Procesos de trabajo en caliente del titanio y las aleaciones de titanio

Un resumen sistemático y una explicación de la procesos de trabajo en caliente del titanio y la aleación de titanio se fabricaron los materiales.

Titanio y aleaciones de titanio tienen excelentes propiedades integrales, como alta resistencia específica, módulo específico, tenacidad, alta resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas, soldabilidad y ausencia de magnetismo. Se utilizan ampliamente en diversos campos como la aviación, la industria aeroespacial, la construcción naval, el petróleo, la industria química, el armamento, la electrónica y el tratamiento médico. En la década de 1960, países industrializados como Estados Unidos, el Reino Unido y la antigua Unión Soviética utilizaron ampliamente el titanio y los materiales de aleación de titanio en la fabricación de aviones y motores de aviación. La aplicación del titanio y los materiales de aleación de titanio en la industria aeronáutica china comenzó relativamente tarde. Fue en la década de 1980 cuando se utilizó gradualmente una pequeña cantidad de titanio y materiales de aleación de titanio en la fabricación de aviones y motores de aviación. Sin embargo, tras entrar en el siglo XXI, el nivel de aplicación del titanio y los materiales de aleación de titanio en la industria aeronáutica china ha mejorado significativamente. Tras casi 40 años de esfuerzos en China, se han logrado avances significativos en la microestructura de las aleaciones, la tecnología de procesamiento, la aleación y otras tecnologías. Especialmente en los últimos 20 años, a través de la investigación de prácticas de ingeniería y pruebas exploratorias realizadas por investigadores de diversos institutos de investigación, fabricantes profesionales y universidades, el procesamiento en caliente del titanio y las aleaciones de titanio en China ha formado un sistema tecnológico de proceso relativamente completo.

1. Clasificación del titanio y las aleaciones de titanio

Los métodos de clasificación del titanio y las aleaciones de titanio incluyen la clasificación McGellen, la clasificación del coeficiente de estabilidad β y la clasificación por definición en GB/T 6611-2008. Existen algunas diferencias en la bibliografía para la clasificación del titanio y las aleaciones de titanio, pero la clasificación general es coherente. He aquí una breve introducción a la clasificación McGovern. Este método de clasificación es el método de clasificación de McGovern en 1956 según la composición de fases del titanio y el estado de recocido de las aleaciones de titanio. Inicialmente, el titanio y las aleaciones de titanio se dividían a grandes rasgos en tres categorías: aleaciones de tipo α, aleaciones de tipo α + β y aleaciones de tipo β. Sin embargo, con el rápido desarrollo de la investigación y la aplicación del titanio y las aleaciones de titanio, cada vez hay más tipos de aleaciones de titanio, y las limitaciones de este método de clasificación clásico de McGovern son cada vez mayores. Por ello, los descendientes han mejorado sobre esta base y han dividido el titanio y las aleaciones de titanio en cinco categorías: la estructura básica del titanio y las aleaciones de titanio tras el recocido es la fase α, que se denomina aleación de tipo α. La estructura básica tras el recocido es fase α + fase β, pero la fase α se denomina principalmente aleación cercana al tipo α. La estructura básica tras el recocido es fase α + fase β, lo que se denomina aleación de tipo (α + β). La estructura básica tras el recocido es la fase β, pero existe cierta fase α denominada aleación de tipo cercano a β. La estructura básica tras el recocido es la fase β, que es la aleación de tipo β.

2. Estructura del titanio y de las aleaciones de titanio

2.1 Microestructura de las aleaciones de titanio cercanas al tipo α y de tipo α + β

2.1.1 La organización Weinstein

Generalmente, se refiere a la estructura tal como se funde del titanio y de la aleación de titanio, o la temperatura de inicio de la deformación de la aleación de titanio y la temperatura final están en la región de la fase β, la deformación no es muy grande (generalmente menos de 50%), o cuando la aleación se calienta hasta la fase β y luego se enfría lentamente, se obtendrá la estructura widmanstatten. La estructura widmanstatten se caracteriza por granos β originales gruesos, y el límite de grano α claro se distribuye en el límite de grano β original. El cristal β original es un dominio de haz α laminar, y el α laminar es una fase β, como se muestra en la Fig.1 (a).

