Procese de prelucrare la cald a titanului și a aliajelor de titan

Un rezumat sistematic și o explicație a situației din China procese de lucru la cald de titan și aliaj de titan materiale au fost realizate.

Titan și aliaje de titan au proprietăți complete excelente, cum ar fi rezistența specifică ridicată, modulul specific, duritatea, rezistența ridicată la coroziune, rezistența la temperaturi ridicate, sudabilitatea și lipsa magnetismului. Acestea sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii, cum ar fi aviația, industria aerospațială, construcțiile navale, petrolul, industria chimică, armele, electronica și tratamentele medicale. În anii 1960, țările industrializate, cum ar fi Statele Unite, Regatul Unit și fosta Uniune Sovietică, au utilizat pe scară largă titanul și materialele din aliaj de titan în fabricarea de aeronave și motoare de aviație. Aplicarea titanului și a materialelor din aliaj de titan în industria aviatică din China a început relativ târziu. În anii 1980, o cantitate mică de materiale din titan și aliaje de titan a fost utilizată treptat în fabricarea aeronavelor și a motoarelor de aviație. Cu toate acestea, după intrarea în secolul XXI, nivelul de aplicare a titanului și a materialelor din aliaj de titan în industria aviatică din China s-a îmbunătățit semnificativ. După aproape 40 de ani de eforturi în China, s-au înregistrat progrese semnificative în ceea ce privește microstructura aliajului, tehnologia de prelucrare, alierea și alte tehnologii. În special în ultimii 20 de ani, prin cercetarea practicilor inginerești și testele exploratorii efectuate de cercetători de la diverse institute de cercetare, producători profesioniști și universități, prelucrarea la cald a titanului și a aliajelor de titan din China a format un sistem tehnologic de procesare relativ complet.

1. Clasificarea titanului și a aliajelor de titan

Metodele de clasificare a titanului și a aliajelor de titan includ clasificarea McGellen, clasificarea coeficientului de stabilitate β și clasificarea definiției în GB/T 6611-2008. Există unele diferențe în literatura de specialitate pentru clasificarea titanului și a aliajelor de titan, dar clasificarea generală este consecventă. Iată o scurtă introducere în clasificarea McGovern. Această metodă de clasificare este metoda de clasificare a lui McGovern din 1956, în funcție de compoziția fazelor de titan și de starea de recoacere a aliajelor de titan. Inițial, titanul și aliajele de titan au fost împărțite în linii mari în trei categorii: aliaje de tip α, aliaje de tip α + β și aliaje de tip β. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea rapidă a cercetării și aplicării titanului și a aliajelor de titan, există din ce în ce mai multe tipuri de aliaje de titan, iar limitările acestei metode de clasificare clasică McGovern sunt din ce în ce mai mari. Prin urmare, descendenții au îmbunătățit pe această bază și au împărțit titanul și aliajele de titan în cinci categorii: structura de bază a titanului și a aliajelor de titan după recoacere este faza α, care se numește aliaj de tip α. Structura de bază după recoacere este faza α + faza β, dar faza α se numește în principal aliaj de tip aproape α. Structura de bază după recoacere este faza α + faza β, care se numește aliaj de tip (α + β). Structura de bază după recoacere este faza β, dar există o anumită fază α numită aliaj de tip aproape β. Structura de bază după recoacere este faza β, care este aliajul de tip β.

2. Structura titanului și a aliajelor de titan

2.1 Microstructura aliajelor de titan de tip α și de tip α + β

2.1.1. Organizația Weinstein

În general, se referă la structura de turnare a titanului și a aliajului de titan, sau la temperatura de început și de sfârșit a deformării aliajului de titan în regiunea fazei β, deformarea nu este foarte mare (în general, mai puțin de 50%), sau atunci când aliajul este încălzit până la faza β și apoi răcit încet, se va obține structura widmanstatten. Structura Widmanstatten se caracterizează prin granule β originale grosiere, iar limita clară a granulelor α este distribuită pe limita granulelor β originale. Cristalul β original este un domeniu de fascicul α lamelar, iar α lamelar este o fază β, așa cum se arată în Fig.1 (a).

