Por qué las piezas forjadas de aleación de titanio se agrietan tan fácilmente
Las aleaciones de titanio combinan baja densidad, alta resistencia específica, buena estabilidad a temperaturas elevadas-, resistencia a la corrosión, comportamiento no-magnético y biocompatibilidad, razón por la cual se utilizan barras forjadas, ejes escalonados, discos y perfiles laminados en equipos aeroespaciales, químicos y petroleros, dispositivos médicos y plantas nucleares. La deformación por forjado es el medio principal para convertir un lingote fundido en una microestructura sólida y uniforme. El problema es que el titanio tiene una baja conductividad térmica, una gran sensibilidad a la temperatura y, en varias familias de aleaciones, una deformabilidad limitada, por lo que las operaciones de lingote-a-barra producen regularmente grietas de varios tipos distintos. Cada grieta supone un esfuerzo de trituración, reduce el rendimiento y, en el peor de los casos, desecha una pieza entera.
Los siete tipos de craqueo en forja de titanio
Registros de producción del grupo de conversión de palanquillas de titanio forjando grietas en siete modos recurrentes. Difieren en ubicación, dirección y origen, por lo que cada uno debe diagnosticarse por sí solo antes de elegir un remedio.
| Tipo | donde aparece | Causa típica |
|---|---|---|
| Grietas en la cara final | Extremos del tocho trastornados; grietas grandes y abiertas | Tubería o segregación en frío no limpiadas de los extremos de los lingotes; contacto frío con el yunque; deformación final desigual; material de alta-resistencia y baja-fluidez |
| craqueo plegable | Pliegues de longitud media-, a menudo después de pulir hoyos | Relación entre la altura del lingote-y-diámetro superior a 2,5; ranuras de muestreo residuales; Bordes afilados mecanizados o aserrados que se dejan sin pulir. |
| lagrimeo | Transversal, localizada, a lo largo de la longitud dibujada. | La reducción-de una sola pasada es demasiado intensa o demasiado rápida; bordes del yunque desgastados o mal precalentados; Secciones escalonadas y cambios bruscos de tamaño. |
| Grietas internas | Dentro del tocho, invisible a la vista. | Segregación, inclusiones, porosidad o cierres fríos en el lingote; enfriamiento rápido de barras-de diámetro pequeño; fuertes gradientes de temperatura locales |
| Grietas longitudinales | A lo largo de la dirección del flujo en chaflanes y esquinas | Refrigeración de esquina delante de la sección a granel; Enfriamiento con agua o aceite de aleaciones-de alta temperatura-sensibles a la temperatura |
| agrietamiento frágil | Grietas profundas y difíciles-de-eliminar en aleaciones difíciles-de-deformar | Forjar por debajo de la temperatura final de forjado; sin etapa de horno de baja-temperatura; calentamiento demasiado rápido para la conductividad de la aleación |
| Superficie agrietada a través del cuerpo. | Amplias grietas superficiales en toda una palanquilla | Mala calidad metalúrgica del lingote; no se elimina la segregación en frío ni la porosidad del subsuelo; temperatura de apertura demasiado baja |
Causas metalúrgicas, térmicas y de proceso.
Origen metalúrgico:La segregación, las inclusiones, la porosidad de contracción, los cierres en frío y los orificios subsuperficiales que quedan de la fusión y la fundición se convierten en sitios de iniciación de grietas y pueden persistir durante varios calores de forjado.
Origen térmico:El titanio conduce mal el calor, por lo que un calentamiento o enfriamiento rápido crea un gran gradiente entre la superficie y el núcleo y entre el extremo y el centro. La tensión térmica resultante excede la ductilidad local y provoca grietas.
Origen del proceso:La reducción excesiva de pasadas, la alta tasa de deformación, los yunques fríos, los bordes de yunque desgastados, los bordes de mecanizado sin pulir y los tiempos de transferencia incontrolados entran en la categoría de procesos-en el taller.
Origen del material:Las aleaciones de titanio intermetálicas cercanas-alfa e intermetálicas ordenadas, como Ti3Al y Ti2AlNb, y las calidades difíciles-de-deformar a altas-temperaturas, tienen una capacidad de deformación intrínsecamente baja, por lo que su ventana de parámetros de procesamiento seguro es estrecha.
Medidas de prevención para cada modo de craqueo
Grietas en la cara final:confirmar mediante inspección ultrasónica que la tubería y la segregación en frío se hayan eliminado por completo de los extremos de los lingotes; precalentar el yunque a al menos 300 C; envuelva ambos extremos recalcados en mantas aislantes para reducir la pérdida de calor hacia el yunque; prohibir una tasa de deformación excesiva y una deformación desigual durante el estiramiento; Utilice una placa recalcadora curva para materiales con alta resistencia y baja fluidez para que el metal fluya desde el centro hacia afuera.
Cracking plegable:mantenga la relación entre altura-y-diámetro por debajo de 2,5, siendo preferible entre 1,8 y 2,3; mecanice o muela las ranuras de muestreo residuales y el daño previo al pliegue para obtener una mezcla suave; elimine todos los bordes afilados que quedan al serrar, mecanizar y posicionar los orificios antes del siguiente paso de forjado.
Desgarro:mantenga una reducción unilateral-de una sola pasada de 20 a 30 mm y una velocidad de reducción de aproximadamente 5 a 10 mm/s; mantener la curvatura del borde del yunque de R40 mm o mayor y precalentar los yunques a 300 a 400 C; para ejes escalonados, utilice pases de golpe ligeros seguidos de una reducción gradual con múltiples martillos limitada a 30 mm por golpe.