2.1.2 Organización de la cesta neta

La aleación de titanio se deforma cerca de la temperatura de transición β o comienza a deformarse en la región de fase β pero termina la deformación en la región de dos fases, y la cantidad de deformación es de 50%-80%. La estructura de tejido de cesta se caracteriza por la destrucción del límite de grano β original durante el proceso de deformación; no aparece ningún límite de grano α granular o sólo una pequeña cantidad, y la lámina α en el grano β original se acorta (es decir, la relación de aspecto es pequeña), el tamaño del dominio del haz α es pequeño. Los cúmulos están entrelazados, como se muestra en la Fig.1 (b).

2.1.3 Organización mixta

La aleación de titanio se deforma en la parte superior de la región bifásica, o después de la deformación en la región bifásica; se calienta hasta la temperatura superior de la región bifásica y después se enfría con aire para obtener una estructura mixta. La estructura mixta se caracteriza por la distribución de partículas α primarias no conectadas en la matriz de transformación β, y su número es inferior a 40% (definido como 50% en la bibliografía). Hay dos formas de α en la estructura mixta: una son las partículas α primarias equiaxadas, y la otra es la franja α secundaria en la matriz β transformada. La mayor parte de la bibliografía se refiere a la organización en dos estados. Sin embargo, debido al desarrollo de una organización de tres estados basada en la organización de dos estados en la década de 1990, es más apropiado llamarla organización mixta, que incluye una organización de dos estados y una organización de tres estados. Expresión de la organización triestatal: organización (α + α + β), características: α ≈ 10%-20%, α ≈ 60%-70%, y entrelazamiento caótico, como se muestra en la Fig.1 (c).

2.1.4 Estructura isométrica

La estructura equiaxial puede obtenerse generalmente cuando la aleación de titanio se deforma en la región bifásica por debajo de la temperatura de formación de la estructura bimodal (unos 30-60 °C por debajo del punto de transición de fase β). La estructura equiaxial se caracteriza por una distribución uniforme de matriz α primaria equiaxial con un contenido superior a 40%, y existe una cierta cantidad de estructura β. Cuanto menor es la temperatura de deformación, mayor es la densidad de α primarios y de dislocaciones. El contenido de α primario equiaxado define principalmente la estructura mixta y la estructura equiaxada. En la bibliografía se define que el contenido de α primarios equiaxados es superior a 50%. Sin embargo, actualmente se reconoce que el contenido de α primario equiaxado es superior a 40%, incluso superior a 70%-80%. La morfología de los α primarios equiaxados incluye los esféricos, elípticos, en forma de oliva, en forma de vara-martillo y de tira larga. Estructura equiaxada = (α + β) = (α + α + β). La matriz de β incluye tiras finas α, y el fondo negro entre las tiras finas es β residual, como se muestra en la Fig.1 (d).

2.2 Microestructuras de titanio y aleaciones de titanio de tipo α y β

La microestructura típica del titanio y la aleación de titanio de tipo α es un único grano α, como muestra la figura 1 (e); la microestructura típica de la aleación de titanio de tipo β es un único grano β, como muestra la figura 1 (f). Las propiedades del titanio y de las aleaciones de titanio vienen determinadas por su microestructura, y la microestructura del titanio y de las aleaciones de titanio viene determinada principalmente por el procesamiento térmico (forja, tratamiento térmico).

3. Forja de titanio y aleaciones de titanio

3.1 Finalidad de la forja

3.1.1 Mejora de la microestructura y las propiedades

El tocho más original para titanio y aleaciones de titanio forja es lingote. Durante el proceso de forja, la estructura en bruto sufre una deformación y recristalización. Las dendritas gruesas y los granos columnares originales se convierten en estructuras recristalizadas equiaxiales con granos finos y de tamaño uniforme. Al mismo tiempo, la segregación original, la porosidad, los poros y las grietas del lingote hacen que la estructura del metal sea más densa y mejoran la plasticidad y las propiedades mecánicas del metal.

3.1.2 Cambiar la forma y el tamaño

Para obtener las especificaciones y dimensiones requeridas de la pieza en bruto, es necesario conseguirlo mediante una deformación de forja adecuada.

3.2 Forja libre de titanio y aleaciones de titanio (producción de tochos)

La llamada forja libre es un método de forja en el que el flujo de metal no está restringido o no está completamente restringido en la dirección perpendicular a la fuerza de deformación. La principal ventaja de la forja libre es que no se necesita una matriz de forja, las piezas se ponen en producción rápidamente y el tamaño y el peso de las piezas no están limitados. La desventaja es que no se pueden forjar piezas forjadas con formas complejas y elevados requisitos de precisión dimensional, la tasa de utilización del material es baja y la eficacia de la producción podría ser mayor. La forja libre es adecuada para la producción de piezas únicas y pequeños lotes de piezas forjadas.