2.1.2 Organizarea coșului net

Aliajul de titan se deformează în apropierea temperaturii de tranziție β sau începe să se deformeze în regiunea fazei β, dar își termină deformarea în regiunea bifazică, iar cantitatea de deformare este de 50%-80%. Structura în formă de coș este caracterizată de distrugerea limitei originale a grăuntelui β în timpul procesului de deformare; nu apare nicio limită granulară a grăuntelui α sau apare doar o cantitate mică, iar foaia α din grăuntele β original devine mai scurtă (adică raportul de aspect este mic), dimensiunea domeniului fasciculului α este mică. Clusterele sunt întrepătrunse, așa cum se arată în Fig.1 (b).

2.1.3 Organizarea mixtă

Aliajul de titan este deformat în partea superioară a regiunii bifazice sau după deformare în regiunea bifazică; este încălzit la temperatura superioară a regiunii bifazice și apoi răcit cu aer pentru a obține o structură mixtă. Structura mixtă se caracterizează prin distribuția particulelor primare α neconectate pe matricea de transformare β, iar numărul acestora este mai mic de 40% (definit ca 50% în literatura de specialitate). Există două forme de α în structura mixtă: una este reprezentată de particulele α primare echiaxate, iar cealaltă este reprezentată de banda secundară α pe matricea β transformată. Cea mai mare parte a literaturii se numește organizație cu două stări. Cu toate acestea, datorită dezvoltării unei organizații cu trei stări bazate pe organizația cu două stări în anii 1990, este mai potrivit să o numim organizație mixtă, care include o organizație cu două stări și o organizație cu trei stări. Expresia organizației cu trei state: organizație (α + α + β), caracteristici: α ≈ 10%-20%, α ≈ 60%-70%, și împletire haotică, așa cum se arată în Fig.1 (c).

2.1.4 Structura izometrică

Structura echiaxată poate fi obținută în general atunci când aliajul de titan este deformat în regiunea bifazică sub temperatura de formare a structurii bimodale (aproximativ 30-60 °C sub punctul de tranziție de fază β). Structura echiaxată este caracterizată de o distribuție uniformă a matricei α primare echiaxate cu un conținut mai mare de 40% și există o anumită cantitate de structură β. Cu cât temperatura de deformare este mai mică, cu atât densitatea de α primară și de dislocații este mai mare. Conținutul de α primar echiaxat definește în principal structura mixtă și structura echiaxată. În literatura de specialitate se definește că conținutul de α primar echiaxat este mai mare de 50%. Cu toate acestea, în prezent se recunoaște că conținutul de α primar echiaxat este mai mare de 40%, chiar mai mare de 70%-80%. Morfologia α primar echiaxat include α sferic, eliptic, în formă de măslină, în formă de tijă-martor și bandă lungă. Structura echiaxată = (α + β) = (α + α + β). Matricea de β include widmanstatten fin α, iar fundul negru dintre benzile fine este rezidual β, așa cum se arată în Fig.1 (d).

2.2 Microstructuri ale titanului și aliajelor de titan de tip α și β

Microstructura tipică a titanului de tip α și a aliajului de titan este un singur grăunte α, așa cum se arată în figura 1 (e); microstructura tipică a aliajului de titan de tip β este un singur grăunte β, așa cum se arată în figura 1 (f). Proprietățile titanului și ale aliajelor de titan sunt determinate de microstructura lor, iar microstructura titanului și a aliajelor de titan este determinată în principal de prelucrarea termică (forjare, tratament termic).

3. Forjarea titanului și a aliajului de titan

3.1 Scopul forjării

3.1.1 Îmbunătățirea microstructurii și a proprietăților

Cel mai original bilet pentru titan și aliaj de titan forjare este lingoul. În timpul proces de forjare, structura ca și turnată suferă deformări și recristalizare. Dendritele grosiere originale și grăunții columnari devin structuri recristalizate echiaxate cu grăunți fini și dimensiuni uniforme. În același timp, segregarea, porozitatea, porii și fisurile originale din lingou fac ca structura metalului să fie mai densă și îmbunătățesc plasticitatea și proprietățile mecanice ale metalului.

3.1.2 Modificarea formei și a dimensiunii

Pentru a obține specificațiile și dimensiunile necesare ale semifabricatului, este necesar să se obțină prin deformarea corespunzătoare a forjării.

