Performances des pièces forgées en titane GR5 sous presse hydraulique et processus de forgeage au marteau de forgeage
Préface
L'alliage de titane GR5 possède de bonnes propriétés complètes et peut être utilisé dans les domaines de l'aérospatiale, de la pétrochimie, de l'ingénierie maritime, des transports et dans d'autres domaines. Avec le développement rapide de l'industrie aérospatiale chinoise, la demande de pièces forgées en alliage de titane GR5 augmente également. Par conséquent, la recherche sur les pièces forgées en alliage de titane GR5 revêt une grande importance.
Le forgeage est une technologie de traitement spéciale qui peut améliorer considérablement la résistance et la dureté des matériaux métalliques. Il présente les avantages d’une efficacité de production élevée, d’un faible coût de production et d’une bonne qualité de produit. Avec le développement et les progrès de la technologie de forgeage, la technologie de forgeage se développe également constamment. et la perfection.
Ces dernières années, les pièces forgées en alliage de titane sont devenues de plus en plus utilisées dans le domaine aérospatial et leurs exigences de performances sont devenues de plus en plus élevées. Comment préparer des pièces forgées en alliage de titane GR5 de haute qualité et hautes performances est devenu un problème urgent dans le domaine aérospatial.
Processus de production de pièces forgées en alliage de titane
L'alliage de titane est un matériau métallique doté d'excellentes propriétés complètes. En raison de sa faible densité, de sa résistance spécifique élevée et de sa bonne résistance à la corrosion, il est largement utilisé dans l'aérospatiale, l'ingénierie maritime et d'autres domaines. À l'heure actuelle, les processus de fabrication des alliages de titane comprennent principalement le forgeage et le moulage, le forgeage étant divisé en forgeage à froid et en forgeage à chaud.
Le forgeage à froid utilise un marteau de forgeage pour frapper verticalement les pièces forgées en alliage de titane à température ambiante, provoquant un écoulement lent et uniforme du métal sur toute la longueur de la pièce forgée, de manière à former une microstructure uniforme à l'intérieur de la pièce forgée. Les avantages du forgeage à froid sont un équipement simple, une large plage de températures de forgeage, adapté à la production de masse et un faible coût de production ; les inconvénients sont un processus de forgeage complexe, une résistance élevée à la déformation et un temps de forgeage long.
Le forgeage à chaud fait référence à la formation d'un grand nombre de microstructures et de défauts structurels, tels que la martensite, la ferrite, etc., à l'intérieur du forgeage par extrusion à chaud, forgeage isotherme, normalisation isotherme et autres processus. Les avantages des pièces forgées à chaud sont un équipement simple et la capacité de résister à des forces de déformation et à des températures de déformation importantes ; les inconvénients sont des cycles de production longs et une faible efficacité de production.
Au cours du processus de forgeage de l'alliage de titane GR5, en raison de son propre coefficient de dilatation thermique différent de celui des matériaux métalliques traditionnels, il présente une large plage de températures de forgeage et de bonnes propriétés de traitement à chaud.
Par conséquent, les pièces forgées en alliage de titane GR5 sont généralement produites par forgeage. Afin de garantir la qualité des pièces forgées en alliage de titane GR5, elles sont généralement chauffées à une plage de température de traitement avant d'être forgées à l'aide d'une presse.
Pour le forgeage à chaud des alliages de titane, il existe actuellement deux méthodes principales : l'une consiste à placer la pièce forgée dans le four de chauffage et à la chauffer à la température du processus avant le forgeage ; l'autre consiste à forger à chaud l'alliage de titane par forgeage à chaud. Parmi eux, le forgeage à chaud fait référence à une méthode dans laquelle un alliage de titane qui a été chauffé à la température du processus est placé dans un moule et formé à travers le moule.
Les avantages du matriçage à chaud sont une faible résistance à la déformation et une déformation uniforme, ce qui peut réduire les défauts internes des pièces forgées et améliorer la qualité et les performances des pièces forgées ; l'inconvénient est qu'il nécessite une précision dimensionnelle et une précision de forme élevées des pièces forgées.
