défauts métallurgiques résiduels:L'élimination incomplète des cavités de rétrécissement à la tête du lingot ou la fermeture froide à la queue peut devenir des sources de fissure sous la pression de forgeage. Par exemple, un lingot en alliage de titane TC4-LC a développé une fissuration à travers le côté pendant le premier tir de dessin en raison de l'élimination incomplète des pores souterrains.
Gradients de température incontrôlés:Pendant le bouleversement, le contact entre la face d'extrémité et l'enclume du marteau provoque une dissipation de chaleur rapide. Pendant le dessin, le taux de refroidissement à la partie gonflée de la face finale dépasse 30 degrés / s, provoquant une fragilité localisée.
Déformation inégale:Une réduction excessive d'une seule réussite ou une vitesse de déformation excessive entrave l'écoulement des métaux dans le cœur de la face finale, entraînant des fissures enfoncées. Dans une barre d'alliage en titane TA15, mesurant environ 85 mm de diamètre, des fissures internes jusqu'à 12 mm de profondeur ont été détectées dans le noyau en raison d'une vitesse de tirage excessive.
Mesures préventives: utilisez des tests ultrasoniques pour éliminer soigneusement les défauts de lingot. Couvrir la face finale de la billette avec de la laine d'isolation pendant le bouleversement, contrôler la réduction par passe à moins ou égale à 15 mm, et optimiser la température de préchauffe de l'enclume de marteau à supérieure ou égale à 300 degrés.
Craquement pliant: un "tueur de surface caché"
Le pliage de fissuration résulte généralement d'un flux métallique perturbé pendant le processus de forgeage et se manifeste comme des défauts en couches sur ou à l'intérieur de la billette. Les mécanismes de formation peuvent être classés en trois types:
Défauts initiaux:Les lingots avec un rapport hauteur / diamètre supérieur ou égal à 2,5 ou des rainures résiduelles de l'échantillonnage intermédiaire, ce qui provoque le pliage du métal le long des défauts pendant le bouleversement. Une billette en alliage de titane TB6 a développé des fissures de pliage jusqu'à 8 mm de profondeur après le forgeage en raison de rainures d'échantillonnage non polies.
Erreurs de traitement:La billette s'incline pendant le sciage, entraînant un changement soudain de la section transversale. L'échec à polir les coins pointus pendant le retournement de 180 degrés et le traitement continu peut provoquer le pliage.
Défauts de processus auxiliaires:Les marques d'outil d'usinage, l'intrusion à l'échelle de l'oxyde et d'autres défauts peuvent se développer en plis pendant le forgeage ultérieur.
Un cas typique: lors du forgeage de la matrice d'un disque de moteur d'aéronef, l'échelle de l'oxyde n'a pas été nettoyée à partir de la surface de séparation, entraînant une profondeur de pli excessive et un taux de rebut de 30%. Solution: implémentez strictement le système "trois inspections" (auto-inspection, inspection mutuelle et inspection spécialisée), effectuant des tests pénétrants de colorant sur la surface de la billette pour contrôler la profondeur de pli à moins ou égal à 0,5 mm.
Déchirure et fissures internes: une "crise organique" plus profonde "
Des larmes se produisent souvent pendant le stade de déformation de traction, se manifestant sous forme de fissures transversales. Leurs causes profondes sont:
Paramètres de déformation non contrôlés:Une réduction excessive ou un taux de réduction excessif en un seul passage entraîne un débit métallique inégal. Dans une dalle d'alliage de titane TB6, en raison d'une réduction unique de 60 mm, la profondeur de déchirure dépassait la moitié de l'épaisseur de la plaque.
Usure d'outillage:L'usure sur le bord de l'enclume provoque une concentration de stress. Dans un autre arbre d'alliage de titane TC4-DT, la déformation de l'enclume a provoqué la déchirure à la transition de pas.
Les fissures internes sont cachées dans la billette et se trouvent couramment dans les matériaux à petite calibre (Ø inférieurs ou égaux à 90 mm) ou en alliages difficiles à déformer (tels que Ti3al et Ti2Alnb). Leur formation est liée aux facteurs suivants:
Ségrégation métallurgique:La ségrégation d'éléments réfractaires tels que le tungstène et le molybdène entraîne une réduction de la plasticité localisée. Lors de la détection de faille d'un alliage de titane TA15, des fissures internes ont été découvertes dans le noyau et une analyse a montré qu'elles étaient causées par la ségrégation de la NB.