3.2 Forjarea liberă a titanului și a aliajelor de titan (producția de bile)

Așa-numita forjare liberă este o metodă de forjare în care fluxul de metal nu este restricționat sau nu este complet restricționat în direcția perpendiculară la forța de deformare. Principalul avantaj al forjării libere constă în faptul că nu este nevoie de o matriță de forjare, piesele sunt puse în producție rapid, iar dimensiunea și greutatea pieselor nu sunt limitate. Dezavantajul constă în faptul că piesele forjate cu forme complexe și cerințe de precizie dimensională ridicată nu pot fi forjate, rata de utilizare a materialului este scăzută, iar eficiența producției ar putea fi mai mare. Forjarea liberă este potrivită pentru producția de piese forjate dintr-o singură bucată și de loturi mici.

Fig.1 Microstructuri tipice ale titanului și ale aliajelor de titan
Forjarea liberă a titanului și a aliajului de titan include în principal forjarea lingourilor, forjarea barelor, forjarea tablei, forjarea inelului, și forjarea de semifabricate. În producția de produse din titan și aliaje de titan, inele, piese forjate, etc. Sunt prelucrate ulterior la cald (forjate etc.) pe baza tijelor calificate. Prin urmare, producția de bare este cheia pentru producția de produse din titan și aliaje de titan.

3.2.1 Încălzirea forjării titanului și a aliajelor de titan

Titanul și aliajele de titan au caracteristicile transformării alotropice. Atunci când titanul și aliajele de titan se află în stare solidă, structura cristalină a aranjamentului atomic al acestora se va modifica odată cu schimbarea temperaturii (transformarea microstructurii). La temperatura camerei, α-Ti (faza α) a cristalului hexagonal strâns împachetat este dominantă, iar β-Ti (faza β) a cristalului cubic centrat pe corp este dominantă la temperaturi ridicate. Atunci când temperatura de încălzire depășește o anumită temperatură, α-Ti (faza α) a cristalului hexagonal închis în titan și aliaj de titan se transformă complet în β-Ti (faza β) a cristalului cubic centrat pe corp, care se numește temperatura de tranziție β (punct de tranziție de fază). Există un singur plan cristalin cu cel mai dens aranjament atomic, planul {0001}, pentru cristalul hexagonal cu pachete apropiate. Un plan de alunecare poate avea trei direcții de alunecare, astfel încât numărul de sisteme de alunecare este 1 × 3 = 3. Deoarece titanul și aliajele de titan sunt în principal α-Ti (faza α) din cristalul hexagonal cu pachete apropiate la temperatura camerei, majoritatea titanului și aliajelor de titan au performanțe slabe de prelucrare la rece. β-Ti (faza) este un cristal cubic centrat pe corp. Există șase planuri cristaline {110} cu cea mai densă dispunere a atomilor în cristalul cubic centrat pe corp; fiecare are două direcții de alunecare, astfel încât numărul de sisteme de alunecare este de 6 × 2 = 12. În cristalul cubic centrat pe corp, există 48 de planuri de alunecare principale și planuri de alunecare secundare. Prin urmare, plasticitatea titanului și a aliajelor de titan devine mai bună, iar rezistența la deformare este mult redusă după încălzirea la temperaturi ridicate, ceea ce este benefic pentru deformarea forjării.
Prin urmare, aproape tot titanul și aliajele de titan sunt forjate la cald. În timpul forjării titanului și a aliajelor de titan, din cauza structurii de turnare, a plasticității slabe, a formei prea mari a lingoului și a suprafeței mari de tensiune de deformare, acesta este în general încălzit la 100-200 °C peste temperatura de tranziție β pentru a îmbunătăți în mod eficient plasticitatea de lucru la cald și pentru a reduce foarte mult rezistența la deformare pe unitate de suprafață. În procesul ulterior de forjare, temperatura de încălzire este treptat mai mică decât cea de forjare a semifabricatului până când temperatura de tranziție β este mai mică. Metoda de prelucrare se caracterizează printr-un randament ridicat, o structură uniformă și o cerință ridicată pentru tonajul echipamentului. Cu toate acestea, unii producători de titan și aliaje de titan adoptă procesul de încălzire și deformare prin forjare direct în zona bifazică după finalizarea deschiderii buteliei. Dezavantajul acestui proces este că rata de randament este scăzută și structura este neuniformă, dar este potrivit pentru producția de echipamente mici. Procesul specific al producătorilor de produse din titan și aliaj de titan va fi diferit. Majoritatea proceselor specifice se bazează pe experiența practică și pe datele de testare acumulate de către producătorii înșiși. Din cauza plasticității slabe a structurii widmanstatten sau a structurii de coș obținute prin deformare peste temperatura de tranziție β, microstructura barelor din aliaj de titan de tip aproape α și de tip α + β este, în general, cerută să fie o structură echiaxată sau mixtă cu o plasticitate bună în majoritatea standardelor tehnice ale produselor. Prin urmare, 2-3 focuri sau chiar mai multe în etapa ulterioară de forjare a barelor din titan și aliaj de titan sunt încălzite și forjate la o temperatură de 20-60 °C sub punctul de tranziție de fază.
Conductivitatea termică a titanului este mică, fiind de 1/15 din cea a aluminiului și de 1/5 din cea a fierului. Prin urmare, este necesar să se preîncălzească biletele de titan și de aliaj de titan cu un diametru (grosime) mai mare de 300 μs la temperaturi scăzute pentru a preveni fisurarea internă a biletului. În același timp, titanul și aliajele de titan nu sunt ușor de menținut prea mult timp la temperaturi ridicate pentru a evita deteriorarea structurii. Prin urmare, atunci când se încălzesc titanul și aliajele de titan, temperatura cuptorului gol este în general ridicată la o temperatură predeterminată și apoi încălzită în butada încărcată. Timpul de menținere la încălzire a titanului și a aliajului de titan este în general calculat în funcție de grosimea de 0,5-0,8min/mm; cel mai lung timp de menținere nu depășește în general 1,2min/mm, iar starea caldă este înjumătățită. Deoarece temperatura de încălzire este sensibilă la transformarea titanului și a aliajelor de titan, forjarea titanului și a aliajelor de titan este, în general, încălzită de un cuptor cu rezistență cu o precizie de control al temperaturii de (±10-15) °C. Cu toate acestea, din cauza structurii grosiere de turnare formată prin solidificarea directă a metalului lichid, precizia controlului temperaturii cuptorului de încălzire nu este ridicată. Prin urmare, forjarea butașilor poate fi încălzită de un cuptor cu reverberație cu combustibil solid, un cuptor cu petrol, un cuptor cu gaz natural etc., dar trebuie să fie atmosfera oxidantă. 

