میلگرد تیتانیوم گرید 1، میلگرد تیتانیوم گرید 2، میلگرد تیتانیوم گرید 5، فورجکاری تیتانیوم

آهنگری (Forging) و شکل دهی تیتانیوم (فصل پنجم)

تاريخ:يازدهم خرداد 1398 ساعت 14:50   |   کد : 104

فرآیندهای تولید نظیر آهنگری در قالب، شکل­ دهی گرم و سرد، ماشین­کاری، کار شیمیایی، اتصال­ دهی و گاهی اکستروژن همگی فرآیندهای تولید ثانویه به کار رفته برای تولید قطعات نهایی از محصولات اولیه  می­ باشند. هر یک از این فرآیندها ممکن است شدیدا بر خواص تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم به تنهایی یا با برهم­ کنش با فرآیندی که فلز قبلا دست خوش آن شده است تاثیر بگذارند. ماشین­کاری، اتصال­ دهی و کار شیمیایی در فصول آینده پوشش داده می ­شود. این فصل به فورج­ کاری و شکل­ دهی تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم اختصاص یافته است. شکل­ دهی راه اصلی استخراج اشکال از ورق نازک یا ضخیم است.

نکات کلی. قطعات فورج­ شده آلیاژهای تیتانیوم همگی توسط روش­های کنونی فورج­ کاری انجام می­ شوند. این روش­ ها شامل فورج­ کاری در قالب باز، در قالب بسته و چرخشی می ­باشد. انتخاب روش بهینه فورج­ کاری برپایه شکل دلخواه برگزیده ­شده برای قطعه و نیز خواص مکانیکی و میکروساختار دلخواه (که عمدتا خواص پس از تنظیم ترکیب آلیاژ را تعیین می­ کند) بستگی دارد. عملیات­ های فورج­ کاری متوالی ممکن است برای حصول نتایج دلخواه لازم باشند. برای نمونه، فورج­ کاری blocker-type ممکن است برای انجام مرحله لازم برای فورج­ کاری نهایی مرسوم در قالب بسته یک قطعه لازم باشد. یکی از اهداف اصلی فورج­ کاری- علاوه بر  کنترل شکل- دست­یابی به ترکیبی از خواص مکانیکی است که معمولا در میله یا بیلت وجود ندارد. استحکام کششی، مقاومت به خزش، استحکام خستگی و چقرمگی همگی ممکن است در قطعات فورج­ کاری­ شده بهتر از میله یا سایر اشکال باشند.

آلیاژهای تیتانیوم به شکل­ های کارشده مختلفی برای کاربردهای متفاوت بویژه در حوزه هوافضا فورج­ کاری می­ شوند. فورج­ کاری در این حوزه معمولا با استفاده از قالب انجام می­ شود. هرچند فورج­ کاری آلیاژهای تیتانیوم دشوار است اما به دشواری فلزات دیرگداز و سوپرآلیاژها نیست. پیشینه کار و پارامترهای فورج­ کاری بکار رفته در فورج­ کاری آلیاژهای تیتانیوم تاثیر زیادی بر میکروساختار و خواص قطعات نهایی دارد. متعاقبا، فورج­ کاری متوالی و عملیات ­حرارتی بعد از آن را می­ توان برای کنترل میکروساختار و خواص نهایی محصول بکار برد. در تولید قطعات فورج­کاری­ شده تیتانیوم، شکل­ های غالب بکار رفته، بیلت و میله هستند که توسط فرایندهای کارگرم اولیه تولید شده ­اند. به ندرت، شمش آلیاژی تیتانیوم  بطور مستقیم به شکل قطعات نهایی فورج می ­شود. حتی در این صورت نیز، فورج­ کاری چند مرحله ­ای برای ریزسازی ساختار شمش استفاده می­ شود. الزامات مربوط به فورج­ کاری معمولا توسط فورج­ کننده تعیین می­ شوند یا توسط مذاکره با تامین­ کننده فلز و مشتری نهایی قطعه فورج­­ شده تعیین می­ گردند.

آماده ­سازی سطح بیلت یا شمش آلیاژ تیتانیوم مهم است. آماده­ سازی مناسب نه تنها برای عملکرد رضایت­بخش ماده در فورج­ کاری بعدی بلکه برای تست غیرمخربی که غالبا روی قطعه فورج­ انجام می ­شود نیز بعنوان بخش مهم اطمینان از کیفیت کلی قطعه ضروری است.

دمایی که قطعه فورج­ کاری­ شده تیتانیومی در معرض آن قرار می­ گیرد نیز علاوه بر میکروساختار و خواص مکانیکی نهایی قطعه برای مشخصات تیتانیوم فورج ­شده مهم است. محدود کردن آلیاژهای تیتانیوم در قرارگیری در معرض دماهای بالا برای جلوگیری از تشکیل پوسته و کمینه ­سازی تشکیل پوسته آلفا بدلیل برهم­کنش با عناصر بین­ نشین اکسیژن و نیتروژن، مفید است.

