The Art of Precision Control: isotermisk smide och kvalitetssäkring av turbinblad
På grund av den begränsade termoplasticiteten hos TiAl-legeringen måste den smidas vid hög temperatur och mycket låg töjningshastighet. Isotermisk smidesutrustning kan ge en relativt isoterm miljö och långsam töjningshastighet. Den konventionella TiAl-bladsmideprocessen är som följer: gjutämne eller extruderad stång smids delvis till smidesämne och förbereds sedan ytterligare till försmidning, och bladet förbereds genom försmidning och slutsmidning. På detta sätt tillverkas det tyska Rolls-Royce BR715 HPC-bladet genom 3-steg isotermisk smide, och den sista delen förbereds genom värmebehandling och bearbetning (Figur 1).
Fig.1 Bladsmidningssteg (a) och bearbetade blad (b)
De i FIG. 2 är Ti45AL8NB0.65 (B, C) kompressorblad tillverkade av Thyssen Company för Rolls Royce med hjälp av rutten som visas i FIG. 2a, som har utmärkt högtemperaturhållfasthet. 2016 meddelade MTU att det smidda TNM lågtrycksturbinbladet applicerades på PW1100G-JM-motorn i flygplanet A320, och det har genomfört sin första flygning. Smidda blad av TiAl-legering visar stora tillämpningsmöjligheter, och från och med 2015 har 10,000 smidda TNM-legeringar satts samman för PW1100G-motorer. TNM-legering visar goda varmbearbetningsegenskaper, och idealisk mikrostruktur och omfattande mekaniska egenskaper erhålls genom gjutning av ämnessmidning två gånger och efterföljande värmebehandling.
Fig.2 Blad av Ti45Al8Nb0.5(B,C) tillverkade av Thyssen för Rolls-Royce
För att öka produktionseffektiviteten smiddes den strängpressade stångämnet direkt in i Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4) legerade HPC-blad från Rolls-Royce E3E-testmotorn. För att ytterligare öka utbytet och göra det mer ekonomiskt designades en form för att smida flera bladdelar (särskilt mindre kompressorblad) samtidigt. 30 identiska hålrum bearbetades på en molybdenskiva med en diameter av Φ600 mm. Utanför pressen är den nedre formen laddad med förformdelar, och hela formen och ämnet placeras i presskammaren och värms upp till smidestemperaturen för isotermisk smide. Med denna metod kan 30 blad smidas åt gången (Figur 3).
Fig.3 Form med flera försmidda delar(a) och blad efter smide(b)
Även om isotermisk smide effektivt kan lösa problemet med svår formning av TiAl-blad, eftersom formen och smidet värms upp till 1150 grader, för att förhindra temperaturförlust av delar i den långsiktiga smidesprocessen, är formen gjord av molybdenlegering med hög värmebeständighet. För att skydda formmaterialet från oxidation krävs ett vakuum eller inert gas i smideskammaren. Lågtrycksturbinbladet i TNM-legering i PW1134G-motorn är också tillverkat av isotermisk vakuumformsmidning med molybdenlegeringsform. Det tyska GKSS-forskningscentret använde den inkapslade extruderade TNB-legeringen för direkt bearbetning eller kombinerad med isotermisk smide för att göra högtryckskompressor TiAl-legeringsblad, vilket blev den huvudsakliga förberedelsemetoden för högtryckskompressor TiAl-legeringsblad.
TETSUI T et al. uppfann en ny TiAl-legering, som är uppdelad i Ti-42Al-5Mn(%, massfraktion). Tillverkningsprocessen använder traditionell varmbearbetning, där götet värms upp till 1300 grader C för värmebehandling och kyls till cirka 1200 grader C för smide eller valsning, som visas i figur 12. Denna bearbetningsmetod är densamma som den vanliga varmformen smidesformningsmetod, så att bladtillverkningsprocessen minskar den heta extruderingsprocessen för stången, minskar kostnaden avsevärt och kan tillverka större komponenter. Det smidda bladet har mycket fin mikrostruktur, vilket gör draghållfastheten mycket hög vid medel- och låg temperatur. På grund av fasens påverkan minskar dock högtemperaturhållfastheten hos denna legering avsevärt, vilket är svårt att använda för långvariga högtemperaturdelar som turboladdare, och är mer lämplig för lågtemperatur- eller kortvariga högtemperaturblad delar.