3.2.2. Deformarea de forjare pe foc a titanului și a aliajului de titan 

The deformarea de forjare a titanului și a aliajului de titan este, în general, mai mare de 60%-75%, deformarea prin forjare a focului intermediar este, în general, controlată la 40%-75%, iar deformarea prin forjare a produsului finit este controlată la mai mult de 20%. 
Atunci când titanul și aliajele de titan sunt forjate cu un ciocan de forjare liberă cu viteză rapidă de forjare, trebuie luat în considerare efectul termic în procesul de forjare. Datorită conductivității termice slabe a titanului și a aliajelor de titan, iar temperatura este foarte sensibilă la microstructura sa, căldura de deformare a miezului barei în timpul procesului de forjare pe ciocan face ca temperatura locală a aliajului să se apropie sau să depășească temperatura de tranziție β, ceea ce duce la supraîncălzirea structurii miezului. Prin urmare, bucata nu poate fi lovită puternic în mod continuu atunci când procesul de forjare cu ciocanul este utilizat pentru produse din titan și aliaj de titan cu cerințe organizatorice și de performanță.

3.2.3 Metoda de răcire după forjarea titanului și forjarea aliajului de titan 

În procesul tradițional, metoda de răcire a titanului și a aliajului de titan după forjare este răcirea cu aer. După încălzire și deformare prin forjare la punctul de tranziție de fază, microstructura aliajului de titan de tip α apropiat și a aliajului de titan de tip α + β este o cantitate mică de fază primară α echiaxată și o cantitate mare de fază β la temperaturi ridicate. Atunci când forjarea este răcită cu aer după forjare, odată cu scăderea temperaturii de forjare, cea mai mare parte a fazei β stabile din microstructura la temperaturi ridicate se transformă treptat în faza α stabilă la temperatura camerei. Altfel spus, în timpul procesului de răcire cu aer după forjare, o cantitate mică de α primară echiaxată din microstructură crește treptat sau se agregă odată cu scăderea temperaturii. O cantitate mare de fază β de înaltă temperatură se transformă treptat în fază α de bandă și fază β reziduală odată cu scăderea temperaturii. Faza α în bandă crește treptat, se îngroașă și chiar se agregă. Acest fenomen nu este favorabil îmbunătățirii microstructurii și proprietăților. În plus, viteza de răcire între suprafața și miezul țesei este foarte diferită, iar consistența microstructurii și a proprietăților de pe țeava de cruce-secțiunea este slabă. În mod similar, pentru titanul monofazat și aliajul de titan, răcirea cu aer va face ca granulația monofazată să crească, iar consistența dimensiunii interne și externe a granulelor devine mai rea.
Având în vedere neajunsurile de mai sus, în ultimii ani, unii producători de titan și aliaj de titan au adoptat procesul de răcire cu apă după forjarea titanului și a producției de lingouri de titan și de aliaj de titan și de lingouri intermediare. După forjare, aliajul de titan apropiat de α și aliajul de titan α + β sunt răcite cu apă, care are o viteză de răcire rapidă și o subrăcire mare. Pe de o parte, o cantitate mică de α primară echiaxată în structura de înaltă temperatură nu are timp suficient pentru a se dezvolta; pe de altă parte, răcirea rapidă face ca un număr mare de faze β de înaltă temperatură să se transforme prea târziu în faze α stabile de bandă, treptat, și nu există timp pentru a face ca noile faze α de bandă să crească și să se încolăcească. Prin urmare, faza α primară echiaxată și faza α a benzii din microstructura produsă prin procesul de răcire cu apă după forjare sunt mai mici decât cele produse prin procesul de răcire cu aer după forjare. Se poate observa din experiment că răcirea cu apă după forjare poate nu numai să rafineze structura cu pliuri înalte a titanului și a aliajului de titan, ci și să rafineze structura cu pliuri joase a acestuia. Defectele cristaline (dislocații, subgranulețe) și microstructura