Analyse du processus de forgeage des alliages en titane dans l'industrie de l'aviation

Avec le développement rapide de l'économie nationale et de la science et de la technologie de la Chine, l'industrie aérospatiale a connu de nouvelles opportunités ces dernières années, en particulier après la création du projet national "grand avion". L'industrie de la fabrication de l'aviation civile deviendra un nouveau moteur de croissance économique à la tête du développement de l'économie nationale, avec de larges perspectives de développement. Pour améliorer continuellement l'avancement, la fiabilité et l'applicabilité des avions et augmenter la compétitivité du marché international des avions produits au niveau national, les exigences de sélection des matériaux aérospatiales deviennent de plus en plus strictes. Les alliages de titane sont devenus le principal matériau des composants structurels des avions modernes en raison de leur faible densité, de leur faible résistance et de leur excellente résistance à la chaleur et à la corrosion. Parmi eux, TC4 (TI-6AL-4V) et TB6 Titanium Alliages Forgings sont largement utilisés dans la fabrication aérospatiale.

Classification des alliages de titane et des techniques de forge
Sur la base de la microstructure à température ambiante, les alliages de titane peuvent être classés en trois types: alliages α, alliages α + β et alliages β. La plasticité chaude et la vitesse de déformation des alliages α et α + β ne sont pas significativement affectées, tandis que les alliages β ont une bonne pardon mais peuvent provoquer des précipitations de phase α à de basses températures. Les techniques de forgeage des alliages de titane peuvent être classées en forgeage conventionnel et en forgeage à haute température, en fonction de la relation entre la température de forgeage et la température de transformation β.

2.1 Forging conventionnel des alliages de titane

Les alliages de titane déformables couramment utilisés sont généralement forgés sous la température de transformation β, appelée forgeage conventionnel. Selon la température de chauffage de la billette dans la région de phase (α + β), il peut être divisé en forge à deux phases supérieures et forgeant la région biphasée inférieure.

2.1.1 Forge de région en deux phases inférieure

Le forgeage à deux phases plus faible est généralement réalisé à 40 à 50 ° C en dessous de la température de transformation β, où les phases α et β primaires sont impliquées simultanément dans la déformation. Des températures de déformation plus faibles entraînent une quantité plus élevée de phase α participant à la déformation. Par rapport à la déformation dans la région β, le processus de recristallisation de la phase β est significativement accéléré dans la région biphasée inférieure, conduisant à la formation de nouveaux grains β non seulement aux frontières des grains β d'origine mais également dans l'intéritude β entre les lamelles α. Les pièces forgées produites en utilisant ce processus présentent une forte résistance et une bonne ductilité, mais il y a toujours un potentiel pour améliorer la ténacité des fractures et les performances de fluage.

2.1.2 Forge de région en deux phases supérieure

Cette technique implique le forgeage initial à des températures 10-15 ° C sous le point de transformation de phase β / (α + β). La microstructure résultante contient une proportion plus élevée de structure de transformation β, ce qui améliore la résistance au fluage et la ténacité de fracture de l'alliage de titane, saisissant un équilibre entre la plasticité, la résistance et la ténacité.

2.2 Forging à haute température des alliages de titane

Également connu sous le nom de «forge β», il peut être divisé en deux types: le premier type implique de chauffer la billette dans la région β, de démarrer et de terminer le processus de forgeage dans la région β, tandis que le deuxième type, connu sous le nom de «forge β sous β», implique de chauffer la billette dans la région β, initiant le forgeage dans la région β et de contrôler une déformation significative dans la région à deux phases. Par rapport à la forge de la région biphasée, le forgeage β peut atteindre une résistance au fluage plus élevée, une ténacité de fracture et une amélioration des performances de fatigue des alliages de titane.

2.3 Forgage de dépérisation isotherme des alliages de titane

Cette technique utilise la superplasticité et les mécanismes de fluage du matériau pour produire des pièces forgées complexes. Il nécessite de préchauffer la matrice et de le maintenir dans une fourchette de 760-980 ° C, la presse hydraulique appliquant une pression prédéterminée, et la vitesse de travail de la presse étant automatiquement ajustée en fonction de la résistance à la déformation de la billette. De nombreux pièces forgées utilisées dans les avions ont des murs minces et des côtes hautes, ce qui rend cette technique adaptée à la fabrication aérospatiale, telles que le processus de forgeage de la précision de précision isotherme pour l'alliage de titane TB6 produit au pays.

