Teste de processo para melhorar a resistência ao impacto de pequenas peças forjadas de liga de titânio Ti-4Al-1.5Mn

A liga Ti-4Al-1.5Mn é uma liga de resistência média e elevada plasticidade, quase alfa liga de titânioque tem sido amplamente utilizado na indústria aeroespacial. As pequenas peças forjadas de Ti-4Al-1.5Mn produzidas recentemente pela nossa empresa têm o problema da resistência ao impacto insuficiente ou mesmo não qualificada em grandes variedades e lotes, afectando seriamente o progresso da entrega. A nossa empresa analisou o problema da baixa resistência ao impacto de Peças forjadas Ti-4Al-1.5Mn, propusemos dois métodos para melhorar a resistência ao impacto das peças forjadas de Ti-4Al-1.5Mn e efectuámos a verificação dos ensaios do processo para orientar a conceção do programa de processamento a quente do Ti-4Al-1.5Mn.

Teor de elementos químicos do Ti-4Al-1.5Mn (%)

1. Análise da causa do problema

Requisitos de forjamento

Nossa empresa realiza as pequenas peças forjadas Ti-4Al-1.5Mn de uma planta hospedeira, cujo padrão de aceitação é específico do tipo, e os requisitos de propriedade mecânica à temperatura ambiente são mostrados na Tabela 1. de acordo com os requisitos padrão, a microestrutura das peças forjadas deve ser uniforme após o processamento na área bifásica α + β e entregue na condição recozida. Os requisitos recomendados tratamento térmico o sistema é 740-790℃, mantendo 1-2h, e arrefecimento a ar.

A causa direta da tenacidade de baixo impacto

De acordo com os resultados da investigação nacional, a composição química, a microestrutura e a linha de fluxo de fibras das peças forjadas em liga de titânio terão um impacto mais notório na resistência ao impacto do peças forjadas.
(1) A influência da composição química das peças forjadas.
O nosso Ti-4Al-1.5Mn barra de liga de titânio é principalmente da Baotian e da Western Superconductor Company, a composição química está em conformidade com as normas específicas do tipo e a composição química de cada barra do forno é relativamente estável. Ainda assim, as pequenas peças forjadas Ti-4Al-1.5Mn produzidas por cada barra de forno têm uma baixa resistência ao impacto, pelo que a influência da composição química pode ser excluída.
(2) O efeito da linha de fluxo de fibras.
De acordo com os resultados estatísticos, ambos as peças forjadas em matriz e as peças forjadas sem classe de veio longo têm o problema da baixa resistência ao impacto. Na deformação de peças forjadas, algum metal é descarregado ao longo da superfície de separação, o que fará com que a linha de fluxo de fibra perto da superfície de separação se desvie da direção principal, o que pode levar ao problema de tenacidade de baixo impacto. As peças forjadas livres do tipo veio longo são formadas por estiramento e a linha de fluxo de fibra central é propícia à melhoria da resistência ao impacto, mas continua a existir o problema da baixa resistência ao impacto. Por conseguinte, a influência da linha de fluxo de fibra pode ser excluída.
(3) O efeito da microestrutura.
O estudo mostra que o conteúdo da fase α listrada na microestrutura da liga de titânio Ti-4Al-1.5Mn tem um efeito mais percetível na tenacidade ao impacto dos forjados de liga de titânio Ti-4Al-1.5Mn, e o aumento do conteúdo da fase α listrada pode melhorar a tenacidade ao impacto dos forjados de liga de titânio Ti-4Al-1.5Mn. Normalmente, a microestrutura das barras de tamanho pequeno da liga de titânio Ti-4Al-1.5Mn recozida tem um conteúdo superficial da fase α da tira secundária (a maioria delas ≤10%).
O forjamento da liga de titânio Ti-4Al-1.5Mn é normalmente aquecido a 30-50°C abaixo do ponto de mudança de fase, ou seja, T_β-(30-50) °C. Devido à baixa temperatura de aquecimento do forjamento, apenas uma pequena quantidade da fase α incipiente é transformada em fase β durante o aquecimento. Depois de atingir o tempo de espera, o lingote é descarregado do forno e forjado. Devido ao pequeno tamanho do tarugo, o tarugo esfria rapidamente durante o contato entre o tarugo e a matriz, e a pequena quantidade de fase β transformada é tarde demais para precipitar mais fase α de faixa, o que por sua vez pode levar a menos fase α de faixa secundária na microestrutura do forjamento. De acordo com a norma de tipo, a temperatura prevista para o tratamento térmico de recozimento é de 740-790℃que é inferior à temperatura de forjamento, e também não pode aumentar efetivamente o teor da fase α da tira secundária.
Por conseguinte, o baixo teor da segunda fase alfa na microestrutura deve ser a principal razão para a baixa tenacidade ao impacto das pequenas peças forjadas de Ti-4Al-1,5Mn.