deformată cu densitate crescută de dislocații au fost fixate complet sau parțial la temperatura camerei prin răcirea cu apă după forjare, ceea ce a crescut numărul mare de nuclee cristaline pentru recristalizare în timpul tratamentului termic ulterior. În timpul tratamentului termic ulterior, mecanismul de precipitare a fazei β s-a schimbat de la mecanismul de nucleație indusă în timpul răcirii cu aer la modul de nucleație independentă și s-au obținut benzi fine, haotice și întrepătrunse de α primar și α secundar, care ar putea îmbunătăți semnificativ rezistența. În mod similar, pentru titanul monofazat și aliajul de titan, răcirea cu apă va inhiba creșterea granulației sale monofazate, iar consistența dimensiunilor interne și externe ale granulelor este bună. 

3.2.4 Controlul fazei în aliajele de titan de tip α și α + β apropiat

Produsele de forjare liberă a aliajului de titan de tip α apropiat și a aliajului de titan de tip α + β necesită, în general, ca microstructurile lor să fie echiaxate sau amestecate, iar conținutul fazei primare α în ele este necesar. De exemplu, GJB493-88 stipulează că conținutul de α primar al barei pentru paleta de rotor nu trebuie să fie mai mic de 30%, conținutul de α primar al barei pentru paleta de stator nu trebuie să fie mai mic de 25%, iar dimensiunea benzii lungi α este necesară. Fâșia lungă α a barei pentru paleta rotorului este mai mică de 0,06 mm, iar fâșia lungă α a barei pentru paleta statorului este mai mică de 0,08 mm. De exemplu," HB5432-89 piese forjate din aliaj de titan TC4 pentru aeronave" prevede că conținutul de α primar în structura de mare mărime a pieselor forjate libere nu trebuie să fie mai mic de 15%, conținutul de α primar în structura de mare mărime a pieselor forjate în matriță trebuie să fie 15%-55%, iar banda lungă α nu trebuie să depășească 0,2 mm. De exemplu, GJB1538 stipulează că banda lungă α din țesătura de mare mărime cu un diametru mai mare de 150 nu depășește 0,25 mm. Luând ca exemplu producția de bare din aliaj de titan TC4 bifazic α + β, cheia pentru obținerea barei care îndeplinește cerințele din GJB493-88 este controlul temperaturii de încălzire a forjării și al deformării: cu cât temperatura de încălzire la forjare a produsului finit este mai apropiată de temperatura de tranziție β, cu atât numărul de α primare din microstructura aliajului este mai mic, cu atât plasticitatea este mai slabă și rezistența este mai mare; cu cât mai multe timpi de forjare și cu cât deformarea aliajului este mai mare sub temperatura de tranziție β, cu atât mai fin, mai uniform și mai aproape de forma sferică a α primare din microstructura aliajului.
Cele mai multe bare, inele, prăjituri și alte produse din aliaj de titan necesită testare cu ultrasunete. Structurile α de Widmanstatten și de tip "basketweave" sunt în formă de laturi grosiere, iar limita sa de granulație este mai evidentă. La testarea cu ultrasunete, atenuarea aliajului și nivelul de reflexie al undei de fund depășesc cu ușurință cerințele valului de defect din standard și este mai dificil să se detecteze defectele metalurgice din aliaj. Prin urmare, majoritatea standardelor tehnice nu permit ca produsele din aliaj de titan să fie livrate în aceste două stări structurale. Pentru structurile echiaxate și mixte, deformarea mare din timpul procesului de forjare face ca limita de granulație α să fie complet ruptă și sferoidizată, α primar din cristal este, de asemenea, complet sferoidizat, iar laturile secundare α devin foarte scurte. Limita de grăunți a aliajului aproape că nu mai există (cristalul neclar este prezentat în inspecția cu putere de mărire redusă). Prin urmare, atenuarea este foarte mică în timpul procesului de detectare a defectelor cu ultrasunete. Este ușor de detectat micile defecte metalurgice cerute de standard. Structura echiaxată sau mixtă este cea mai dezirabilă în producerea materialelor din titan. 

