Дефекты ковки титановых сплавов: причины, выявление и профилактика

Почему ковка титана менее щадящая, чем сталь

Титан куется в узком температурном диапазоне и плохо проводит тепло, поэтому разница между поверхностью и центром заготовки больше, чем в стали. Альфа- и альфа-бета-сплавы особенно чувствительны к перегреву, а дефекты, возникающие в результате неправильного цикла нагрева, часто не поддаются устранению. Понимание того, какие дефекты можно исправить, а что означает, что деталь является браком, — вот разница между контролируемым процессом и процентом брака, который никто не может объяснить.

Бета-хрупкость от перегрева

Бета-хрупкость возникает из-за перегрева. В альфа- и альфа--бета-сплавах, и особенно в альфа--бета-сплавах, температура ковки выше бета-перехода приводит к образованию грубой, равноосной предшествующей-бета-зеренной структуры с альфа-выделением вдоль границ зерен и исчерченной внутрикристаллической структурой. Пластичность при комнатной-температуре резко падает. Это классический признак перегрева.

Перегрев невозможно устранить термической обработкой. Разрушать конструкцию приходится путем переделки материала ниже бета-трансуса, и только если это позволяет геометрия ковки и оставшийся припуск. Профилактика зависит от управления печью: поддерживайте температуру печи в допустимых пределах, регулярно осматривайте камеру, размещайте шихту так, чтобы заготовки не находились слишком близко к нагревательным элементам, используйте перегородки с обеих сторон в печах с сопротивлением-нагревом, чтобы предотвратить локальный перегрев, и ограничивайте размер шихты. Измерение фактического бета-перехода плавки сплава в каждой печи является еще одной эффективной мерой защиты, поскольку переход перемещается с межузельным содержимым.

Локализованное грубое зерно

При штамповке на молоте и прессе плохая теплопроводность титана означает, что поверхность заготовки заметно охлаждается при контакте со штампом, а трение между заготовкой и верхней и нижней штампами концентрирует деформацию в середине заготовки. Поверхность меньше деформируется, ее первоначальная структура сохраняется, и в результате образуется локально крупнозернистая полоса.

Эту проблему решают три меры. Операция предварительной-ковки распределяет деформацию более равномерно на чистовом проходе. Улучшенная смазка снижает трение между заготовкой и матрицей. А тщательный предварительный нагрев штампов снижает падение температуры, которое испытывает заготовка во время транспортировки и контакта.

Поверхностные трещины

Поверхностные трещины появляются главным образом тогда, когда температура отделки падает ниже температуры полной рекристаллизации сплава. При штамповке обычной причиной является чрезмерное время контакта между заготовкой и матрицей: поскольку титан плохо проводит тепло, поверхность может упасть ниже допустимой конечной температуры, в то время как центр все еще горячий. Стандартными средствами являются смазка стекла при штамповке на прессе и сокращение времени контакта между заготовкой и нижней матрицей при штамповке на молоте. Трещины неглубокие и иногда могут быть устранены путем заглаживания, но только в пределах, установленных чертежом и применимыми техническими условиями на поковку.

Сохраненная литая структура

Когда слиток выкован с недостаточной обработкой или с неправильной последовательностью, литая структура сохраняется в готовой детали. Решение основано на-технологическом процессе, а не на проверке-: увеличьте коэффициент штамповки и используйте повторную осадку и волочение, чтобы литые дендриты разрушались, а линии потока повторяли контур детали. Поковка с сохраненной литой структурой демонстрирует характерную макроструктуру на секционированном и протравленном образце.

Яркие полосы

Яркие полосы видны на макроструктуре при малом-увеличении как полосы, яркость которых отличается от цвета окружающего металла. В зависимости от угла освещения они могут казаться светлее или темнее основного материала. На поперечном-срезе они отображаются в виде точек или хлопьев; на продольном разрезе они представляют собой плавные полосы длиной от десяти миллиметров до нескольких метров.

Есть две причины. Первый — это химическая сегрегация в сплаве, как правило, элементов, влияющих на реакцию на травление. Второй — деформационный нагрев при ковке, когда температура слишком сильно варьируется от точки к точке заготовки. Яркие полосы ухудшают пластичность и работоспособность при высоких-температурах, поэтому предотвращение означает контроль сегрегации на стадии плавки и выбор параметров термической ковки, температуры нагрева, степени деформации и скорости деформации, которые позволяют контролировать разброс температуры по поковке.