2. Ideias para a resolução de problemas

De acordo com os resultados da análise, a principal direção para resolver o problema da baixa tenacidade ao impacto das pequenas peças forjadas de Ti-4Al-1,5Mn deve ser a melhoria do teor da segunda fase alfa na microestrutura das peças forjadas. A investigação mostra que a temperatura de aquecimento durante o forjamento e o tratamento térmico afecta significativamente o teor da segunda fase alfa nas peças forjadas. Quando a temperatura de forjamento ou de tratamento térmico é mais elevada, mais fase α primária transforma-se em fase β na microestrutura das peças forjadas, e mais fase α secundária da barra precipita no processo subsequente de arrefecimento a ar, melhorando assim a resistência ao impacto. Com base nisto, são utilizadas neste trabalho duas ideias principais de otimização.
Tabela.1 Requisitos de propriedades mecânicas à temperatura ambiente de uma norma excecional para peças forjadas de Ti-4Al-1,5Mn

Figura.1 Microestrutura típica de pequenas peças forjadas de Ti-4Al-1,5Mn com baixa tenacidade ao impacto (500×)

Após o forjamento, aumento próximo do recozimento β

Verificando os registos e documentos do processo, a temperatura de forjamento das nossas peças forjadas pequenas de Ti-4Al-1.5Mn é geralmente controlada a 30-50℃ abaixo do ponto de mudança de fase, ou seja, T_β-(30-50)℃mas a microestrutura das peças forjadas obtidas apresenta ainda menos bandas secundárias α fase. Por conseguinte, a primeira ideia de otimização deste documento acrescenta a fase deβ recozimento após o processo de forjamento, ou seja, a rota de processamento térmico é forjamento → recozimento quase-β → recozimento comum, e a temperatura de recozimento quase-β após o forjamento para este teste de processo é escolhida para ser 10 ° C e 20 ° C abaixo do ponto de mudança de fase, ou seja, T_β-10°C e T_β-20°C.
(1) Material de ensaio.
Foi utilizada uma barra redonda com especificação de 80 mm da liga de titânio Ti-4Al-1,5Mn, e a temperatura do seu ponto de mudança de fase foi medida como T_β=(976±3)℃.
(2) Esquema de ensaio.

• 1) Em ϕ80 mm×Especificação de 50 mm, material de ensaio 2 peças, respetivamente numeradas como peça de ensaio 1 e peça de ensaio 2.
  2) Forjamento convencional: o material de ensaio é primeiro aquecido no forno de resistência, com uma precisão de ± 10

2) Forjamento convencional: o material de ensaio é primeiro aquecido no forno de resistência, com uma precisão de ± 10 ℃a temperatura de aquecimento está regulada para 936 ℃e a temperatura do forno atinge a temperatura definida após o início da cronometragem, o tempo de espera é definido para 100 min; depois de atingir o tempo de espera, o tarugo sai do forno para forjar, em 750 kg de martelo de forjamento livre será desenhado um tarugo longo para 50 mm × 50 mm × 100 mm, após forjar o arrefecimento do ar à temperatura ambiente.
3) A peça de ensaio 1 e a peça de ensaio 2 foram tratadas de forma diferente, de acordo com o esquema de tratamento térmico do Quadro 2. Após o tratamento térmico, as propriedades mecânicas longitudinais e a microestrutura à temperatura ambiente numa posição de 1/2 espessura foram amostradas e testadas na mesma posição.
(3) Resultados e análise.
1) Comparação da microestrutura.
A Figura 2 mostra a comparação da microestrutura das peças de teste 1 e 2 na mesma posição de amostragem a 1/2 espessura; pode-se ver que a microestrutura da peça de teste 1 contém ≤10% da fase α da tira secundária, enquanto a microestrutura da peça de teste 2 contém cerca de 20%-30% da fase α da tira secundária, ou seja, em comparação com o estado de tratamento térmico convencional (peça de teste 1), mais fase α da tira secundária é obtida após o forjamento e aumentando perto do recozimento β (peça de teste 2) Os resultados esperados foram alcançados.
2) Comparação dos desempenhos.
A Tabela 3 compara as propriedades mecânicas longitudinais dos dois provetes à temperatura ambiente na mesma posição de amostragem. Pode ver-se que a resistência ao impacto das peças forjadas foi significativamente melhorada após o forjamento com recozimento próximo de β (peça de ensaio 2) em comparação com a condição de tratamento térmico convencional (peça de ensaio 1). Ainda assim, a resistência das peças forjadas foi significativamente reduzida em comparação com a condição de tratamento térmico convencional, mas cumpriu os requisitos padrão.