3.3 Matrițare în matriță (în apropierea tipului α și a aliajului de titan de tip α + β) 

Așa-numita forjare a matriței este metoda de forjare a semifabricatului metalic în canelura modelului de forjare. Avantajele forjării prin matrițare sunt că poate forja piese forjate cu forme complexe și o precizie dimensională ridicată, o utilizare ridicată a materialului, o eficiență ridicată a producției, proprietăți mecanice excelente și o bună stabilitate a calității, ceea ce este potrivit pentru producția de masă. Dezavantajul este că necesitatea de a utiliza cicluri profesionale de fabricare a matrițelor este lungă, iar investiția în echipamente și matrițe este ridicată.
Matrițele forjate procesează în principal piesele utilizate în industria aeronautică, astfel încât forjarea matriței din aliaj de titan este utilizată pe scară largă în industria aeronautică. Forjarea convențională α + β, forjarea aproape de β, forjarea sub β și forjarea β completă a aliajului de titan menționată adesea în diferite tipuri de literatură se referă în general la procesul de forjare a matriței finite a aliajului de titan (tip aproape de α, tip α + β). Butoaiele utilizate în procesul de forjare în matriță a produselor finite din aliaj de titan sunt, în general, butași calificați cu microstructură echiaxată sau mixtă produsă prin forjare liberă. 

3.3.1 Forjarea convențională α + β

Procesul convențional de forjare α + β a aliajului de titan din HB/Z 199-91 este definit ca fiind forjarea după încălzirea în regiunea de fază α + β sub temperatura de tranziție de fază β de 25-50 °C sau mai mică. Prin forjarea convențională se obține, în general, o structură echiaxată sau mixtă cu o plasticitate și o stabilitate termică bune la temperatura camerei, dar cu performanțe slabe la temperaturi ridicate, rezistență la rupere și rezistență la propagarea fisurilor. În prezent, piesele forjate din aliaj de titan de tip α și din aliaj de titan de tip α + β sunt produse în principal prin acest procedeu. Mai mult de 80% de piese forjate din aliaj de titan din motoarele de aviație din China sunt produse prin acest proces convențional de forjare α + β.

