Quá trình rèn Titan bao gồm những gì? Bước, Nhiệt độ & Thiết bị

Mặt bích rèn bằng hợp kim titan (TC4) dành cho hệ thống truyền động hàng hải được đặt trên bàn kiểm tra với thông số kỹ thuật rèn chỉ cho phép sai lệch nhiệt độ phôi thép 15°C trong thời gian ngâm hai giờ. Loại dung sai đó không phải là ngoại lệ trong việc rèn titan; đó là kỷ luật hoạt động bình thường. Bởi vì cấu trúc vi mô cuối cùng, tính chất cơ học và chi phí của titan phần lớn được xác định trong quá trình rèn, nên bất kỳ người mua hoặc kỹ sư nào chỉ định rèn titan đều phải hiểu chính xác quy trình bao gồm những gì.

Quá trình rèn Titan liên quan gì

Quá trình rèn titan bao gồm nung phôi hoặc phôi titan đến nhiệt độ chính xác—thường từ 850°C đến 1.050°C tùy thuộc vào hợp kim—sau đó biến dạng dẻo dưới tốc độ biến dạng được kiểm soát bằng máy ép thủy lực hoặc búa, sau đó là làm mát có kiểm soát, xử lý nhiệt và gia công.

Không giống như thép, hợp kim titan có khoảng nhiệt độ biến dạng hẹp. Nếu phôi vượt quá β-transus, các hạt β thô có thể hình thành và không thể tinh chế được bằng quá trình xử lý nhiệt tiếp theo. Nếu trời quá lạnh, ứng suất dòng chảy tăng mạnh và có thể xảy ra nứt. Đây là lý do tại sao việc rèn titan đòi hỏi phải có hệ thống điều khiển lò khép kín, phép đo nhiệt kế kỹ thuật số và máy ép có khả năng điều chỉnh tốc độ ram chính xác.

Cửa sổ nhiệt độ tới hạn để rèn titan

Việc rèn titan trước hết là một nhiệm vụ kiểm soát nhiệt. Nhiệt độ xử lý chính xác khác nhau tùy theo loại hợp kim, nhưng mỗi hợp kim titan đều có một ranh giới cứng: β-transus.

Đối với các hợp kim α-β như Ti-6Al-4V, quá trình rèn α-β được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn 30–80°C so với β-transus, thường là ở 900–980°C. Điều này tạo ra một cấu trúc vi mô lưỡng kim có độ giãn dài và khả năng chống mỏi tốt. Rèn β, phía trên transus, mang lại khả năng chống rão cao hơn nhưng độ dẻo kéo thấp hơn và chỉ được chọn cho các bộ phận quay cụ thể trong động cơ phản lực hoặc tua bin điện.

Hệ thống sưởi phải đồng đều. Độ dẫn nhiệt của titan gần bằng 1/3 độ dẫn nhiệt của thép, nghĩa là các phần dày có thể có độ dốc nhiệt độ nghiêm trọng. Thời gian ngâm thường được đặt ở mức 1 phút cho mỗi mặt cắt 25 mm, sau đó là xác minh cặp nhiệt điện trong quá trình rèn sản xuất.

Quy trình rèn Titan từng bước

Một chu trình rèn titan khuôn mở hoặc cán vòng điển hình tuân theo sáu giai đoạn có thể lặp lại, mỗi giai đoạn có rủi ro sai sót riêng.