Il existe trois méthodes principales de forgeage à chaud des alliages de titane : l'une est le forgeage continu, qui utilise des machines pour forger en continu des pièces forgées, qui est également la méthode la plus largement utilisée à l'heure actuelle ; l'autre est un forgeage semi-continu, ce qui signifie que les pièces forgées tournent dans le moule, mais elles ne peuvent pas. Un forgeage continu est effectué ; le troisième est le forgeage libre, c'est-à-dire qu'aucune rotation n'est effectuée pendant le processus de forgeage, mais le forgeage peut être plié.
Observation et analyse organisationnelle
En observant la structure métallographique des pièces forgées en alliage de titane GR5, on peut voir que la structure du brut après forgeage est une martensite colonnaire presque circulaire + une petite quantité d'austénite retenue, tandis que la structure de la pièce forgée est une martensite colonnaire presque circulaire + une petite quantité. d'austénite retenue. Il existe une différence évidente entre les deux corps et l'ébauche présente un retrait latéral important après forgeage, ce qui entraîne une différence dans la taille latérale du forgeage.
Pendant le processus de forgeage, en raison de la température élevée de la presse hydraulique, l'alliage à haute température est rapidement chauffé au-dessus de 1 000 degrés, ce qui entraîne une vitesse de chauffage excessive du forgeage, une trempe insuffisante et une oxydation de surface.
Dans le même temps, une température de forgeage excessive entraîne également une déformation excessive pendant le processus de forgeage de la presse hydraulique, et une oxydation et une décarburation se produisent lors du chauffage ultérieur. Ces deux raisons conduisent à de grandes différences dans les dimensions latérales des pièces forgées.
L'analyse de la microstructure des pièces forgées montre que la vitesse de refroidissement pendant le processus de forgeage est relativement élevée, tandis que la vitesse de refroidissement de l'ébauche après le forgeage par machine hydraulique est relativement faible. L'augmentation excessive de la température pendant le processus de forgeage entraîne de grandes différences dans les dimensions transversales des pièces forgées. Dans le même temps, au cours du processus de forgeage, les grains de forgeage se développent également à des degrés divers.
En raison de la vitesse de refroidissement rapide de l'ébauche après le forgeage, la granulométrie du forgeage est très différente. La granulométrie du forgeage pendant le processus de forgeage est nettement supérieure à la granulométrie de l'ébauche après forgeage par machine hydraulique ; la microstructure produite au cours du processus de forgeage est principalement presque circulaire et en colonnes. Martensite + une petite quantité d'austénite retenue ; pendant le processus de forgeage, les grains de forgeage sont grossiers et inégalement répartis.
En raison de la température de forgeage élevée, l'alliage de titane GR5 présente une résistance et une dureté élevées à température ambiante, tandis que la température de forgeage est trop basse, ce qui entraîne une capacité de déformation plastique insuffisante, une trempe et une oxydation insuffisantes.
De plus, en raison de la température de chauffage élevée de la presse hydraulique, une oxydation se produit lors du forgeage et des calamines d'oxyde apparaissent à la surface de l'ébauche forgée finale.
Expérience de propriété en traction
Les propriétés de traction à température ambiante de l'alliage de titane GR5 sont affectées par de nombreux facteurs, notamment la composition de l'alliage, la taille des grains, la vitesse de déformation, le degré de déformation, etc.
Tout d’abord, le diamètre des pièces forgées est généralement inférieur à celui des barres laminées à chaud. La température de déformation est plus basse pendant le chauffage du forgeage et il est difficile de contrôler le degré de déformation pendant le processus de déformation. Par conséquent, les propriétés de traction des pièces forgées sont grandement affectées par le matériau de base et le processus de forgeage. Dans les mêmes conditions, les propriétés de traction de l'alliage de titane GR5 forgé par presse hydraulique sont meilleures que celles forgées par forgeage au marteau, mais il existe un problème clé lors du forgeage au marteau : la déformation par compression à chaud.
Puisqu'il y a un certain degré de chauffage et de refroidissement pendant le processus de forgeage de la presse hydraulique, la température et le taux de déformation peuvent être mieux contrôlés pendant le traitement thermique, garantissant ainsi une plasticité plus élevée. En raison de la température de chauffage plus basse et de la vitesse de refroidissement plus rapide lors du forgeage au marteau, la plasticité des pièces forgées n'est pas aussi bonne que celle des pièces forgées par presse hydraulique.