برای هر آلیاژ تیتانیوم معین، الزامات فشار برای فورج­ کاری در یک محدوده وسیع متغیر است که به ترکیب واقعی آلیاژ، فرایند فورج­ کاری بعلاوه دما، نرخ کرنش و دیگر عوامل فرایند فورج­ کاری وابسته است. شکل 5-1 تفاوت تنش سیلان مربوط به تیتانیوم CP و برخی آلیاژها را نشان می­ دهد. به تنش بسیار بالاتر لازم برای تعییرشکل اساسی تیتانیوم و آلیاژهای آن در مقایسه با فولاد توجه کنید.

شکل 5-1 تنش سیلان برخی آلیاژهای مرسوم تیتانیوم در مقایسه با فولاد (AISI 4340).

الزامات مربوط به فشار فورج­ کاری به تنش سیلان مربوط هستند و مطابق با رفتار تنش سیلان فلزات با دما تغییر می­ کنند (شکل 5-2).

شکل 5-2 تاثیر دمای فورج­ کاری بر فشار فورج­کاری مربوط به برخی آلیاژهای تیتانیوم و فولاد (AISI 4340).

فورج­ کاری در قالب. هنگامی که حجم و/یا اندازه ماده، استفاده از قالب­های بسته را برای یک کاربرد خاص تضمین نمی­ کند فورج­کاری در قالب باز برای تولید برخی شکل­ های تیتانیومی بکار برده می ­شود. اما فورج­ کاری در قالب بسته برای ایجاد بالاترین مقدار آلیاژهای تیتانیوم فورج ­شده بکار می­ رود. فورج­ کاری در قالب بسته را می­ توان بعنوان blocker type (مجموعه تک ­قالب)، متداول (مجموعه دو یا چند قالب) یا high definition (مجموعه دو یا چند قالب) دسته ­بندی کرد. فورج­کاری در قالب دقیق نیز انجام می­ شود که در آن معمولا از روش­های فورج­کاری قالب داغ/هم­دما استفاده می ­شود. قطعات فورج ­شده در قالب بسته هزینه بیشتری نسبت به blocker type دارند اما بدلیل هزینه کمتر ماشین­کاری و کنترل بهتر خواص، افزایش قیمت توجیه ­پذیر است. قالب­ های بکار رفته قطعات فورج ­شده تیتانیومی برای تسهیل فرایند فورج­ کاری و کاهش سردی سطح و اتلاف دمای فلز حرارت می ­بینند که می­ تواند منجر به پرشدن ناکافی قالب و/یا ترک­ خوردگی بیش ­ازحد قطعه فورج­ شده می­ شود. فورج­کاری در قالب داغ/هم­دما باعث بردن دمای قالب به سطوح بالاتر می ­شود.

فورج­ کاری، بیش از یک فرایند شکل­ سازی است. کلید موفقیت در فورج­ کاری و عملیات­ حرارتی، دمای تحول بتاست. اساسا دو روش عمده برای فورج­ کاری آلیاژهای تیتانیوم وجود دارد:

  • فورج­ کاری آلیاژ غالبا در زیر دمای تحول بتا
  • فورج­ کاری آلیاژ غالبا در بالای دمای تحول بتا

در این روش­ها برای حصول خواص دلخواه در آلیاژهای تجاری می ­توان تغییراتی را انجام داد. در آلیاژهای کاملا پایدارسازی­ شده بتا، کنترل فاز آلفا با تغییر پارامترهای فورج­ کاری مسئله ­ای محسوب نمی­ شود. آلیاژهای کاملا پایدارسازی­ شده بتا معمولا در بالای دمای تحول بتای آلیاژ فورج می­ شوند. آلیاژهای آلفا، شبه ­آلفا و آلفا- بتا غالبا توسط تغییراتی در فرایند فورج­ کاری (و عملیات­ حرارتی) اصلاح می­ شوند.

فورج­ کاری­ متداول آلفا- بتا به بهترین شیوه به این شکل تعریف می­ شود که یک فرایند فورج­ کاری­ ای است که در آن، کل تغییرشکل یا بیشتر آن در زیر دمای تحول بتا انجام می­ شود. فازهای آلفا و بتا همیشه در میکروساختار وجود خواهند داشت. مقادیر نسبی هر فاز موجود در حین فرایند فورج­کاری، تابعی از فاصله دمایی از دمای تحول­ بتاست. ساختارهای ناشی از فورج ­کاری آلفا- بتا توسط فاز آلفای تغییرشکل ­یافته یا هم ­محور اولیه (آلفای موجود در حین فرایند فورج­ کاری) و فاز بتای استحاله­ شده مشخص­ می­ شوند.