Fig.1 Microestructuras típicas del titanio y las aleaciones de titanio
La forja libre de titanio y aleaciones de titanio incluye principalmente la forja de lingotes, forja de barrasforja de desbastes, forja de anillosy la forja de piezas en bruto. En la producción de productos de titanio y aleaciones de titanio, anillos, piezas forjadas, etc. Se siguen trabajando en caliente (forjado, etc.) a partir de barras cualificadas. Por lo tanto, la producción de barras es la clave para la fabricación de productos de titanio y aleaciones de titanio.

3.2.1 Calentamiento de la forja de titanio y aleaciones de titanio

El titanio y las aleaciones de titanio tienen las características de la transformación alotrópica. Cuando el titanio y las aleaciones de titanio se encuentran en estado sólido, la estructura cristalina de su disposición atómica cambiará con el cambio de temperatura (transformación de microestructura). A temperatura ambiente, predomina la α-Ti (fase α) del cristal hexagonal de empaquetamiento cerrado, y a alta temperatura predomina la β-Ti (fase β) del cristal cúbico centrado en el cuerpo. Cuando la temperatura de calentamiento supera una determinada temperatura, la α-Ti (fase α) del cristal hexagonal de empaquetamiento cerrado en el titanio y la aleación de titanio se convierte completamente en la β-Ti (fase β) del cristal cúbico centrado en el cuerpo, lo que se denomina temperatura de transición β (punto de transición de fase). Sólo existe un plano cristalino con la disposición atómica más densa, el plano {0001}, para el cristal hexagonal de empaquetamiento cerrado. Un plano de deslizamiento puede tener tres direcciones de deslizamiento, por lo que el número de sistemas de deslizamiento es 1 × 3 = 3. Debido a que el titanio y las aleaciones de titanio son principalmente α-Ti (fase α) de cristal hexagonal de empaquetamiento cerrado a temperatura ambiente, la mayoría del titanio y las aleaciones de titanio tienen un rendimiento deficiente en el procesamiento en frío. La (fase) β-Ti es un cristal cúbico centrado en el cuerpo. Hay seis planos cristalinos {110} con la disposición más densa de átomos en el cristal cúbico centrado en el cuerpo; cada uno tiene dos direcciones de deslizamiento, por lo que el número de sistemas de deslizamiento es 6 × 2 = 12. En el cristal cúbico centrado en el cuerpo, hay 48 planos de deslizamiento principales y planos de deslizamiento secundarios. Por lo tanto, la plasticidad del titanio y de las aleaciones de titanio es mejor, y la resistencia a la deformación se reduce mucho tras el calentamiento a altas temperaturas, lo que es beneficioso para la deformación por forja.
Por ello, casi todo el titanio y las aleaciones de titanio se forjan en caliente. Durante la forja del titanio y las aleaciones de titanio, debido al curso de la estructura en bruto, la escasa plasticidad, la forma demasiado grande del lingote y la gran superficie de tensión de deformación, generalmente se calienta a 100-200 °C por encima de la temperatura de transición β para mejorar eficazmente la plasticidad de trabajo en caliente y reducir en gran medida la resistencia a la deformación por unidad de superficie. En el proceso de forja posterior, la temperatura de calentamiento es gradualmente inferior a la de la forja en blanco hasta que la temperatura de transición β está por debajo. Este método de proceso se caracteriza por un alto rendimiento, una estructura uniforme y un elevado requisito de tonelaje de los equipos. Sin embargo, algunos fabricantes de titanio y aleaciones de titanio adoptan el proceso de calentamiento y deformación por forja directamente en la zona de dos fases tras la finalización de la apertura del tocho. La desventaja de este proceso es que el índice de rendimiento es bajo y la estructura es desigual, pero es adecuado para la producción de equipos pequeños. El proceso específico de los fabricantes de productos de titanio y aleaciones de titanio será diferente. La mayoría de los procesos específicos se basan en la experiencia práctica y los datos de las pruebas acumuladas por los propios fabricantes. Debido a la escasa plasticidad de la estructura widmanstatten o estructura de cesta obtenida por deformación por encima de la temperatura de transición β, en la mayoría de las normas técnicas de producto se exige generalmente que la microestructura de las barras de aleación de titanio de tipo cercano a α y de tipo α + β sea una estructura equiaxial o mixta con buena plasticidad. Por lo tanto, en la última fase de forja de las barras de titanio y aleaciones de titanio se calientan 2-3 fuegos o incluso más y se forjan entre 20-60 °C por debajo del punto de transición de fase.
La conductividad térmica del titanio es pequeña, 1/15 de la del aluminio y 1/5 de la del hierro. Por lo tanto, es necesario precalentar los tochos de titanio y aleaciones de titanio con un diámetro (grosor) superior a 300 μs a bajas temperaturas para evitar el agrietamiento interno del tocho. Al mismo tiempo, el titanio y las aleaciones de titanio no son fáciles de mantener demasiado tiempo a altas temperaturas para evitar el deterioro de su estructura. Por lo tanto, al calentar el titanio y las aleaciones de titanio, se suele elevar la temperatura del horno vacío hasta una temperatura predeterminada y después se calienta en el tocho cargado. El tiempo de mantenimiento del calentamiento del titanio y la aleación de titanio se calcula generalmente en función del espesor de 0,5-0,8min/mm; el tiempo de mantenimiento más largo no suele ser superior a 1,2min/mm, y el estado caliente se reduce a la mitad. Dado que la temperatura de calentamiento es sensible a la transformación del titanio y las aleaciones de titanio, la forja de titanio y aleaciones de titanio se calienta generalmente mediante un horno de resistencia con una precisión de control de la temperatura de (±10-15) °C. Sin embargo, debido a la estructura de colada gruesa formada por la solidificación directa del metal líquido, la precisión de control de la temperatura del horno de calentamiento no es alta. Por lo tanto, la forja de tochos puede calentarse mediante un horno de reverbero de combustible sólido, un horno de aceite, un horno de gas natural, etc., pero debe ser la atmósfera oxidante. 