Альфа-кейс

Альфа-слой охрупчивания образуется, когда кислород и азот диффундируют внутрь через рыхлую оксидную окалину при высокой температуре, повышая содержание промежутков в поверхностном металле. По мере того как содержание кислорода и азота на поверхности увеличивается, увеличивается и доля альфа-фазы, пока поверхностный слой не станет полностью альфа-фазой. Этот слой твердый и хрупкий, а на заготовке или поковке он может треснуть при последующей деформации.

Толщина зависит от типа печи, природы печного газа, температуры нагрева и времени выдержки. Толщина увеличивается с увеличением температуры, времени выдержки и содержания кислорода и азота в атмосфере печи. Альфа-, бета- и альфа-бета-сплавы могут образовывать слой, и альфа-сплавы особенно склонны к этому; бета-сплавы сопротивляются этому, пока не нагреются примерно до 980 градусов. Слой необходимо удалить травлением или механической обработкой, а глубина, предусмотренная на чертеже поковки, представляет собой реальный размер, не допускающий провисания.

Водородное охрупчивание

Действуют два механизма. При охрупчивании по типу деформационного -старения атомы водорода в межузельных узлах решетки диффундируют под напряжением и со временем собираются при концентрациях напряжений, закрепляя дислокации так, что они не могут свободно перемещаться, и делая матрицу хрупкой. При охрупчивании гидридного типа водород, растворенный при высокой температуре, выделяется в виде гидрида при падении температуры, охрупчивая сплав. Оба могут встречаться в титане и его сплавах.

Основной причиной в обоих случаях является избыточное содержание водорода, поэтому промышленные титановые сплавы должны поддерживаться на уровне 0,015 % или ниже. Профилактика во время ковки и термообработки означает использование слегка окислительной атмосферы печи, а если количество водорода уже превышает допустимый предел, способом его удаления является вакуумный отжиг. Содержание водорода измеряется в готовом изделии методом плавления в инертном газе в соответствии с ASTM E1447, и в сертификате поковки должен быть указан результат, а не намерение.

Обнаружение и принятие

ASTM B381 охватывает поковки из титановых сплавов и устанавливает классы качества и требования к проверке, которые могут быть указаны в заказе на поставку; AMS 4928 охватывает стержни Ti-6Al-4V, ковочные заготовки и маршруты ковки, используемые в аэрокосмической отрасли. Механическая приемка осуществляется путем испытания на растяжение в соответствии с ASTM E8/E8M, с испытаниями на растяжение при повышенной температуре и испытанием на разрыв под напряжением для деталей горячего сечения. Внутреннюю целостность обычно проверяют ультразвуковым исследованием, а состояние поверхности - капиллярным исследованием. Корпус и микроструктура «Альфа» проверяются на секционных купонах из жертвенной или квалификационной поковки.

Часто задаваемые вопросы

Q:Можно ли спасти перегретую титановую поковку повторной-термической обработкой?
Ответ: Нет. Грубо преобразованную структуру нельзя обратить вспять только с помощью термической обработки. Восстановление требует пластической деформации ниже бета-трансуса и только там, где это позволяют геометрия и оставшийся запас.

Q:Почему титан куется с более узким окном, чем сталь?
О: Потому что бета-трансус устанавливает жесткий верхний предел, а низкая теплопроводность приводит к большой разнице температур между поверхностью-и-центром. Полезное окно дополнительно уменьшается из-за необходимости завершения процесса при температуре выше температуры рекристаллизации.

Q:Каково максимально допустимое содержание водорода?
А: 0,015 % для промышленных титановых сплавов. Выше этого уровня реальный риск становится как деформационным-старением, так и охрупчиванием гидридного типа, и для его уменьшения требуется вакуумный отжиг.

Q:Формируют ли бета-сплавы альфа-корпус?
О: Они сопротивляются этому лучше, чем альфа- и альфа-бета-сплавы, и не образуют слой до тех пор, пока не нагреются примерно до температуры выше 980 градусов. Альфа-сплавы являются наиболее чувствительными и требуют самого строгого контроля атмосферы.

Q:Насколько глубока гильза альфа на типичной поковке?
О: Глубина зависит от температуры, времени и атмосферы печи. Его необходимо удалить травлением или механической обработкой, а припуск на соответствующую глубину является технологическим требованием, а не допуском.

Q:Что вызывает появление ярких полос в макроструктуре кованого титана?
A: Химическая сегрегация в сплаве или чрезмерное изменение температуры из-за деформационного нагрева во время ковки. И то, и другое ухудшает пластичность и работоспособность при высоких-температурах и контролируется при плавлении и прессовании.