Analyse des défauts de forgeage TC4 et de l'amélioration des processus
3.1 Occurrence et analyse des défauts de forge TC4

Lorsqu'une certaine usine a effectué une production d'essai de forgeage TC4 suivant la norme de l'aviation, plusieurs indicateurs de performance des formes ne se sont révélés pas qualifiés, en particulier l'indicateur de "fracture de contrainte encoche" étant inférieure à 5 heures. Pour résoudre ce problème, l'analyse a commencé avec la structure métallographique de TC4, puis a exploré les raisons du processus de forgeage.

3.1.1 Caractéristiques métallographiques de TC4

L'alliage de titane TC4 est un alliage de titane α + β avec la composition de TI-6AL-4V. Sa microstructure recuite se compose de phases α + β, contenant 6% d'aluminium comme un élément stabilisant α, et la phase β est renforcée par le renforcement de la solution solide, ce qui entraîne une petite quantité de phase β dans la structure recuite, environ 7 à 10%.

La proportion, les propriétés et les formes de phases de base α et β dans l'alliage TC4 varient considérablement sous différents traitements thermiques et conditions de travail à chaud. La température de transformation β de l'alliage TC4 est d'environ 1000 ° C. Le chauffage TC4 à 950 ° C, puis le refroidissement par air entraîne une structure de transformation α + β primaire. Le chauffer à 1100 ° C, puis le refroidissement par air conduit à une structure de phase β entièrement transformée entièrement transformée, connue sous le nom de structure Widmanstätten. Le chauffage et la déformation simultanés ont un effet plus prononcé; Si TC4 est chauffé au-dessus de la température de transformation β mais subit une petite déformation, il forme la structure de Widmanstätten. Dans ce processus, la plasticité et la ténacité à impact diminuent, mais la résistance au fluage s'améliore. Si la température de déformation initiale est supérieure à la température de transformation β mais avec une déformation suffisante, elle forme une structure de maillage. Dans ce cas, la phase α délimitée par les limites des grains β est brisée, et la phase α lamellaire est déformée, ressemblant à une structure à grain fin équiaxé avec une meilleure plasticité, une ténacité à impact et des performances de fluage à haute température. Si la température de chauffage est inférieure à la température de transformation β et que la déformation est suffisante, elle se traduit par une structure équiaxée, présentant des propriétés globales de bonnes propriétés, en particulier la plasticité et la ténacité à impact. Si la déformation est suivie d'un recuit à haute température dans la région de phase α + β, une structure mixte avec de bonnes propriétés complètes est obtenue.

Sur la base de l'analyse ci-dessus des structures métallographiques, on peut en déduire que la diminution des performances de TC4 peut être causée par deux facteurs dans le processus de forge:

La température de chauffage est trop élevée, atteignant ou dépassant la température de transformation β.
Le degré de déformation du forge est insuffisant.
3.1.2 Analyse du processus de forge TC4

La température de forgeage affecte la taille des grains β et les propriétés de la température ambiante des alliages de titane α + β. À mesure que la température augmente au-dessus de la température de transformation β, la taille des grains β augmente, tandis que l'allongement et le rétrécissement transversal diminuent, conduisant à une plasticité réduite. Pour s'assurer que les pièces forgées TC4 ont de bonnes propriétés complètes, le forgeage doit être effectué en dessous de la température de transformation β. Les alliages de titane ont une résistance à une forte déformation mais une mauvaise conductivité thermique. Pendant le forgeage, un flux sévère et un martelage lourd peuvent provoquer une surchauffe localisée et une recristallisation, entraînant un grossissement des grains et une diminution des performances. D'après l'analyse ci-dessus, les raisons possibles des performances de forge TC4 non qualifiées peuvent être déterminées préliminairement comme suit:

La température de chauffage du lot de billettes est trop élevée, dépassant le point de transformation β.
L'impact de forge unique est trop lourd, provoquant une déformation excessive et entraînant une surchauffe locale et un reristau