شکل 5-3 موقعیت ­های ممکن برای دمای فورج­ کاری در قالب و/یا دماهای عملیات­ حرارتی یک آلیاژ آلفا-بتا نظیر Ti-6Al-4V را بطور تصویری نشان می­ دهد. هرچه دمای فراوری در ناحیه آلفا+بتا بیشتر باشد بتای بیشتری برای استحاله در تبرید موجود خواهد بود. در کوئنچ از بالای دمای تحول بتا، یک ساختار کاملا استحاله­ شده سوزنی پدید می­ آید. شکل دقیق آلفای گلبولی (هم ­محور) و ساختارهای بتای استحاله ­شده ایجاد شده توسط فراوری به موقعیت دقیق تحول بتا که در یک آلیاژ معین، از یک نوبت به نوبت دیگر متفاوت بوده و نیز به میزان و ماهیت تغییرشکل ایجادشده علاوه بر نرخ تبرید بستگی دارد. دماهای حقیقی فورج­ کاری بکار رفته برپایه تجربه و میکروساختار مطلوب تعیین می­ شوند. جدول 5-1 دماهای پیشنهادی برای تعدادی از آلیاژهای تیتانیوم آلفا، آلفا- بتا و بتای فورج ­شده را نشان می ­دهد. بعنوان یک راهنمای کاری، دماهای تحول بتا منهای °C 28 (°F 50) برای قطعات فورج ­­شده و دمای تحول بتا بعلاوه °C 42 (°F 75) پیشنهاد می­ شوند. فورج­کاری در قالب سوپرپلاستیک هم­دما را می­ توان در دماهایی متفاوت از این پیشنهاد­ها انجام داد.

شکل 5-3 نمودار فازی بکار رفته برای پیش­ بینی نتایج فورج­ کاری یا فرایند عملیات­ حرارتی.

فورج­ کاری بتا یک روش  فورج­ کاری است که در آن، تغییرشکل آلیاژ در بالای دمای تحول بتا انجام می­ شود. در عملیات تجاری،  فورج­ کاری بتا در حقیقت شامل تغییرشکل اولیه در بالای دمای تحول بتاست اما پرداخت نهایی با مقادیر کنترل­ شده تغییرشکل در زیر دمای تحول بتای آلیاژ انجام می­ شود. در فورج­ کاری بتا، بدلیل دمای بالا و تغییرشکل دانه­ های جدید توسط تبلور مجدد تاثیرات کار مکانیکی (تغییرشکل) ضرورتا انباشته نمی­ شوند زیرا در هر مرتبه، دمای تحول بتا در  فورج­ کاری افزایش می­ یابد. فورج­ کاری بتا بویژه  فورج­ کاری آلیاژهای آلفا و آلفا- بتا منجر به کاهش­های محسوس در فشارهای فورج­ کاری و تمایل کمتر به ترک­ خوردگی بیلت در حین فورج­ کاری می­ شود. از طرف دیگر، کار مکانیکی غیریکنواخت، رشد دانه بیش­ از حد و/یا ساختارهای کارشده ضعیف که منجر به خواص مکانیکی بسیار متغیر می­ شوند می­ توانند ناشی از اجرای نامناسب  فورج­ کاری بتا باشند.

جدول 5-1 محدوده­ های دمایی پیشنهاد شده برای آلیاژهای تیتانیوم فورج ­کاری­ شده

اندازه مقطع در فورج­ کاری در قالب مهم است و تعداد عملیات­ های مکانیکی نیز با اهمیت است. فورج­ کاری معمولی در قالب ممکن است به دو یا سه عملیات مکانیکی نیاز داشته باشد درحالی­که فورج­ کاری همدما ممکن است فقط به یک مورد عملیات نیاز داشته باشد. طرح واره­ نشان ­دهنده توالی عملیات­ حرارتی در شکل 5-4 نشان داده شده است. عملیات­ حرارتی انحلالی فرصتی برای اصلاح میکروساختار فراهم می­ کند درحالی­که چرخه پیرسازی، ساختارهای بتای استحاله­ شده را برای یک پراکندگی بهینه اصلاح می­ نماید.

شکل 5-4 طرح واره یک فورج­ کاری متداول در قالب و عملیات­ حرارتی پس از آن برای ایجاد یک ساختار آلفا- بتا

ساختارهای نامطلوب (آلفا در مرزدانه، رگه بتا، اسپاگتی یا آلفای کشیده­ شده) می­ توانند با در تکامل خواص بهینه تداخل ایجاد کنند. متعاقبا، کنترل میکروساختاری برای فراوری موفقیت­ آمیز آلیاژهای تیتانیوم ضروری است.