3.2.2 Deformación de forja por fuego del titanio y la aleación de titanio 

En deformación por forja del titanio y la aleación de titanio es generalmente superior a 60%-75%, la deformación de forja del fuego intermedio se controla generalmente a 40%-75%, y la deformación de forja del producto acabado se controla a más de 20%. 
Cuando el titanio y las aleaciones de titanio se forjan mediante un martillo de forja libre con una velocidad de forja rápida, hay que tener en cuenta el efecto térmico en el proceso de forja. Debido a la escasa conductividad térmica del titanio y las aleaciones de titanio, y a que la temperatura es muy sensible a su microestructura, el calor de deformación del núcleo de la barra durante el proceso de forja en el martillo facilita que la temperatura local de la aleación se acerque o supere la temperatura de transición β, lo que provoca el sobrecalentamiento de la estructura del núcleo. Por lo tanto, el tocho no se puede golpear continuamente con fuerza cuando se utiliza el proceso de forja en martillo para productos de titanio y aleaciones de titanio con requisitos organizativos y de rendimiento.

3.2.3 El método de enfriamiento tras la forja del titanio y la forja de aleaciones de titanio 

En el proceso tradicional, el método de enfriamiento del titanio y la aleación de titanio tras la forja es el enfriamiento por aire. Tras el calentamiento y la deformación de forja en el punto de transición de fase, la microestructura de la aleación de titanio de tipo α cercano y de la aleación de titanio de tipo α + β es una pequeña cantidad de fase α equiaxial primaria y una gran cantidad de fase β a altas temperaturas. Cuando la forja se enfría con aire tras la forja, con la disminución de la temperatura de forja, la mayor parte de la fase β estable en la microestructura a alta temperatura se transforma gradualmente en la fase α estable a temperatura ambiente. Es decir, durante el proceso de enfriamiento al aire tras la forja, una pequeña cantidad de α primaria equiaxial en la microestructura crece o se agrega gradualmente con la disminución de la temperatura. Una gran cantidad de fase β de alta temperatura se transforma gradualmente en fase α de banda y fase β residual con el descenso de la temperatura. La fase α en tira crece gradualmente, se espesa e incluso se agrega. Este fenómeno no favorece la mejora de la microestructura y las propiedades. Además, la velocidad de enfriamiento entre la superficie y el núcleo del tocho es muy diferente, y la consistencia de la microestructura y las propiedades en el cruz-sección es pobre. Del mismo modo, para el titanio monofásico y la aleación de titanio, la refrigeración por aire hará que su grano monofásico crezca, y la consistencia del tamaño de grano interno y externo empeora.
Dadas las deficiencias anteriores, en los últimos años, algunos fabricantes de titanio y aleaciones de titanio han adoptado el proceso de enfriamiento por agua tras la forja de tochos de titanio y aleaciones de titanio y la producción de tochos intermedios. Tras la forja, la aleación de titanio cercana a α y la aleación de titanio α + β se enfrían con agua, que tiene una velocidad de enfriamiento rápida y un gran subenfriamiento. Por un lado, una pequeña cantidad de α equiaxados primarios en la estructura de alta temperatura no tiene tiempo suficiente para crecer; por otro, el enfriamiento rápido hace que un gran número de fases β de alta temperatura se transformen demasiado tarde en fases α de banda estables de forma gradual, y no hay tiempo para que las nuevas fases α de banda crezcan y se engrosen. Por lo tanto, la fase α equiaxial primaria y la fase α de banda en la microestructura producida por el proceso de enfriamiento con agua después de la forja son más pequeñas que las producidas por el proceso de enfriamiento con aire después de la forja. Del experimento se desprende que el enfriamiento con agua tras la forja no sólo puede refinar la estructura de alto pliegue del titanio y la aleación de titanio, sino también su estructura de bajo pliegue. Los defectos cristalinos (dislocaciones, subgranos) y la microestructura deformada con mayor densidad de dislocaciones se fijaron total o parcialmente a temperatura ambiente mediante el enfriamiento con agua tras la forja, lo que aumentó el gran número de núcleos cristalinos para la recristalización durante el tratamiento térmico posterior. Durante el tratamiento térmico posterior, el mecanismo de precipitación de la fase β cambió del mecanismo de nucleación inducida bajo enfriamiento con aire al modo de nucleación independiente, y se obtuvieron bandas finas, caóticas y entrelazadas α primarias y α secundarias, que podían mejorar significativamente la resistencia. Del mismo modo, para el titanio monofásico y la aleación de titanio, el enfriamiento con agua inhibirá su crecimiento de grano monofásico, y la consistencia del tamaño de grano interno y externo es buena. 

3.2.4 Control de fase en aleaciones de titanio cercanas al tipo α y al tipo α + β

Los productos de forja libre de aleación de titanio de tipo cercano a α y de aleación de titanio de tipo α + β requieren generalmente que sus microestructuras sean equiaxiales o mixtas, y se exige el contenido de la fase α primaria en ellos. Por ejemplo, GJB493-88 estipula que el contenido de la fase α primaria de la barra para la pala del rotor no debe ser inferior a 30%, el contenido de la fase α primaria de la barra para la pala del estator no debe ser inferior a 25%, y se exige el tamaño de la tira larga α. La tira larga α de la barra para la pala del rotor es inferior a 0,06 mm, y la tira larga α de la barra para la pala del estator es inferior a 0,08 mm. Por ejemplo," HB5432-89 piezas forjadas de aleación de titanio TC4 para aeronaves" estipula que el contenido de α primario en la estructura de alto aumento de las piezas forjadas libres no debe ser inferior a 15%, el contenido de α primario en la estructura de alto aumento de las piezas forjadas troqueladas debe ser 15%-55%, y la tira larga α no debe superar los 0,2 mm. Por ejemplo, la GJB1538 estipula que la tira larga α en el tejido de gran aumento con un diámetro superior a 150 no supere los 0,25 mm. Tomando como ejemplo la producción de la barra de aleación de titanio TC4 bifásica α + β, la clave para obtener la barra que cumpla los requisitos de la GJB493-88 es el control de la temperatura de calentamiento de la forja y la deformación: cuanto más se acerque la temperatura de calentamiento de forja del producto acabado a la temperatura de transición β, menor será el número de α primarios en la microestructura de la aleación, peor será la plasticidad y mayor la resistencia; cuantos más tiempos de forja y mayor deformación de la aleación por debajo de la temperatura de transición β, más finos, uniformes y cercanos a la forma esférica serán los α primarios en la microestructura de la aleación.
La mayoría de las barras, anillos, tortas y otros productos de aleación de titanio requieren pruebas ultrasónicas. Las estructuras α de Widmanstatten y basketweave tienen forma de listón grueso, y su límite de grano es más obvio. En las pruebas por ultrasonidos, la atenuación de la aleación y el nivel de reflexión de la onda de fondo superan fácilmente los requisitos de la onda de defectos de la norma, y es más difícil detectar los defectos metalúrgicos de la aleación. Por lo tanto, la mayoría de las normas técnicas no permiten que los productos de aleación de titanio se entreguen en estos dos estados estructurales. En el caso de las estructuras equiaxial y mixta, la gran deformación durante el proceso de forja hace que el límite de grano α se rompa por completo y se esferoidice, el α primario del cristal también se esferoidiza por completo y el α secundario se vuelve muy corto. El límite de grano de la aleación casi ya no existe (el cristal difuso se presenta en la inspección a bajo aumento). Por lo tanto, la atenuación es muy pequeña durante el proceso de detección de defectos por ultrasonidos. Es fácil detectar los pequeños defectos metalúrgicos exigidos por la norma. La estructura equiaxial o mixta es la más deseable en la producción de materiales de titanio. 