1. Lựa chọn và điều hòa vật liệu: Phôi là một thỏi hoặc thanh cấp hàng không vũ trụ. Các khuyết tật bề mặt được loại bỏ hoàn toàn, bởi vì mọi vết nứt còn lại sẽ mở ra trong quá trình rèn.
2. Làm nóng trước: Titan được nạp vào lò nung đặt ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ rèn mục tiêu từ 50–100°C. Nó được giữ ở đó để tránh sốc nhiệt, sau đó tăng đến nhiệt độ làm việc sau một thời gian ngâm.
3. Biến dạng đầu tiên (xáo trộn hoặc chặn): Máy ép áp dụng lực nén chậm và liên tục. Mục đích là phá vỡ cấu trúc đúc và bắt đầu kết tinh lại chứ không phải để đạt được hình dạng gần như lưới.
4. Nhiều lần hâm nóng: Không giống như thép, titan không thể chịu được quá trình rèn ngoài trời trong thời gian dài. Mỗi lần vượt qua chỉ kéo dài vài giây và mảnh sẽ quay trở lại lò khi nhiệt độ bề mặt giảm xuống dưới giới hạn dưới.
5. Kiểm soát nhiệt độ khuôn và dụng cụ: Tiếp xúc với khuôn nguội sẽ tạo ra một lớp lạnh trên bề mặt titan. Trong quá trình rèn tiên tiến, khuôn được làm nóng trước đến 250–400°C và được bôi trơn bằng lớp phủ gốc thủy tinh để chống dính và chống lạnh nghiêm trọng.
6. Hình thành và cắt tỉa cuối cùng: Lần cuối cùng đưa chi tiết đến gần với kích thước cuối cùng. Đèn flash nếu có sẽ bị loại bỏ khi kim loại vẫn còn ấm và bộ phận đó được chuyển trực tiếp sang hệ thống làm mát có kiểm soát hoặc thiết bị cố định hạn chế biến dạng.

Kiểm soát thiết bị và tốc độ biến dạng

Máy ép, không phải búa, là thiết bị chính để điều khiển chuyển động rèn khuôn mở bằng titan. Máy ép có thể giữ tốc độ ram chậm, không đổi, trong khi búa tạo ra các tác động có tốc độ biến dạng cao có thể kích hoạt các dải cắt đoạn nhiệt ở titan.

Tại Maiterio Intelligence Equipment, dây chuyền rèn khuôn hở sử dụng máy ép thủy lực với tốc độ ram dưới 10 mm/s đối với titan. Đối với các bộ phận titan hình vòng, máy cán vòng tạo ra các vòng cán liền mạch với dòng chảy hạt tốt hơn so với phôi gia công dạng thanh. Sự lựa chọn giữa máy ép, búa và con lăn vòng ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô - biến dạng chậm thúc đẩy hình cầu α, trong khi biến dạng nhanh có nguy cơ gây nứt ở ranh giới hạt.

Dây chuyền rèn khuôn mở của Maiterio đã xử lý titan và các hợp kim nhiệt độ cao khác cho những khách hàng khó tính, thường kết hợp với gia công thô nội bộ để kiểm soát dung sai.

Bộ phận rèn khuôn hở cho hợp kim titan và nhiệt độ cao Nhà máy này cung cấp trục, bánh răng, đĩa và xi lanh rèn khuôn hở cho các thiết bị luyện kim, năng lượng, khai thác mỏ và xây dựng, với gia công thô nội bộ để kiểm soát dung sai. Xem sản phẩm →

Vật liệu rèn đặc biệt bằng nhôm và thép không gỉ Khám phá các sản phẩm rèn tùy chỉnh được làm từ các loại như nhôm 6061, 7075, 5083 và thép không gỉ 304, 316, 17-4PH, phù hợp cho các ứng dụng hợp kim nhiệt độ cao đòi hỏi khắt khe. Xem sản phẩm →

Xử lý nhiệt và gia công sau rèn

Sau khi rèn, các bộ phận titan không được tôi cứng như thép. Chúng được làm mát trong không khí tĩnh, sau đó trải qua một chu trình xử lý nhiệt cụ thể dựa trên hợp kim và loại độ bền mong muốn.

Đối với Ti-6Al-4V, quá trình ủ được thực hiện ở 700–850°C, sau đó làm mát bằng không khí. Xử lý dung dịch và lão hóa ở 900–960°C, sau đó là 480–600°C tạo ra độ bền cao hơn nhưng phải hy sinh một số độ bền khi gãy. Vì titan phản ứng với oxy ở nhiệt độ trên 650°C nên mọi quá trình xử lý nhiệt đều phải được thực hiện trong môi trường được kiểm soát hoặc bằng lớp phủ bảo vệ. Bề mặt không có cặn giúp duy trì độ bền mỏi của vật liệu.