3) A peça de ensaio 1 e a peça de ensaio 2 foram tratadas de forma diferente, de acordo com o esquema de tratamento térmico do Quadro 2. Após o tratamento térmico, as propriedades mecânicas longitudinais e a microestrutura à temperatura ambiente numa posição de 1/2 espessura foram amostradas e testadas na mesma posição.

(3) Resultados e análise.
1) Comparação da microestrutura.
A Figura 2 mostra a comparação da microestrutura das peças de teste 1 e 2 na mesma posição de amostragem a 1/2 espessura; pode-se ver que a microestrutura da peça de teste 1 contém ≤10% da fase α da tira secundária, enquanto a microestrutura da peça de teste 2 contém cerca de 20%-30% da fase α da tira secundária, ou seja, em comparação com o estado de tratamento térmico convencional (peça de teste 1), mais fase α da tira secundária é obtida após o forjamento e aumentando perto do recozimento β (peça de teste 2) Os resultados esperados foram alcançados.
2) Comparação dos desempenhos.
A Tabela 3 compara as propriedades mecânicas longitudinais dos dois provetes à temperatura ambiente na mesma posição de amostragem. Pode ver-se que a resistência ao impacto das peças forjadas foi significativamente melhorada após o forjamento com recozimento próximo de β (peça de ensaio 2) em comparação com a condição de tratamento térmico convencional (peça de ensaio 1). Ainda assim, a resistência das peças forjadas foi significativamente reduzida em comparação com a condição de tratamento térmico convencional, mas cumpriu os requisitos padrão.
Tabela.2 Esquema de tratamento térmico da peça de teste

Figura.2 Comparação da microestrutura da peça de ensaio 1 e da peça de ensaio 2

Aumento próximo do recozimento β antes do forjamento.

Para obter mais fase α da tira secundária, foi desenvolvido na China um processo de forjamento isotérmico, que é normalmente aquecido a 15-25°C abaixo do ponto de mudança de fase; a matriz utilizada para forjar é aquecida à mesma temperatura que o lingote e mantida a uma temperatura constante durante o processo de forjamento, e arrefecida ao ar à temperatura ambiente após o forjamento. No entanto, o forjamento isotérmico tem requisitos especiais para matrizes e equipamentos de forjamento. As matrizes precisam ser feitas de ligas de alta temperatura, e o equipamento de forjamento só pode ser usado com prensas hidrostáticas e ferramentas de aquecimento de matrizes, o que é caro e ineficiente.
Se o forjamento ou o forjamento em matriz for efectuado diretamente após o aquecimento a 15-25°C abaixo do ponto de mudança de fase, o risco de sobreaquecimento de pequenas peças forjadas de Ti-4Al-1,5Mn aumenta drasticamente devido ao fenómeno de retrocesso durante o forjamento, o que pode levar ao desmantelamento de todo o lote de peças forjadas se não for adequadamente controlado.
Portanto, a segunda ideia de otimização deste artigo é adicionar perto de β-recozimento antes do processo de forjamento, ou seja, a rota de processamento térmico está perto de β-recozimento → forjamento → recozimento geral, e a temperatura próxima de β-recozimento antes de forjar para este teste de processo é escolhido para ser 20℃ abaixo do ponto de mudança de fase, ou seja, T_β-20℃.
(1) Material de ensaio.
Liga de titânio Ti-4Al-1.5Mn ϕÉ utilizada uma barra redonda com uma especificação de 80 mm e a temperatura do seu ponto de mudança de fase é medida como T_β=(976±3)℃;
(2) Esquema de ensaio.
1) O próximo ϕ80 mm×Material de ensaio com especificação de 50 mm 2 peças, respetivamente numeradas como peça de ensaio 3 e peça de ensaio 4.
2) A peça de ensaio 4 é aquecida no forno de resistência, com uma precisão de ±5 ℃a temperatura de aquecimento está regulada para 956 ℃A temperatura do forno atinge a temperatura definida para iniciar a cronometragem, o tempo de espera é definido para 60 min; depois de atingir o tempo de espera, o tarugo sai do forno, o ar arrefece até à temperatura ambiente; a peça de teste 3 não faz o tratamento de pré-forjamento.
3) A peça de teste 3 e a peça de teste 4 são forjadas convencionalmente: o material de teste é primeiro aquecido no forno de resistência; a precisão do forno de resistência é de ±10℃a temperatura de aquecimento está regulada para 936℃Depois de atingir o tempo de espera, o lingote é descarregado do forno e forjado, e o lingote é puxado para 50 mm × 50 mm × 100 mm no martelo de forjamento livre de 750 kg e arrefecido a ar à temperatura ambiente após o forjamento;
Tabela.3 Comparação das propriedades mecânicas longitudinais do provete 1 e do provete 2 à temperatura ambiente