3.3 Forjado en estampa (cerca del tipo α y de la aleación de titanio de tipo α + β) 

La llamada forja en matriz es el método de forjar la pieza bruta de metal en la ranura del modelo de forja. Las ventajas de la forja en matriz son que puede forjar piezas forjadas con formas complejas y alta precisión dimensional, alto aprovechamiento del material, alta eficiencia de producción, excelentes propiedades mecánicas y buena estabilidad de calidad, lo que es adecuado para la producción en masa. La desventaja es que la necesidad de utilizar ciclos de fabricación de moldes profesionales es larga, y la inversión en equipos y moldes es elevada.
La forja en estampa procesa principalmente las piezas utilizadas en la industria aeronáutica, por lo que la forja en estampa de la aleación de titanio se utiliza ampliamente en la industria aeronáutica. La forja convencional α + β, la forja cercana a β, la forja sub β y la forja completa β de aleación de titanio que se mencionan a menudo en diversos tipos de bibliografía se refieren generalmente al proceso de forja en matriz acabada de aleación de titanio (tipo cercano a α, tipo α + β). Las palanquillas utilizadas en la forja en estampa de productos acabados de aleación de titanio son generalmente palanquillas cualificadas con microestructura equiaxial o mixta producidas por forja libre. 

3.3.1 Forja convencional α + β

El proceso convencional de forja α + β de la aleación de titanio en HB/Z 199-91 se define como la forja tras el calentamiento en la región de fase α + β por debajo de la temperatura de transición de fase β de 25-50 °C o inferior. La forja convencional obtiene generalmente una estructura equiaxial o mixta con buena plasticidad a temperatura ambiente y estabilidad térmica, pero pobre rendimiento a alta temperatura, tenacidad a la fractura y resistencia a la propagación de grietas. En la actualidad, las piezas forjadas de aleación de titanio de tipo α y de aleación de titanio de tipo α + β se producen principalmente mediante este proceso. Más de 80% de las piezas forjadas de aleación de titanio de los motores aeronáuticos de China se producen mediante este proceso convencional de forja α + β.