Gia công vật rèn titan cũng khác với thép. Độ dẫn nhiệt thấp của kim loại tập trung nhiệt ở lưỡi cắt, dẫn đến mài mòn dụng cụ nhanh chóng. Dụng cụ cacbua có chất làm mát áp suất cao và tốc độ trục chính chậm là tiêu chuẩn. Máy tiện tiện đứng và máy tiện ngang CNC của Maiterio thường được sử dụng để hoàn thiện các vòng và trục titan tới độ nhám bề mặt Ra 0,8 µm hoặc cao hơn.

Kiểm soát chất lượng cho vật rèn Titan

Việc chấp nhận cuối cùng việc rèn titan phụ thuộc vào ba điều khiển độc lập: cấu trúc vi mô, độ bền siêu âm và tính chất cơ học.

Đánh giá vi cấu trúc sử dụng các phần kim loại được khắc bằng thuốc thử Kroll để xác minh rằng quá trình xử lý α-β không vượt qua β-transus. Kiểm tra siêu âm phát hiện các lỗ rỗng, tạp chất và vết nứt bên trong mà mắt thường không nhìn thấy được. Các thử nghiệm về độ bền kéo, va đập và độ cứng xác nhận rằng độ bền và độ dẻo phù hợp với thông số kỹ thuật của đơn đặt hàng. Ngoài ra, cần có một chuỗi truy xuất nguồn gốc được ghi chép đầy đủ từ quá trình nấu chảy phôi đến gia công cuối cùng cho các ứng dụng năng lượng và hàng không vũ trụ. Hệ thống quản lý chất lượng của Maiterio tuân theo ISO 9001 và 14001, với quy trình kiểm tra nội bộ đối với vật liệu hợp kim cao.

Câu hỏi thường gặp

Rèn titan khác với rèn thép như thế nào?

Việc rèn titan đòi hỏi phạm vi nhiệt độ hẹp hơn, tốc độ biến dạng chậm hơn, khuôn được làm nóng trước và kiểm soát khí quyển lò chặt chẽ hơn. β-transus là giới hạn trên cứng đối với hầu hết các hợp kim α-β, trong khi thép không có ranh giới độ thô hạt tương đương đối với thép cacbon và thép hợp kim thông thường.

β-transus là gì và tại sao nó quan trọng?

β-transus là nhiệt độ mà tại đó hợp kim titan trở thành pha β hoàn toàn. Nếu nhiệt độ vượt quá 10°C trong quá trình rèn có thể tạo ra cấu trúc β hoàn chỉnh biến thành các tấm α thô, làm giảm độ dẻo và tuổi thọ mỏi. Các kỹ sư quy trình đo lượng truyền tải thực tế cho từng lô thông qua phân tích nhiệt vi sai.

Vòng titan có thể được sản xuất bằng cách cán vòng không?

Đúng. Các vòng liền mạch bằng titan được cán vòng trên các máy phay hướng tâm. Quá trình này sử dụng các biện pháp điều khiển nhiệt tương tự như rèn khuôn hở, nhưng chế độ biến dạng tạo ra dòng hạt theo chu vi, điều này có lợi cho các vòng bi và mặt bích chịu ứng suất vòng.

Những bước hoàn thiện nào là cần thiết cho quá trình rèn titan?

Quá trình mài sẽ loại bỏ vỏ α giàu oxy và quá trình gia công sẽ loại bỏ mọi cặn bẩn hoặc quá trình khử cacbon còn lại. Sau đó, các bộ phận được xử lý nhiệt, làm thẳng nếu cần và kiểm tra bằng chất thẩm thấu thuốc nhuộm hoặc kiểm tra siêu âm trước khi nghiệm thu.