Dans les mêmes conditions, le forgeage peut améliorer considérablement les propriétés de traction de l'alliage de titane GR5 plus que le forgeage au marteau. Pour les pièces forgées en alliage de titane GR5 de mêmes spécifications, les propriétés de traction du forgeage par presse hydraulique sont meilleures que celles du forgeage au marteau ; dans les mêmes conditions, le forgeage au marteau peut améliorer considérablement les propriétés de traction de l'alliage de titane GR5 par rapport au forgeage à la presse hydraulique.
Lorsque la limite d'élasticité est la même, les propriétés de traction après forgeage de l'alliage de titane GR5 forgé par presse hydraulique sont meilleures que celles de l'alliage de titane GR5 forgé par marteau de forge. En effet, les pièces forgées par presse hydraulique ont une faible contrainte résiduelle interne en raison de facteurs tels qu'une petite déformation, une faible température de déformation et un taux de déformation lent ; et les propriétés de traction de l'alliage de titane GR5 forgé par forgeage au marteau après forgeage sont meilleures que celles après forgeage par presse hydraulique.
En effet, lors du forgeage avec un marteau de forge, une contrainte résiduelle importante est générée pendant les processus de forgeage et de martelage, ce qui provoque une contrainte de traction importante à l'intérieur du matériau, entraînant une déformation plastique importante du matériau ; tandis que lors du forgeage avec une presse hydraulique, pendant le processus de forgeage, le métal est dans un état d'écoulement libre et il n'y a aucune contrainte résiduelle à l'intérieur du matériau, garantissant ainsi le degré de déformation plastique du matériau.
Analyse des résultats des tests mécaniques
La valeur de résistance et l'allongement de l'échantillon d'alliage de titane GR5 après forgeage avec une presse hydraulique sont supérieurs à ceux après forgeage avec un marteau de forgeage. En effet, un grand nombre d'éléments d'impuretés sont produits à l'intérieur du forgeage pendant le processus de forgeage, et la présence de ces éléments d'impuretés provoque une déformation de l'alliage de titane GR5. Forte recristallisation.
Pendant le processus de laminage, en raison de la pression de roulement importante, le phénomène de concentration des contraintes est évident. Certains éléments d'impuretés sont extrudés à l'intérieur de l'alliage de titane GR5 et forment une phase grossière riche en Ti sur les joints de grains, ce qui provoque la production d'une grande quantité d'énergie à l'intérieur du forgeage. Les dislocations et les lacunes fournissent des conditions propices à une déformation ultérieure de l'alliage de titane GR5.
La valeur de résistance de l'échantillon d'alliage de titane GR5 après forgeage avec un marteau de forgeage est inférieure à celle de l'échantillon après forgeage avec une presse hydraulique. En effet, un grand nombre de dislocations et de lacunes se forment à l'intérieur du forgeage pendant le processus de forgeage au marteau, et de petites particules se forment aux joints de grains. La phase riche en Ti provoque une recristallisation évidente de l'alliage de titane GR5.
On peut constater que les caractéristiques de rupture de l'échantillon d'alliage de titane GR5 après forgeage avec un marteau de forgeage sont : une fracture principalement ductile, complétée par une fracture fragile locale.
Cela est dû à la pression de forgeage élevée pendant le processus de forgeage au marteau, qui provoque la formation de phases grossières riches en Ti sur les joints de grains de certains éléments d'impuretés. Dans le même temps, un grand nombre de dislocations et de lacunes sont générées au cours du processus de forgeage au marteau, provoquant des changements évidents dans l'alliage de titane GR5. phénomène de recristallisation.
En raison de la faible température de forgeage et de la vitesse de forgeage rapide lors du forgeage au marteau, un grand nombre de sources de fissures, de pores et d'autres éléments défectueux sont générés à l'intérieur du matériau, entraînant une recristallisation évidente de l'alliage de titane GR5.
Perspectives d'application et orientation du développement
L'alliage de titane GR5 est largement utilisé dans l'aérospatiale, les équipements médicaux, les transports et d'autres domaines en raison de ses excellentes propriétés complètes. Surtout dans le domaine aérospatial, l’alliage de titane GR5 est devenu le matériau principal.
L'alliage de titane GR5 présente les avantages d'une faible densité, d'une résistance spécifique et d'une rigidité spécifiques élevées, d'une résistance à haute température et d'une résistance à la corrosion. Il est largement utilisé dans la fabrication de pièces structurelles clés telles que les rotors d’avions, les empennages, les cadres de renforcement du fuselage et les réservoirs de carburant principaux et auxiliaires.