Échec de la gestion de la température:Des températures de chanfreinage faibles ou une forge inverse entraînant des gradients de température dépassant 50 degrés. Un certain alliage Ti60 a développé des fissures internes longitudinales dépassant 200 mm de longueur au chanfrein en raison d'un refroidissement trop rapide de l'eau.
Optimisation du processus: Un processus de forgeage multidirectionnel (cycles de mise en place de l'étirement de bouleversement) a été adopté, avec un recuit intermédiaire effectué lorsque la déformation cumulative a dépassé 70%. Un système d'imagerie thermique infrarouge a été installé pour garantir que la différence de température de la billette est restée en dessous de 30 degrés.
Crackage fragile: le "talon d'Achille" des alliages à haute température
Les alliages de titane à haute température difficiles à déformer (tels que TC19 et IMI 834) sont extrêmement sensibles à la température et sont sujets à la fissuration cassante pendant le forge:
Température de forgeage finale excessivement basse:En dessous de la température de recristallisation, la plasticité du métal baisse fortement. Un certain matériau d'essai en alliage en titane à haute température, avec une température de forgeage finale de seulement 980 degrés, presque rompu en raison de la fissuration.
Défauts de processus de chauffage:Les taux de chauffage excessivement rapides ont entraîné un gradient de température supérieur à 100 degrés entre les extrémités et le centre. Un lingot Ti3al a subi une fracture fragile localisée pendant le chauffage en raison d'un enveloppement d'isolation inégal.
Méthodes de refroidissement inappropriées:Le refroidissement de l'eau post-forgeant a provoqué une concentration de stress. Lors de l'arrondi de l'alliage TC19, les fissures longitudinales se sont développées en raison de taux de refroidissement différentiels aux bords chanfreinés.
Stratégies de prévention et de contrôle: mettre en œuvre un processus de chauffage mis en scène (par exemple, trois étapes de maintien à 600 degrés, 800 degrés et 1000 degrés), en maintenant la température de forgeage finale à moins de 50 degrés du point de transformation. Pour les alliages difficiles à déformer, utilisez le revêtement d'amiante. Pour un alliage TA12A, le taux de rendement de forge est passé de 63,29% à 71,45% grâce à un revêtement d'amiante.
Fissures de surface et couche fragile alpha: "tueurs de performances" cachées "
Les fissures de surface sont souvent causées par des températures de forgeage final excessivement faibles ou un temps de contact prolongé. Une coquille en alliage de titane s'est avérée avoir des craquettes pendant l'usinage rugueux. La cause profonde a été la formation d'une couche alpha riche en oxygène (jusqu'à 0,2 mm d'épaisseur) pendant le recuit isotherme après le forgeage, ce qui a augmenté la dureté de surface de 30% et a considérablement augmenté la fragilité.
Solution:
Application de lubrifiant:Utilisez le lubrifiant en verre pendant le forgeage de la presse pour réduire les frictions entre la billette et la matrice; raccourcissez le temps de contact entre la billette et la matrice inférieure à inférieure ou égale à 2s pendant la forgeage du marteau.
Contrôle de l'atmosphère:Maintenir une atmosphère légèrement oxydante (teneur en O₂ inférieure ou égale à 0,5%) dans le four pendant le forgeage ou le traitement thermique. Pièces de vide sous vide avec une teneur en hydrogène excessive.
La prévention et le contrôle de la fissuration dans le forgeage des alliages de titane nécessite une approche complète dans l'ensemble de la chaîne métallurgique, procédé et d'équipement. Le risque de fissuration peut être considérablement réduit en optimisant le profil de température de chauffage (par exemple, en contrôlant la température de forge initiale 150-250 degrés au-dessus du point de transformation), en mettant en œuvre des processus de forgeage multidirectionnels et en renforçant les tests à ultrasons en ligne (fréquence supérieure à ou 2 fois par feu). À l'avenir, avec l'application de la technologie de jumeaux numériques dans la simulation de processus de forgeage, la prédiction et le contrôle de la fissuration en alliage de titane évolueront vers une précision plus élevée, offrant une prise en charge des matériaux plus fiable pour la fabrication d'équipements haut de gamme.