Tabela.4 Comparação das propriedades mecânicas longitudinais do provete 3 e do provete 4 à temperatura ambiente

4) Teste a parte 3 e teste a parte 4 do tratamento térmico no mesmo forno, sistema de tratamento térmico: a temperatura de aquecimento é ajustada para 780 ℃Se a temperatura do forno atingir a temperatura definida após o início do tempo, o tempo de espera é definido para 120 minutos; depois de atingir o tempo de espera, o lingote sai do forno e é arrefecido a ar até à temperatura ambiente.
(3) Resultados e análise.
1) Comparação da microestrutura.
A Figura 3 mostra a comparação da microestrutura da peça de teste 3 e da peça de teste 4 na mesma posição de amostragem em 1/2 espessura; pode-se ver que a microestrutura da peça de teste 3 contém ≤10% fase α de tira secundária, enquanto a microestrutura da peça de teste 4 contém cerca de 15%-25% fase α de tira secundária, ou seja, em comparação com o estado de trabalho a quente convencional (peça de teste 3), o aumento no recozimento próximo de β antes do forjamento (peça de teste 4) obteve mais fase α de tira secundária, alcançando os resultados esperados.
2) Comparação dos desempenhos.
A Tabela 4 mostra a comparação das propriedades mecânicas longitudinais à temperatura ambiente da peça de ensaio 3 e da peça de ensaio 4 na mesma posição de amostragem. Pode ver-se que a resistência ao impacto das peças forjadas foi significativamente melhorada em comparação com a condição convencional trabalhada a quente (peça de ensaio 3) após o recozimento próximo de β antes do forjamento (peça de ensaio 4), e não houve diferença significativa na resistência das peças forjadas em comparação com a condição convencional trabalhada a quente. Em comparação com o aumento do recozimento próximo de β após o forjamento, o aumento do recozimento próximo de β antes do forjamento tem um aumento menor na tenacidade ao impacto, mas dificilmente causa qualquer perda de resistência à temperatura ambiente, o que deve ser atribuído ao fato de que a fase α listrada secundária gerada durante o recozimento próximo de β antes do forjamento é parcialmente quebrada durante o forjamento, e os forjados são, portanto, reforçados por deslocamento.

3. Conclusão

• (1) Ao adicionar o recozimento quase β após o processo de forjamento, mais fases α da tira secundária podem ser obtidas na microestrutura dos forjados Ti-4Al-1.5Mn, e a tenacidade ao impacto dos forjados é significativamente melhorada. Ainda assim, a resistência à temperatura ambiente será diminuída de forma mais significativa.
• Figura 3 Comparação da microestrutura da peça de ensaio 3 e da peça de ensaio 4
• (2) Ao adicionar perto do recozimento β antes do forjamento, a microestrutura dos forjados Ti-4Al-1.5Mn pode obter mais vezes a fase α bruta e a tenacidade ao impacto dos forjados pode ser significativamente melhorada. A resistência à temperatura ambiente não será significativamente reduzida.
• (3) A adição de recozimento próximo de β antes do forjamento pode ser usada para otimizar todos os tipos de pequenas peças forjadas de Ti-4Al-1,5Mn; a adição de recozimento próximo de β após o forjamento pode ser usada para orientar o processo de retrabalho do tratamento térmico para peças forjadas com problemas de resistência ao impacto não qualificados.

Autores: Che Anda, Zhang Yuandong, Liu Xiuliang, Ma Siqin, Zhang An

Fonte: China Fabricante de peças forjadas em liga de titânio: www.titaniuminfogroup.com