3.3.2 Forjado próximo a β

La definición del proceso de forja cercana a β de la aleación de titanio en la marca de navegación HB/Z 199-91 es la forja después de calentar a 10-15 °C por debajo del punto de transición de fase β. Las piezas forjadas de aleación de titanio producidas mediante forja α + β convencional tienen una elevada plasticidad a temperatura ambiente y estabilidad térmica, pero un pobre rendimiento a alta temperatura, rendimiento a fatiga y tenacidad a la fractura. Por ello, en la década de 1980 se estudiaron en la fábrica Aerospace 148 los procesos de forja convencional α + β, forja cercana a β y forja β del disco de compresor de aleación de titanio TC11 de los motores aeronáuticos. La microestructura obtenida mediante el ensayo de forja cercana a β es aproximadamente 20% fase α primaria equiaxada distribuida en la matriz de estructura de cesta corta, fina y desordenada, que es una estructura mixta. La plasticidad y la estabilidad térmica de esta estructura no son inferiores a las de la forja convencional, pero su comportamiento a altas temperaturas, su comportamiento a la fatiga y su tenacidad a la fractura mejoran mucho en comparación con la forja convencional, y tiene unas propiedades mecánicas globales excelentes. Además, la temperatura de calentamiento de este proceso de forja es superior a la de la forja convencional, y la resistencia a la deformación de la aleación es pequeña, lo que mejora el rendimiento del procesamiento térmico. Al mismo tiempo, la temperatura de calentamiento no supera el punto de transición β, con lo que se evitan las deficiencias de la forja β. Basándose en una prueba realizada con éxito, 148 fábricas produjeron piezas forjadas de disco de compresor TC11 para motores aeronáuticos WP13 utilizando un proceso de forja casi β y las instalaron en la máquina para evaluar su instalación, y el uso es bueno. Posteriormente, Zhou et al. investigaron en profundidad el proceso de forja cerca de β e introdujeron la tecnología de tratamiento de refuerzo y endurecimiento. La estructura obtenida mediante el proceso de forja cerca de β se denominó estructura de tres estados (unos 10%-20% equiaxados α, 50%-60% en forma de cesta α, y un margen de transformación β matricial). Al estudiar el proceso de forja cerca de β de la aleación de titanio TC11, se descubre que esta estructura puede mejorar el rendimiento a altas temperaturas, la tenacidad a la fractura y el rendimiento a la fatiga a ciclos bajos del material sin reducir la plasticidad y la estabilidad térmica y puede mejorar la temperatura de servicio del material en 20-50 °C.

3.3.3 Forjado sub-β

La definición del proceso de forja sub-β para el titanio y la aleación de titanio en HB/Z 199-91 es la siguiente: la forja se lleva a cabo tras el calentamiento a 10-40 °C por encima del punto de transición de fase β, y la deformación se completa total o principalmente en la región bifásica α + β por debajo del punto de transición de fase β. Mediante el aplastamiento preferencial del límite α, la banda α en la región límite se equiaxa, y se obtiene la estructura de tejido de cesta. La característica básica de la estructura de tejido de cesta es que el límite de grano α se rompe, y el α intragranular es de tejido de cesta, pero esta estructura es difícil de obtener. Este proceso de forja produce generalmente piezas forjadas con elevados requisitos de tenacidad a la fractura. 
Los discos de aleación de titanio TC17 para motores aeronáuticos se han fabricado mediante el proceso de forja sub-β en caliente/isotérmico en la Fábrica de Forja de la Industria de Aviación de China y en la rama de aceros especiales de Baosteel (antigua Acería nº 5 de Shanghai) y han entrado en las aplicaciones de ingeniería. A medida que el concepto de diseño de aeronaves cambia gradualmente de la resistencia estática pura del pasado al concepto de seguridad-vida, seguridad-daño e incluso al moderno concepto de diseño de tolerancia al daño, los materiales avanzados de aleación de titanio se están desarrollando gradualmente hacia aleaciones de titanio tolerantes al daño con alta tenacidad a la fractura y baja tasa de crecimiento de grietas. El desarrollo y la aplicación de aleaciones de titanio tolerantes a los daños en Estados Unidos están a la vanguardia. Por ejemplo, el titanio utilizado en el caza de cuarta generación F-22 de Estados Unidos incluye principalmente aleación de titanio Ti-6Al-4VELI tolerante a daños de resistencia media y aleación de titanio Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-S tolerante a daños de alta resistencia. Se informa de que las piezas forjadas acabadas de estas dos aleaciones de titanio se producen mediante la tecnología β de procesamiento en caliente. Desde el "Undécimo Plan Quinquenal", basándose en la situación nacional, China ha desarrollado de forma independiente la aleación de titanio tolerante a daños de resistencia media TC4-DT y la aleación de titanio tolerante a daños de alta resistencia TC21, así como su tecnología de procesamiento β en caliente, y se ha aplicado en las piezas estructurales de cojinetes clave de los cazas avanzados.

3.3.4 Forjado β completo

La definición del proceso de forja β completa para la aleación de titanio en HB/Z 199-91 es que la forja se lleva a cabo tras calentar a 50 °C o más por encima del punto de transición de fase β, y la deformación se completa total o principalmente en la zona de fase β. El refinamiento del grano se consigue mediante la recristalización dinámica de la fase β, y se obtiene la estructura laminar. La microestructura de los productos obtenidos por este proceso es en su mayor parte una estructura widmanstatten, y la plasticidad y la estabilidad térmica son demasiado pobres, por lo que el método de proceso casi no se utiliza en la producción de piezas forjadas acabadas. 