Étant donné que l'alliage de titane GR5 a une plus grande résistance et plasticité à température ambiante, un traitement en solution est nécessaire lors du forgeage pour améliorer ses propriétés. Cependant, la structure de l'alliage de titane GR5 sera inégalement répartie pendant le processus de forgeage et une phase grossière se formera pendant le processus de refroidissement, entraînant une réduction des propriétés mécaniques de l'alliage.
Afin d'améliorer la structure de forgeage de l'alliage de titane GR5, il existe actuellement deux méthodes couramment utilisées : l'une consiste à effectuer un traitement en solution solide avant le forgeage, comme le forgeage à chaud sur presse hydraulique ; l'autre consiste à effectuer un traitement en solution solide pendant le processus de forgeage, tel que le forgeage au marteau.
Dans la production réelle, en raison de l'équipement complexe du processus de forgeage au marteau, de l'opération difficile et du coût de production élevé, le forgeage à chaud par presse hydraulique est actuellement un processus plus couramment utilisé.
Par rapport au forgeage à chaud par presse hydraulique, la qualité de surface des pièces forgées au marteau de forgeage a été grandement améliorée, les grains sont plus fins et plus uniformes et des matrices de forgeage de grand diamètre peuvent être utilisées pour la production. Cependant, l’efficacité de production des pièces forgées au marteau est faible et le coût de production est élevé. Il n’a pas complètement remplacé le processus de matriçage à chaud par presse hydraulique.
À l'avenir, avec le développement de la technologie de forgeage au marteau et la recherche sur la technologie et l'équipement de forgeage, on peut prédire que l'efficacité de la production et la qualité des pièces forgées au marteau seront considérablement améliorées.
Dans la production réelle, étant donné qu'une grande quantité de chaleur, de force et de charge d'impact sera générée pendant le processus de forgeage, il est nécessaire d'étudier l'influence du forgeage isotherme sur la structure, les propriétés mécaniques et la durée de vie mécanique des pièces forgées au moyen d'expériences de simulation thermique, et obtenir des paramètres de processus appropriés pour garantir la qualité des pièces forgées.
En raison de l'efficacité de production élevée et des faibles exigences d'équipement du processus de forgeage au marteau, nous pourrons à l'avenir essayer d'utiliser des pièces forgées au marteau pour produire des pièces structurelles clés dans l'aérospatiale et dans d'autres domaines, telles que les queues d'avion, les réservoirs de carburant principaux et auxiliaires, cadres de renforcement du fuselage et autres pièces structurelles clés. Pour certaines pièces forgées de grande taille dans le domaine civil général, en raison de leur grande taille, il est difficile de les produire par le procédé de forgeage au marteau.
L'avis de l'auteur
Avec le développement de l'industrie aérospatiale de mon pays, les exigences de qualité pour les pièces forgées en alliage de titane sont de plus en plus élevées, et le processus de forgeage est également l'un des facteurs importants affectant la qualité des pièces forgées.
Cependant, avec le développement des presses hydrauliques et des marteaux de forge dans notre pays, leurs applications sont de plus en plus répandues. Cependant, étant donné que le prix des marteaux de forgeage est relativement élevé et que le processus de forgeage est complexe, la plupart des entreprises aérospatiales nationales préfèrent choisir des presses hydrauliques pour compléter leurs produits. La production, mais avec l'augmentation du nombre de presses hydrauliques, son processus de forgeage et sa qualité ont également été grandement améliorés.
Dans le même temps, étant donné que les paramètres de forgeage peuvent être ajustés en fonction des besoins pendant le processus de forgeage, le processus de forgeage devient de plus en plus flexible. Cependant, à l'heure actuelle, la technologie et l'équipement des presses hydrauliques chinoises ne peuvent pas répondre pleinement aux exigences des pièces forgées dans le domaine aérospatial. Par conséquent, le développement du domaine aérospatial nécessite du forgeage. La demande de technologie augmentera également.
les références
1. Yao Weidong : Recherche sur le processus de forgeage et les propriétés de la microstructure des pièces forgées en alliage de titane GR5. "Journal de l'Université d'aéronautique et d'astronautique de Pékin", 2017,18 (01) : 1036-1037.
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