ساختارهای شمش تیتانیوم می ­توانند به محصول نهایی منتقل شوند. فراوری بتا، علیرغم اثرات مخرب آن بر خواص مکانیکی می ­تواند از قیمت قطعه فورج ­­شده بکاهد درحالی­که  فورج­ کاری همدما باعث کاهش فشارهای  فورج­ کاری و/یا بهبود پرکنندگی قالب می­ شود. فورج­کاری بتای همدما در تولید قطعاتی با مقاومت خزشی بالاتر از آلیاژهای تیتانیوم بکار می ­رود. برخی آلیاژها در دهه­ های پایانی قرن بیستم با هدف انجام  فورج­ کاری بتا برای پیشرفت مطلوب در خواص مکانیکی نهایی مورد نظر توسعه یافتند (فصل 12 بحث بیشتری درباره تاثیرات  فورج­ کاری بر خواص ارائه می ­دهد).

بازگرمایش آلیاژهای تیتانیوم آلفا- بتا پس از کار گرم می­ تواند بطور قابل توجهی میکروساختار را تغییر دهد. توجه کافی به تحول صحیح میکروساختار در طی مراحل عملیات­ حرارتی لازم است. میکروساختارهای ظاهرا مشابه ممکن است باعث سطوح یکسانی از خواص مکانیکی نشوند. عملیات­ حرارتی انحلالی و پیرسازی ساختارهایی که روی آنها کار انجام نشده یا کار انجام ­شده کافی نبوده باعث استحکام یا چقرمگی بهینه در آلیاژهای تیتانیوم نخواهد شد.

تاثیرات فراوری­های مختلف ترمومکانیکی بر خواص مکانیکی و ساختارهای آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا نظیر Ti-6Al-4V، Ti-6Al-6V-2Sn-4Zr-6Mo را می­ توان برای تشریح تاثیرات این فراوری­ها بر خواص بکار برد. جدول 5-2 چهار فرایند ترمومکانیکی را که باعث ترکیبات بهینه ­ای از خواص یعنی استحکام کششی عالی، استحکام خستگی شیاری، استحکام خستگی چرخه ­ای و چقرمگی شکست خوب تا عالی در قطعات فورج ­­شده آلیاژ آلفا-بتای Ti-6Al-4V شد خلاصه می­ کند. هم­چنین در این جدول، سه فرایندی که باعث خواص کمتر از معمول شدند آمده است.

جدول 5-2 فرایندهای ترمومکانیکی برای ایجاد ترکیباتی مختلف از خواص در یک آلیاژ تیتانیوم آلفا- بتا (Ti-6Al-4V)

میکروساختارهای Ti-6Al-4V نشان­ داده­ شده در شکل 5-5 مربوط به فرایندهایی که ترکیب­ هایی مناسب از خواص و نیز دو فرایند که ترکیباتی نامناسب از خواص ایجاد کردند می­ باشند. توجه کنید که تقاوت محسوس در میکروساختار در محصول نهایی یکسان در ترکیب با خواص حاصل نشان می­ دهد که کنترل فراوری ترمومکانیکی می ­تواند میکروساختارها و خواص نهایی مربوطه قطعات فورج­ شده را کنترل کند.

شکل 5-6 نتایج یک مطالعه گسترده روی فورج­ کاری آلفا- بتا را به­ ازای فورج­ کاری مربوط به چند آلیاژ تیتانیوم نشان می ­دهد. هرچند استحکام تسلیم پس از فورج­ کاری بتا همواره به میزان مقدار استحکام تسلیم پس از فورج­ کاری آلفا- بتا نبود اما مقادیر استحکام کششی شیاری و چقرمگی شکست مربوط به ماده فورج ­شده بتا بدون هیچ تناقضی بالاتر بود.

آلیاژهای فورج ­شده بتا تمایل به داشتن یک میکروساختار بتای استحاله ­شده یا سوزنی دارند که در آن، آلیاژهای آلفا-بتای فورج­ شده یک ساختار هم­ محور نشان دهند. این ساختار هم ­محور در شکل 5-5 الف نشان داده شده است. هر نوع میکروساختار دارای مزایا و معایبی است (بعنوان نمونه سوزنی در برابر هم ­محور) چرا که هر ساختار قابلیت­ های خاص خود را داراست. جدول 5-3 مزایای نسبی میکروساختارهای هم ­محور و سوزنی را نشان می­دهد.

شکل 5-5 میکروساختار مربوط به ترکیبات خواص حاصل از فورج­ کاری یک آلیاژ تیتانیوم آلفا- بتا (Ti-6Al-4V).