3.3.2 Forjarea aproape de β

Definiția procesului de forjare a aliajului de titan aproape de β în marca de navigație HB/Z 199-91 este forjarea după încălzirea la 10-15 °C sub punctul de tranziție de fază β. Piesele forjate din aliaj de titan produse prin forjarea convențională α + β au o plasticitate și o stabilitate termică ridicate la temperatura camerei, dar performanțe slabe la temperaturi ridicate, la oboseală și la rezistența la rupere. Prin urmare, în anii 1980, în fabrica Aerospace 148 s-a studiat procesul convențional de forjare α + β, procesul de forjare aproape β și procesul de forjare β a discului de compresor din aliaj de titan TC11 al motorului de avion. Microstructura obținută prin testul de forjare aproape de β este de aproximativ 20% fază primară α echiaxată distribuită pe matricea de structură de coșuri scurte, fine și dezordonate, care este o structură mixtă. Plasticitatea și stabilitatea termică a acestei structuri nu sunt mai mici decât cele ale forjării convenționale, dar performanța la temperaturi ridicate, performanța la oboseală și rezistența la rupere sunt mult îmbunătățite în comparație cu forjarea convențională și are proprietăți mecanice complete excelente. În plus, temperatura de încălzire a acestui proces de forjare este mai mare decât cea a forjării convenționale, iar rezistența la deformare a aliajului este mică, ceea ce îmbunătățește performanța de prelucrare termică. În același timp, temperatura de încălzire nu depășește punctul de tranziție β, evitându-se astfel neajunsurile forjării β. Pe baza unui test de succes, piese forjate din matrițe de disc de compresor WP13 pentru motoare de avion TC11 au fost produse de 148 de fabrici folosind un proces de forjare aproape β și instalate în mașină pentru evaluarea instalării, iar utilizarea este bună. Ulterior, Zhou et al. au efectuat cercetări aprofundate privind procesul de forjare aproape de β și au introdus tehnologia de tratament de întărire și de întărire. Structura obținută prin procedeul de forjare aproape de β a fost denumită structură cu trei stări (aproximativ 10%-20% echiaxată α, 50%-60% în formă de coș α și o marjă de transformare a matricei β). Atunci când se studiază procesul de forjare aproape β a aliajului de titan TC11, s-a constatat că această structură poate îmbunătăți performanța la temperaturi ridicate, rezistența la rupere și performanța la oboseală cu ciclu redus a materialului fără a reduce plasticitatea și stabilitatea termică și poate îmbunătăți temperatura de serviciu a materialului cu 20-50 °C.

3.3.3. Forjarea sub-β

Definiția procesului de forjare sub-β pentru titan și aliajul de titan din HB/Z 199-91 este următoarea: forjarea se efectuează după încălzirea la 10-40 °C peste punctul de tranziție de fază β, iar deformarea este complet sau în principal finalizată în regiunea bifazică α + β sub punctul de tranziție de fază β. Prin zdrobirea preferențială a limitei α, banda α din regiunea limită este echiaxată și se obține structura de tip "basketweave". Caracteristica de bază a structurii de tip "basketweave" este aceea că granița α este ruptă, iar intragranula α este de tip "basketweave", dar această structură este dificil de obținut. Acest procedeu de forjare produce, în general, piese forjate cu cerințe ridicate de rezistență la rupere. 
Discurile din aliaj de titan TC17 pentru motoare de aviație au fost produse prin procesul de forjare la cald / izotermă sub-β în China Aviation Industry Forging Factory și Baosteel Special Steel Branch (fosta Shanghai No.5 Steel Plant) și au intrat în aplicații de inginerie. Pe măsură ce conceptul de proiectare a aeronavelor se schimbă treptat, trecând de la rezistența statică pură din trecut la siguranță-viață, siguranță la avarii și chiar la conceptul modern de proiectare a toleranței la avarii, materialele avansate din aliaj de titan se dezvoltă treptat spre aliaje de titan cu toleranță la avarii, cu rezistență ridicată la rupere și rată scăzută de creștere a fisurilor. Dezvoltarea și aplicarea aliajelor de titan cu toleranță la deteriorare în Statele Unite se află în prim-plan. De exemplu, titanul utilizat în a patra generație de avioane de vânătoare F-22 din Statele Unite include în principal aliajul de titan Ti-6Al-4VELI cu rezistență medie la deteriorare și aliajul de titan Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-S cu rezistență ridicată la deteriorare. Se raportează că piesele forjate finite ale acestor două aliaje de titan sunt produse prin tehnologia de prelucrare la cald β. Începând cu "Al unsprezecelea plan cincinal", pe baza situației interne, China a dezvoltat în mod independent aliajul de titan TC4-DT cu rezistență medie la deteriorări și aliajul de titan TC21 cu rezistență ridicată la deteriorări și tehnologia de prelucrare termică β a acestora și a fost aplicat în piesele structurale de rulmenți cheie ale luptătorilor avansați.

3.3.4. Forjare β completă

Definiția procesului de forjare complet β pentru aliajul de titan din HB/Z 199-91 este că forjarea se realizează după încălzirea la 50 °C sau la o temperatură mai mare decât punctul de tranziție a fazei β, iar deformarea este complet sau în principal finalizată în zona de fază β. Rafinarea grăuntelui se realizează prin recristalizarea dinamică a fazei β și se obține structura lamelară. Microstructura produselor obținute prin acest procedeu este în cea mai mare parte o structură widmanstatten, iar plasticitatea și stabilitatea termică sunt prea slabe, astfel încât metoda de prelucrare aproape că nu este utilizată la producerea de piese forjate finite. 