Fig.4 TiAl-legeringsblad tillverkade av Mitsubishi Heavy Industries
(a) och deras egenskaper (b)
Flerstegssimuleringen av isotermisk formsmideprocess av TiAl-legeringsblad utförs av finita elementsimulering, som effektivt kan bemästra materialreologilagen, analysera påverkan av processparametrar, optimera processen och formdesignen. Samtidigt kan den finita elementsimuleringen inte bara förkorta produktionscykeln och minska kostnaderna, utan har också en viktig vägledande betydelse för att fördjupa kunskapen om smidesformningslagen för TiAl-legeringsblad och optimera formningsprocessen för bladet. Xin Jingjing et al. använde Deform-3D finita element-mjukvara för att simulera den isotermiska smidesprocessen för blad med hög Nb-TiAl-legering och kom till följande slutsatser: Den ekvivalenta töjningsfördelningen av bladkroppen och bladets tapp i isotermisk smide är enhetlig, och med ökningen av den övre matrisens kompressionshastighet och förvärmningstemperaturen minskar den medeleffektiva kraften under deformation, vilket bidrar till uppkomsten av dynamisk omkristallisation. Smideskvaliteten hos Nb-TiAl-legeringsblad kan förbättras när pressningshastigheten för den övre dynan är 1,0 ~ 1,5 mm·s-1 och förvärmningstemperaturen är 1250 ~ 13 00 grad . Guan Hong et al. gjort Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni-blad isotermisk smide. Resultaten visar att den isotermiska smidningen av TiAl-legering i kombination med försmidning och slutsmidning är genomförbar. Uppvärmningstemperaturen för tiallegeringen är 1200 ~ 1250 grader, och provet bör skyddas av hölje för att förhindra att temperaturen faller för snabbt under överföringsprocessen. Deformationshastigheten är 0,02 ~ 0,07 mm ·s-1, och deformationen kontrolleras till 20 % ~ 40 %. Nyligen antog vårt team och AVIC Power Co., Ltd. metoden att kombinera simulering och testverifiering, erhöll lämpliga processparametrar genom Deform-3D finita element-simuleringsprogramvara och förberedde TNM-legeringsblad genom nästan isotermisk smide teknik med användning av Ni3Al-form (FIG. 5), jämförde olika tvärsnittsprofiler av blad. Prediktionsnoggrannheten för nästan isotermisk smidesprocess kan vara mer än 90 % genom simulering av finita element. Jämfört med traditionell (vakuum) isotermisk smidesprocess har den fördelarna med hög effektivitet, inget vakuum, enkel precisionsformkontroll och låg processkostnad.
Fig.5 Simulerad(a)och faktisk(b)nära-isotermisk smidd blad
För att utforska smidesprestandan hos TiAl-legering vid låg temperatur, använde WANG X et al och ZHANG H et al en finita elementmetod för att analysera den isotermiska formsmideprocessen av TiAl-legeringsblad med högt Nb-innehåll vid låg temperatur, och framgångsrikt förberedde hög NB -Tallegeringsblad med hög ytkvalitet och prestanda (FIG. 6). Under formningsprocessen av TiAl-legering kan bladets vikningsdefekter förhindras och formningskraften hos bladet kan minskas genom att optimera formen och storleken på den förformade delen. När temperaturen är lägre än 1000 grader har smidestemperaturen och töjningshastigheten liten inverkan på den slutliga fördelningen av effektiv töjning av bladet gjord av isotermisk formsmide. Med ökningen av smidestemperaturen och minskningen av töjningshastigheten minskar den slutliga effektiva spänningen hos smidesbladet och dess fördelning är gradvis enhetlig. Bladet med hög Nb-TiAl-legering preparerades framgångsrikt vid en töjningshastighet lägre än 0,01 mm·s-1 och en temperatur lägre än 950 grader, och inga makroskopiska sprickor bildades på bladet. Samtidigt har Harbin Institute of Technology utvecklat den första vakuumisotermiska varmbearbetningsutrustningen som kan realisera funktionerna för vakuumisotermisk smide och isotermisk extrudering och har använts vid framställningen av TiAl-legering isotermisk smidesdelar. Denna anordning kan inte bara användas för den isotermiska deformationen av TiAl-legering, utan har också ett viktigt tillämpningsvärde vid framställning av pulversuperlegeringsskivor.
Fig. 6 Hög Nb-TiAl-legering framställd genom isotermisk formsmideprocess med låg temperatur
TETSUI T et al. uppfann en ny TiAl-legering, som är uppdelad i Ti-42Al-5Mn(%, massfraktion). Tillverkningsprocessen använder traditionell varmbearbetning, där götet värms upp till 1300 grader C för värmebehandling och kyls till cirka 1200 grader C för smide eller valsning, som visas i figur 12. Denna bearbetningsmetod är densamma som den vanliga varmformen smidesformningsmetod, så att bladtillverkningsprocessen minskar den heta extruderingsprocessen för stången, minskar kostnaden avsevärt och kan tillverka större komponenter. Det smidda bladet har mycket fin mikrostruktur, vilket gör draghållfastheten mycket hög vid medel- och låg temperatur. På grund av fasens påverkan minskar dock högtemperaturhållfastheten hos denna legering avsevärt, vilket är svårt att använda för långvariga högtemperaturdelar som turboladdare, och är mer lämplig för lågtemperatur- eller kortvariga högtemperaturblad delar.