الف- 6درصد آلفای هم­ محور بعلاوه آلفای پلاکتی ریز در آلفا- بتایTi-6Al-4V فورج ­شده و آنیل ­شده در °C 705 (°F 1300) بمدت 2 ساعت

ب- ازدیاد طول­ یافته به میزان 23 درصد، آلفای اولیه بطور جزئی شکسته ­شده بعلاوه آلفای مرزدانه ­ای در Ti-6Al-4V، آلفا- بتای فورج ­شده و کوئنچ­ شده در آب و سپس آنیل­ شده در °C 705 بمدت 2 ساعت و خنک­ کاری­ شده در هوا

ج- صفحات آلفای (اسپاگتی) توده ­ای به میزان 25 درصد بعلاوه آلفای پلاکتی بسیار ریز در Ti-6Al-4V آلفا- بتای فورج ­شده از یک ساختار اولیه و بعد از آن عملیات انحلالی ­شده بمدت 1 ساعت و °C 955 (°F 1750) و بازآنیل­ شده بمدت 2 ساعت در °C 705

د- ساختار سبدی- موجی در  بتایTi-6Al-4V فورج­ شده و سپس آهسته سردشده و بعد از آن، آنیل­ شده در °C 705 بمدت 2 ساعت.

شکل 5-6 مقایسه خواص مکانیکی بدست آمده در آلیاژهای تیتانیومی شبه ­آلفا، آلفا- بتا و بتای فورج ­شده.

جدول 5-3 مزایای نسبی میکروساختارهای آلیاژ تیتانیوم هم­ محور و سوزنی

فورج­ کاری در قالب دقیق.  روش جایگزین فورج­ کاری در قالب برای تیتانیم شامل استفاده از روش­های فورج­ کاری هم دمای دقیق (گاهی سوپرپلاستیک) می­ شود. روش­ های فورج­ کاری دقیق باعث تولید شکلی از محصول می ­شود که به ماشین­کاری بسیار کمتری برای دست­یابی به ابعاد نهایی قطعه نیاز دارد. تیتانیوم فورج­ کاری­ شده دقیق یک عامل برجسته در استفاده از تیتانیوم در حوزه­ های هواپیما و توربین­های گازی است. بیشتر تیتانیوم فورج­ کاری­ شده دقیق به شکل محصول نزدیک به شکل نهایی (NNS) تولید می ­شود بدان معنا که قطعه فورج­ شده به ابعاد نهایی نزدیک است اما به مقداری ماشین­کاری نیاز دارد.

فورج­ کاری هم دما فرایندی است که در آن، ماده فورج­ شده در شرایط دمای ثابت نگهداری شده و در نتیجه دستخوش نوسانات دمایی گرمایش و تبرید نمی ­شود. این نوسانات دمایی در فورج­ کاری معمولی چندین مرتبه تجربه می­ شوند. پرس­های فورج ­کاری مشابهی با فورج­ کاری در قالب معمولی ممکن است کار روند هرچند ممکن است پرسی نیز به فورج­ کاری هم دما اختصاص یابد. اما در قالب­های بکار رفته تفاوتی وجود دارد. مواد بلوک قالب همواره یک چالش در توسعه فرایندهای فورج­ کاری هم دما بحساب می­ آمده­ اند. فورج­ کاری هم دما را می­ توان در حوزه آلفا- بتا یا فاز بتا انجام داد. میکروساختارها را می­ توان کاملا بدقت کنترل کرد. در نتیجه، یکنواختی خواص باید بهتر خواص حاصل از فورج ­کاری معمولی باشد. ظهور آلیاژهای بتا و شبه ­پایدار بتا با قابلیت فورج ساده ­تر (نظیر Ti-10V-2Fe-3Al) به تبدیل­ شدن فورج­ کاری دقیق NNS هم دمای آلیاژهای تیتانیوم به یک فرایند مرسوم کمک کرد که البته برای آلیاژهای مناسب با هزینه بالاتری انجام شد.

مفهوم NNS پایه انگیزشی برای فرایند فورج­ کاری هم دما بوده است. این به معنای میل برای کمینه ­سازی مقدار ماشین­کاری پرهزینه­ ای است که باید برای تولید قطعه پرداخت ­شده انجام شود. هم­چنین به معنای میل برای نداشتن هزینه ­ای تحت نام مواد قراضه یا تراشه است. هرچند فورج­ کاری هم دمای آلیاژ آلفا- بتا آسان است اما هزینه فرایند و ابزارها، شکست ناگهانی قالب و سایر مشکلات مربوط به دماهای بالای فرایند باعث ایجاد ترکیبی برای کمینه ­سازی استفاده از آن در آلیاژهای آلفا- بتای مرسوم شده است. آلیاژهای آلفا- بتای برگزیده نظیر Ti-6Al-4V و Ti-6Al-6V-2Sn به شکل NNS تولید می­ شوند.