3.3.5 Elemente cheie ale producției de forjare a aliajelor de titan

Similar cu procesul de forjare liberă, principalii factori de control în procesul de forjare a aliajului de titan sunt temperatura de încălzire, deformarea focului, temperatura finală de forjare și metoda de răcire după forjare. Dintre aceștia, cea mai critică este temperatura de încălzire. "HB 5355-94 forjarea procesului de control al calității" prevede că trebuie să se selecteze II-IV pentru cuptoarele de încălzire pentru forjarea titanului și a aliajelor de titan. Pentru forjarea aproape de β și forjarea sub-β, ar trebui selectate cuptoare de încălzire cu rezistență II cu o bună precizie a controlului temperaturii și uniformitate a temperaturii. Influența deformării la foc, a temperaturii finale de forjare și a modului de răcire după forjare asupra microstructurii și proprietăților pieselor forjate sub presiune este în concordanță cu cea a forjării libere menționate mai sus, care poate fi ajustată în mod flexibil în funcție de procesul specific.

4. Tratamentul termic al titanului și al aliajului de titan

4.1 Tratamentul termic al titanului de tip α și al aliajului de titan

Acest tip de titan și aliaje de titan sunt în general tratate prin recoacere obișnuită. Atunci când este necesar să se mențină efectul de întărire prin deformare la rece, se utilizează recoacerea de reducere a tensiunilor. Recoacerea de recristalizare poate fi utilizată atunci când este necesar să se restabilească plasticitatea. 

4.2 Tratamentul termic al aliajelor de titan apropiate de α și α + β 

The tratament termic a acestui tip de aliaj de titan include în principal recoacere obișnuită, recoacere dublă, călire + îmbătrânire și așa mai departe. 
Recoacerea dublă are ca scop îmbunătățirea rezistenței la rupere a aliajului, stabilizarea structurii și obținerea unei bune corespondențe între rezistență și plasticitate. În general, este adecvată pentru aliajele de titan care se lucrează la temperaturi ridicate. Scopul recoacerii secundare este de a descompune complet faza β metastabilă obținută prin recoacere primară, de a produce un anumit grad de efect de întărire prin îmbătrânire și de a obține o structură cu rezistență similară cu cea a recoacerii obișnuite, rezistență ridicată la rupere și structură stabilă la temperaturi ridicate.
Principalele caracteristici ale călirii + îmbătrânire sunt următoarele: În timpul călirii are loc o transformare martensitică, adică o transformare izomerică. Plasticitatea și tenacitatea aliajului cresc ușor, iar rezistența și duritatea scad ușor. În procesul ulterior de îmbătrânire, datorită descompunerii fazei metastabile și producerii fazei intermediare, duritatea și rezistența aliajului cresc, iar plasticitatea și duritatea scad. Să presupunem că conținutul de element β stabil în aliajul de titan nu este ridicat. În acest caz, călirea este că faza β se va transforma din rețeaua cubică centrată pe corp în rețea hexagonală prin forfecare, iar această soluție solidă suprasaturată cu rețea hexagonală se numește martensită hexagonală α'. Dacă conținutul de element stabil β în aliajul de titan este ridicat, rezistența la forfecare a rețelei este mare. În timpul călirii, faza metastabilă formată de faza β din rețeaua cubică centrată pe corp la martensita ortorombică α' se va descompune în timpul îmbătrânirii, iar α' → α + β, α' → α + β vor obține faze α și β dispersate, rezultând un efect de întărire a dispersiei. Acesta este principiul de bază al întăririi prin tratament termic (întărire prin călire și îmbătrânire) pentru majoritatea aliajelor de titan cu două faze. 

4.3 Tratamentul termic al aliajului de titan β 

Aliajul de titan de tip β este utilizat în general în stare de soluție solidă + tratament termic de îmbătrânire. Acest aliaj este mai întâi dizolvat în apropierea punctului de tranziție de fază și apoi supus unei îmbătrâniri artificiale pe termen lung la o temperatură mai scăzută. După tratamentul de îmbătrânire, o cantitate mare de fază α va fi dispersată în limita de granulație β și în interiorul granulelor din microstructura aliajului, care joacă un rol în consolidarea dispersiei și, în cele din urmă, îmbunătățește rezistența aliajului și reduce plasticitatea aliajului. 
Autor: Zhang Lijun