3.3.5 Elementos clave de la producción de forja en coquilla de aleaciones de titanio

Al igual que en el proceso de forja libre, los principales factores de control en el proceso de forja en coquilla de la aleación de titanio son la temperatura de calentamiento, la deformación al fuego, la temperatura final de forja y el método de enfriamiento tras la forja. Entre ellos, el más crítico es la temperatura de calentamiento. "El control de calidad del proceso de forja HB 5355-94" estipula que deben seleccionarse II-IV para los hornos de calentamiento de forja de titanio y aleaciones de titanio. Para la forja cercana a β y la forja por debajo de β, deben seleccionarse hornos de calentamiento de resistencia II con buena precisión de control de la temperatura y uniformidad de la temperatura. La influencia de la deformación al fuego, la temperatura final de forja y el modo de enfriamiento tras la forja sobre la microestructura y las propiedades de las piezas forjadas a presión coincide con la de la forja libre mencionada anteriormente, que puede ajustarse de forma flexible según el proceso específico.

4. Tratamiento térmico del titanio y de las aleaciones de titanio

4.1 Tratamiento térmico del titanio tipo α y de la aleación de titanio

Este tipo de titanio y aleaciones de titanio se tratan generalmente mediante recocido ordinario. Cuando es necesario mantener el efecto de refuerzo de la deformación en frío, se utiliza el recocido de alivio de tensiones. El recocido de recristalización puede utilizarse cuando es necesario restablecer la plasticidad. 

4.2 Tratamiento térmico de aleaciones de titanio cercanas a α y α + β 

En tratamiento térmico de este tipo de aleación de titanio incluye principalmente el recocido ordinario, el recocido doble, el temple + envejecimiento, etc. 
El recocido doble tiene como objetivo mejorar la tenacidad a la fractura de la aleación, estabilizar la estructura y obtener una buena adecuación entre resistencia y plasticidad. Suele ser adecuado para las aleaciones de titanio que trabajan a altas temperaturas. El objetivo del recocido secundario es descomponer completamente la fase β metaestable obtenida por el recocido primario, producir un cierto grado de efecto de refuerzo por envejecimiento y obtener una estructura con una resistencia similar a la del recocido ordinario, una alta tenacidad a la fractura y una estructura estable a alta temperatura.
Las principales características del temple + envejecimiento son las siguientes: Durante el enfriamiento se produce una transformación martensítica, es decir, una transformación de isomerismo. La plasticidad y la tenacidad de la aleación aumentan ligeramente, y la resistencia y la dureza disminuyen ligeramente. En el proceso de envejecimiento posterior, debido a la descomposición de la fase metaestable y a la producción de la fase intermedia, la dureza y la resistencia de la aleación aumentan, y la plasticidad y la tenacidad disminuyen. Supongamos que el contenido de elemento β estable en la aleación de titanio no es elevado. En ese caso, el enfriamiento es que la fase β se transformará de red cúbica centrada en el cuerpo a red hexagonal por cizallamiento, y esta solución sólida sobresaturada con red hexagonal se denomina martensita α' hexagonal. Si el contenido de elemento estable β en la aleación de titanio es alto, la resistencia al cizallamiento de la red es grande. Durante el enfriamiento, la fase metaestable formada por la fase β de red cúbica centrada en el cuerpo a martensita ortorrómbica α' se descompondrá durante el envejecimiento, y α' → α + β, α' → α + β obtendrán fases α y β dispersas, lo que dará lugar a un efecto de refuerzo de la dispersión. Este es el principio básico del refuerzo por tratamiento térmico (refuerzo por enfriamiento rápido y envejecimiento) para la mayoría de las aleaciones de titanio de doble fase. 

4.3 Tratamiento térmico de la aleación de titanio β 

La aleación de titanio de tipo β se utiliza generalmente en estado de disolución sólida + tratamiento térmico de envejecimiento. Esta aleación se disuelve primero cerca del punto de transición de fase y después se somete a un envejecimiento artificial a largo plazo a una temperatura más baja. Tras el tratamiento de envejecimiento, una gran cantidad de fase α se dispersará en el límite de grano β y en el interior de grano de la microestructura de la aleación, lo que desempeña un papel en el fortalecimiento de la dispersión y, en última instancia, mejora la resistencia de la aleación y reduce su plasticidad. 
Autor: Zhang Lijun