هرچند در ابتدا فورج ­کاری هم دما به ماده بیلت اعمال می­ شد اما اکنون این فرایند به شمش­ها P/M یا پیش ­شکل­ها نیز اعمال شده است.(یک پیش­ شکل، عبارتست از یک شکل تثبیت ­شده حاصل از P/M که دارای شکلی طراحی­ شده تقریبا شبیه به شکل نهایی برای بیشینه­ سازی قابلیت پرکردن قالب در فرایند فورج­ کاری و برای کمینه­ سازی فشارها و ماده اضافی است.)

شکل ­دهی

نکات کلی. شکل­ دهی تیتانیوم دشوارتر از فولاد یا آلیاژهای آلومینیوم است و آلیاژهای تیتانیوم نسبت به فولاد یا آلیاژهای آلومینیوم دارای مشخصات شکل­ دهی با قابلیت پیش ­بینی کمتری هستند. اما تا زمانی­که محدودیت­های مشخص درباره آلیاژهای تیتانیوم شناخته شوند و دستورالعمل­های ایجادشده برای شکل­دهی داغ و سرد پیروی شوند، تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم را می ­توان با موفقیت به شکل قطعات پیچیده شکل ­دهی کرد.

تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم را در ماشین­های استاندارد تا تلرانس­هایی شبیه به تلرانس­های حاصل در شکل ­دهی فولاد ضدزنگ می­ توان شکل­ دهی کرد. چون تیتانیوم میزان زیادی بازگشت در شکل ­دهی سرد نشان می ­دهد تیتانیوم را باید بشدت فرا شکل ­دهی کرد یا پس از شکل­دهی سرد روی آن سایزینگ گرم باید انجام داد. اما برای کاهش تاثیر بازگشت روی دقت و برای حصول مزیت داکتیلیته بیشتر، عمده قطعات تیتانیومی توسط شکل­دهی داغ یا پیش ­شکل­ سازی سرد و سپس سایزینگ داغ ساخته می­ شوند.

شکل­دهی آلیاژهای بتا بطور کلی ساده ­تر از آلیاژهای آلفا و آلفا- بتا می­ باشد. توجه زیادی در دهه گذشته به قابلیت استفاده از آلیاژهای ورق بتا نظیر Ti-15V-3Sn-3Cr-3Al  شده است.

شکل­ دهی داغ و سرد. ورق­ های نازک و ضخیم حاصل از تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم توسط شکل­ دهی سرد دستخوش کرنش ­سختی می­ شوند. این موضوع، معمولا استحکام کششی و تسلیم را افزایش داده و سبب کاهش اندک در داکتیلیته می­ شود. شکل­ دهی داغ بر خواص نهایی تاثیر زیادی ندارد. شکل­دهی در دماهایی از °C 595 تا 815 (°F 1100 تا 1500) باعث می­ شود ماده با سهولت بیشتری تغییرشکل می­ دهد و همزمان، باعث آزادسازی تنش در ماده تغییرشکل­ یافته و نیز میزان بازگشت را کمینه می­ کند. تیتانیوم تمایل به خزش در دماهای بالا دارد. نگه داشتن تحت بار در دمای شکل­ دهی (شکل­ دهی خزشی) یک جایگزین برای دست­یابی به شکل مطلوب بدون نیاز به جبران بازگشت شدید می ­باشد.

در همه فرایندهای شکل ­دهی، تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم در معرض اثر باوشینگر هستند. این پدیده، افت در استحکام تسلیم در یک جهت بارگذاری است که توسط افزایش استحکام کششی در جهت دیگر بدلیل کرنش­ سختی همراه می­ شود. اثر باوشینگر در دمای اتاق مشهودتر است. تغییرشکل پلاستیک (1 تا 5 درصد ازدیاد طول کششی) در دمای اتاق همواره باعث افت محسوس در استحکام تسلیم فشاری بدون توجه به عملیات­ حرارتی ابتدایی یا استحکام آلیاژها می­ شود. در 2درصد کرنش کششی، استحکام ­های تسلیم فشاری Ti-4Al-3Mo-1V و Ti-6Al-4V به کمتر از نصف مقادیر مربوط به ماده عملیات انحلالی­ شده کاهش می ­یابد. افزایش دما، اثر باوشینگر را کاهش می­ دهد؛ آزادسازی تنش کامل بصورت گرمایی، این اثر را کاملا از بین می­ برد. دماهایی به کمی دمای پیرسازی، غالب اثر باوشینگر را در آلیاژهای تیتانیوم عملیات انحلالی ­شده از بین می ­برد. گرمایش یا تغییرشکل پلاستیک در دمایی بالاتر از پیرسازی نرمال برای Ti-6Al-4V عملیات ­انحلالی­ شده باعث رخ دادن فراپیرسازی می­ شود و در نتیجه، کل خواص مکانیکی کاهش می­ یابند.

