I. Титанові сплави широко застосовуються в аерокосмічній, медичній та інших галузях завдяки високій питомій міцності та стійкості до корозії. Однак їхня висока хімічна реакційна здатність робить їх схильними до реакції з киснем і азотом під час високо-температурного нагрівання з утворенням крихкого оксидного шару, що призводить до зниження пластичності матеріалу та збільшення допуску на механічну обробку. Досягнення мінімального окислення або його повної відсутності під час процесу нагрівання заготовок для кування з титанового сплаву стало ключовою технічною проблемою для покращення використання матеріалу та зниження витрат виробництва. Ми досліджували методи контролю поверхневого окислення поковок із титанового сплаву шляхом систематичних експериментальних досліджень.
II. Експериментальні матеріали та методи В якості основного об’єкта дослідження було обрано екструдовані заготовки з титанового сплаву ВТ3-1 з одночасним порівнянням змін продуктивності пластин зі сплаву ВТ20, ОТ4-1 та труб зі сплаву ПТ7М. Усі зразки були механічно відполіровані, а потім нагріті в електричній печі до 950 градусів -980 градусів (близько до температури алотропного перетворення титанових сплавів), з контролем часу витримки в межах 1 години. Експериментальні змінні включали: попередню окислювальну обробку, захисне покриття скляної емалі, тип нагрівального середовища (звичайна електрична піч/псевдозріджений шар сипучого матеріалу) і метод обробки поверхні після кування (піскоструминна обробка).
III. Ключові технології контролю окислення поверхні
1. Процес попереднього окислення:
Експерименти показують, що на поверхні необроблених заготовок є шар оксиду-риб’ячої луски, тоді як гладкість поверхні попередньо-окислених заготовок значно покращилася. Попередня -обробка окислення, утворюючи однорідну щільну оксидну плівку на поверхні заготовки, ефективно перешкоджає глибокому окисленню під час наступного нагрівання. Крім того, зменшується адгезія склоемалевого покриття до попередньо-оксидованої поверхні заготовки, що полегшує подальше видалення більш ніж на 30% і значно підвищує ефективність виробництва.
2. Технологія захисного покриття скляної емалі:
Нанесення скляної емалі поверх -обробки попереднього окислення може ще більше зменшити швидкість окислення під час нагрівання. Це покриття зменшує контакт між заготовкою та окислювальними газами завдяки фізичній ізоляції. Експериментальні дані показують, що захист покриття може зменшити товщину оксидного шару на поверхні заготовки на 50–70%. Слід зазначити, що синергетичний ефект покриття та шару попереднього окислення може покращити поверхневу пластичність заготовки, збільшуючи відносне подовження кованих зразків на 15–20%.
3. Технологія оптимізації теплоносія:
(1) Контроль нагрівання в звичайній електричній печі: під час нагрівання в звичайній електричній печі температура суворо контролюється вище температури алотропного перетворення, а час витримки менше або дорівнює 1 годині, щоб уникнути очевидного поглинання газу на поверхні. Утворений оксидний шар можна ефективно видалити за допомогою піскоструминної обробки, а швидкість втрати матеріалу контролюється в межах 5%. (2) Технологія нагріву шару псевдо-розрідження сипучого матеріалу: ця технологія нагріває заготовку, занурюючи її в шар псевдо-розрідження, що складається із гранульованого середовища (наприклад, порошку оксиду алюмінію), і використовує інтенсивний відносний рух між частинками середовища для посилення теплообміну. Експерименти показують, що його ефективність теплопередачі на 1,5 порядку вища, ніж у печі з примусовою конвекцією, наближаючись до рівня печі з розплавленою сіллю. Ця технологія дозволяє досягти швидкого та рівномірного нагрівання заготовки, скорочуючи час нагрівання на 40% - 60%, і в той же час значно знижуючи тенденцію до окислення через ізоляційний ефект середовища, зменшуючи товщину поверхневого оксидного шару більш ніж на 80%.
Випадок застосування: ми використовували Y₂O₃ дисперсійне зміцнення + термодифузійне покриття на дисках турбіни зі сплаву титану-ніобію, що підвищило межу повзучості при 650 градусів на 35% і зменшило швидкість повзучості до 1×10⁻⁸/с.
IV. Оптимізація процесу обробки поверхні:
Піскоструминна обробка після штампування є ключовим кроком у покращенні характеристик поковок. Звичайна піскоструминна обробка може видалити поверхневий оксидний шар і -газопоглинаючий шар, зменшивши шорсткість поверхні Ra до рівня нижче 3,2 мкм, одночасно покращивши пластичність завдяки зміцненню поверхні. Для заготовок зі склоемалевим покриттям тиск піскоструминної обробки необхідно контролювати в межах 0,3–0,5 МПа, щоб уникнути надмірного пошкодження основного матеріалу.
V. Висновки:
1. Синергічне застосування попередньої-обробки окислення та покриття склоемалевим покриттям може створити двошарову-систему захисту «активний контроль окислення + пасивний ізоляційний захист», значно покращуючи якість поверхні поковок із титанового сплаву.
2. Технологія нагрівання шару псевдо-зрідження сипучого матеріалу досягає подвійних цілей — ефективного нагріву та контролю окислення шляхом оптимізації механізму теплопередачі, що робить її особливо придатною для масового виробництва поковок складної-форми.
3. Точний контроль параметрів процесу (температура, час, тиск піскоструминної обробки тощо) має вирішальне значення для забезпечення повної продуктивності поковок із титанового сплаву; стандартизовані специфікації процесу необхідно встановити відповідно до конкретних марок сплаву.
Контроль поверхневого окислення поковок із титанового сплаву — це, по суті, комплексний системний інженерний проект, який об’єднує «процес, навколишнє середовище й до-обробку».
Завдяки підтримці місцевої промисловості в Баодзі, вакуумне кування + захист інертним газом + травлення та пасивація стали основним рішенням, а високо-температурне покриття та цифрове керування ведуть його до мети «нульового окислення».
Для високоякісних галузей, таких як аерокосмічна та ядерна енергетика, вакуумне кування + PVD-покриття є найкращим шляхом до досягнення «сервісного{2}}класу нульового окислення».