تیتانیوم خالص تجاری و بیشتر آلیاژهای تیتانیوم داکتیل (نظیر Ti-15V-3Sn-3Cr-3Al و Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) را می­ توان به شکل سرد به میزان محدودی تغییرشکل داد. آلیاژ سوپرآلفای Ti-8Al-1Mo-1V را می­ توان توسط روش­های استاندارد تا شکل­های نه چندان عمیق شکل­ دهی نمود. شکل­دهی سرد دیگر آلیاژها بطور کلی منجر به بازگشت بیش از حد شده و نیاز به آزادسازی تنش بین عملیات­­های مورد نظر دارد. برای شکل ­دهی سرد همه آلیاژهای تیتانیوم، قابلیت شکل ­دهی در سرعت­های شکل­ دهی پائین، بهترین نتیجه را در پی دارد.

برای بهبود دقت، معمولا پس از شکل­دهی سرد، سایزینگ داغ انجام می ­شود. سایزینگ داغ و آزادسازی تنش برای کاهش تنش و جلوگیری از ترک­ خوردگی تاخیری و خوردگی تنشی مورد نیاز هستند. آزادسازی تنش نیز برای ذخیره ­سازی تنش تسلیم فشاری لازم است. سایزینگ داغ غالبا با آزادسازی تنش ترکیب می ­شود. عملیات­ های حرارتی مربوط به تیتانیوم CP و برخی آلیاژهای تیتانیوم در جدول 5-4 ارائه شده­ اند. اطلاعات بیشتر در فصل 8 ارائه شده است.

جدول 5-4 عملیات­ های برگزیده آزادسازی تنش مربوط به تیتانیوم و برخی آلیاژهای تیتانیوم

گرمایش آلیاژهای تیتانیوم باعث افزایش قابلیت شکل­ دهی و کاهش بازگشت شده و از تغییرات کمتر در استحکام تسلیم بهره می ­برد و باعث تغییرشکل بیشینه و آنیل کمینه بین عملیات­ های شکل­ دهی می­ شود. شکل­ دهی شدید باید در قالب­های داغ و مواد پیش­گرم شده انجام شود.

بالاترین بهبود در داکتیلیته و یکنواختی خواص برای بیشتر آلیاژهای تیتانیوم در دماهایی بالاتر °C 540 (°F 1000) حاصل می­ شود. در دماهای بالاتر، برخی آلیاژها پدیده ­ای بنام سوپرپلاستیسیته نشان می ­دهند. رفتار سوپرپلاستیک بطور گسترده ­ای در شکل­ دهی و اتصال­ دهی تیتانیوم استفاده شده است. در بالاتر از دمای تقریبی °C 650 (°F 1200)، پیشنهاد می­ شود که شکل­ دهی در یک اتمسفر محافظ برای کمینه­ سازی اکسیداسیون انجام شود. جدول 5-5 برخی دماهای مربوط به شکل­ دهی داغ تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم برگزیده را فهرست می­ کند. برای کاربردهایی که در آن بیشینه داکتیلیته لازم است، معمولا از دماهایی کمتر از °C 315 تا 425 (°F 600 تا 800) اجتناب می­ شود.

جدول 5-5 دماهای شکل ­دهی داغ تیتانیوم و برخی آلیاژهای تیتانیوم

درحالی­که برای جلوگیری از تخریب محسوس خواص مکانیکی، بطور کلی دما باید زیر °C 815 (°F 1500) حفظ شود، شکل­ دهی سوپرپلاستیک در °C 870 تا 925 (°F 1600 تا 1700) برای برخی آلیاژهای آلفا-بتا نظیر Ti-6Al-4V انجام می­ شود. باید مراقب بود که دما از دمای تحول بتا فراتر نرود چرا که خواص تحت تاثیر قرار خواهند گرفت. بدلیل امکان ایجاد پوسته و تردی در شکل­ دهی داغ آلیاژهای تیتانیوم در دماهایی بیش از °C 540 (°F 1000)، زمان قرارگیری در دمای بالا باید محدود باشد. بطور کلی، برای گرمایش در هوا، طولانی ­ترین زمان مجاز در °C 705 (°F 1300) 1 ساعت و در °C 870 (°F 1600) فقط 20 دقیقه است. غالبا از گاز آرگون بعنوان اتمسفری برای شکل­ دهی پلاستیک در انتهای محدوده دمایی مجاز استفاده می­ شود.

پیرسازی در شکل ­دهی. برخی دماهای شکل ­دهی داغ برای پیرسازی آلیاژهای تیتانیوم بحد کافی زیاد هستند. آلیاژهای قابل عملیات­ حرارتی بتا و آلفا- بتا معمولا باید پس از شکل­ دهی داغ دوباره تحت عملیات­ حرارتی قرار بگیرند. آلیاژهای آلفا- بتا را نباید در بالای دمای تحول بتا شکل­ دهی کرد. بدلیل پیرسازی، تشکیل پوسته و تردی و نیز هزینه بالاتر شکل ­دهی در دماهای بالا، شکل­ دهی داغ معمولا در کمترین دمای ممکن که باعث تغییرشکل دلخواه می­ شود صورت می­ گیرد.

شکل ­دهی سوپرپلاستیک. شکل­ دهی سوپرپلاستیک تیتانیوم، در حال حاضر بطور گسترده­ ای در صنعت هواپیمایی و به میزان کمتری در صنعت توربین گازی استفاده می­ شود. مزایای شکل ­دهی سوپرپلاستیک در مقایسه با سایر روش­ها عبارتند از:

  • قطعات بسیار پیچیده ­ای را می­ توان شکل­ دهی کرد.
  • سازه­ های سبک­تر و با کارامدی بیشتر را می­ توان طراحی و شکل ­دهی نمود.
  • شکل­ دهی در یک عملیات تک ­مرحله­ای انجام می ­شود.
  • ممکن است بتوان بیش از یک قطعه در یک چرخه دستگاه تولید کرد.
  • فشار (نیرو) بطور یکنواختی به همه نواحی قطعه­ کار اعمال می ­شود.

شکل ­دهی سوپرپلاستیک دارای محدودیت­ هایی نیز هست که عبارتند از:

  • تجهیزات گران­قیمت
  • زمان­ های پیش­ گرم طولانی
  • استفاده از اتمسفر محافظ
  • نیاز به مواد مقاوم به گرما برای قالب که دارای کمینه مقدار نیکل هستند. ( مقادیر بسیار کم نیکل برای جلوگیری از کاهش خواص در دمای بالا در آلیاژهای تیتانیوم بکار رفته است.)

مستحکم ­ترین آلیاژ تیتانیوم سوپرپلاستیک، آلیاژ آلفا-بتای Ti-6Al-4V است. ویژگی شکل­دهی سوپرپلاستیک تیتانیوم نتیجه کار بر روی این آلیاژ است هرچند بسیار از آلیاژها رفتار سوپرپلاستیک نشان می ­دهند. متغیرهای متالورژیکی که بر رفتار سوپرپلاستیک در آلیاژهای تیتانیوم اثر می­ گذارند عبارتند از اندازه دانه، توزیع اندازه دانه، مشخصات نفوذی اتم­های پایه و آلیاژ، نسبت مقادیر فاز آلفا به بتا و بافت آلیاژی که تحت شکل ­دهی سوپرپلاستیک قرار می­ گیرد. ترکیب آلیاژ دارای تاثیر بسیار قابل­ توجهی بر رفتار سوپرپلاستیک در آلیاژهای تیتانیوم می­ باشد. شکل­ دهی سوپرپلاستیک با اتصال­ دهی نفوذی برای ایجاد یک فرایند انعطاف­ پذیر ترکیب می­ شود تا نیاز به جوشکاری و لحیم ­کاری قطعات پیچیده را حذف نماید (جزئیات بیشتر را می­ توان در فصل 9 یافت).

کشش عمیق و دیگر فرایندهای شکل ­دهی. کشش عمیق آلیاژهای تیتانیوم بطور گسترده ­ای توسط شکل­ دهی سوپرپلاستیک جایگزین شده­ اند. تیتانیوم را بطور داغ می­ توان بسیار عمیق­تر کشید و شکل­ دهی­ های دشوارتری را می­ توان نسبت به حالت سرد انجام داد که در تطابق با اطلاعات کلی بدست آمده درباره آلیاژهای تیتانیوم است. بطور کلی، عمق کشش به ترکیب، شکل قطعه­ کار، شعاع­های لازم، دمای شکل­دهی، طراحی قالب و روانساز بستگی دارد. دماهایی تا °C 675(°F 1250) در کشش عمیق بکار رفته ­اند.

آلیاژهای تیتانیوم را با فرایندهای دیگری نظیر شکل­ دهی پرس برک، شکل­ دهی اسپینینگ، شکل­ دهی با بالشتک لاستیکی و شکل­ دهی خزشی نیز می­ توان شکل­ دهی نمود.

 

پایان فصل پنجم

Share

آدرس ايميل شما:  
آدرس ايميل دريافت کنندگان  
 


 

 تمامی حقوق معنوی این سایت متعلق به انجمن تیتانیوم ایران میباشد
 تمامی حقوق معنوی این سایت متعلق به انجمن تیتانیوم ایران میباشد