Grietas internas:atacar la fuente endureciendo las prácticas de fusión de aleaciones que contienen adiciones refractarias como tungsteno, molibdeno y niobio, de modo que se reduzcan la segregación y las inclusiones; achaflane el tocho-de diámetro pequeño rápidamente durante el embutición; devolver el material al horno en lugar de mantenerlo frío.
Grietas longitudinales:achaflanar durante el dibujo y prohibir bordes afilados o negros; Para aleaciones-de alta temperatura-sensibles a la temperatura, utilice refrigeración por aire o mantas aislantes en lugar de agua, aceite o enfriamiento-con aire forzado.
Agrietamiento frágil:aplique forjado en manta envuelto-, es decir, caliente hasta el grado de remojo especificado, retire el tocho, envuelva aproximadamente 10 mm de aislamiento con un agente protector de vidrio, devuélvalo al horno y luego forje con la manta mantenida en su lugar para que el tocho nunca caiga por debajo de la temperatura de forjado final; calentar a través de una etapa de horno de baja-temperatura de 200 a 300 C con rampas lentas de múltiples-etapas de 50 a 100 C por hora.
Grietas superficiales a través del cuerpo:mejore la calidad de la fusión, elimine la segregación en frío y la porosidad del subsuelo antes de la forja, y establezca la temperatura de apertura de la forja por encima del transus beta con un margen claro en lugar de cerca de él.
Parámetros de control de procesos que importan
| Parámetro | Valor recomendado | Objetivo |
|---|---|---|
| Temperatura de precalentamiento del yunque | Al menos 300 C; 300 a 400 C para sacar | Reducir la extracción de calor de la superficie del tocho. |
| Radio del borde del yunque | R40 mm o más | Reducir la concentración de estrés y evitar desgarros. |
| Reducción unilateral de un solo paso- | 20 a 30 milímetros | Limitar la tensión de corte por pasada |
| Tasa de reducción | Alrededor de 5 a 10 mm/s | Permita que la temperatura y la tensión se redistribuyan. |
| Relación entre la altura del lingote-y-diámetro | 2,5 máximo, 1,8 a 2,3 preferido | Evite el plegado molesto |
| Relación entre ancho de pulido-y-profundidad | 10 o más | Mezcla las reparaciones sin dejar un aumento de estrés. |
| Velocidad de calentamiento para calidades difíciles-de-deformar | 50 a 100 C por hora después de una etapa de 200 a 300 C | Limitar el gradiente térmico |
| Espesor de la envoltura aislante | Aproximadamente 10 mm con agente protector de vidrio | Mantenga la temperatura de forjado por encima del límite de forjado final. |
| Temperatura de forjado de apertura | Por encima del transus beta con margen adecuado | Evite grietas en la estructura-fundida |
La última fila es la lección más cara de la tabla. Un lingote de prueba con una transus beta medida de 1020 C se abrió a sólo 1050 C y se agrietó severamente en todo el cuerpo; el mismo material reabierto después de recalentarlo a 1150 C mostró una reducción dramática en el agrietamiento. Cuando la ventana del proceso es estrecha, la temperatura de apertura debe establecerse a partir de los datos de transformación medidos en lugar de un valor supuesto.
Inspección, Rectificado y Reparación
Las grietas de titanio son difíciles de inspeccionar y lentas de reparar, por lo que el plan de inspección debe escribirse al mismo tiempo que la ruta de forjado.
Detección:inspección visual de cada palanquilla, examen con bajo-aumento y pruebas ultrasónicas para detectar defectos internos; Inspección con tintes penetrantes de piezas forjadas terminadas y de cualquier reparación por rectificado antes de su liberación.
Límites de mezcla:muela hasta obtener una mezcla suave con una proporción de ancho-a-profundidad de al menos 10, ya que un surco estrecho y profundo simplemente rein-reinicia una grieta en el siguiente calor.
Riesgo de trituración:El calentamiento local proveniente del rectificado crea el mismo gradiente de temperatura que mantiene la propagación de una grieta, por lo que los pases de refrigerante y luz son esenciales en secciones delgadas o pequeñas.
Re-inspección:después de mezclar, vuelva a-realizar una inspección ultrasónica o con penetrante para confirmar la eliminación completa; registre la reparación en la tarjeta de ruta para que las series posteriores representen la sección reducida.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es la grieta más común en la forja de titanio?
El agrietamiento de la cara final durante el recalcado es el más frecuente y el más perturbador, porque a menudo detiene la ruta del proceso. Las principales causas son extremos de lingote sucios, yunques fríos y deformaciones desiguales de los extremos.
P: ¿Por qué predomina el agrietamiento frágil en las aleaciones de titanio de alta-temperatura?
Estas aleaciones tienen una plasticidad limitada y el titanio conduce mal el calor. El calentamiento rápido o el forjado por debajo de la temperatura final de forjado producen pendientes pronunciadas y fracturas frágiles que son profundas y difíciles de pulir.
P: ¿Qué temperatura de precalentamiento del yunque se debe utilizar?
Precaliente el yunque a al menos 300 C y manténgalo entre 300 C y 400 C para las operaciones de extracción-; El mecanizado en frío es una causa directa de grietas y desgarros en los extremos.
P: ¿A qué profundidad se puede pulir una grieta?
Muele hasta obtener una mezcla de fondo-suave con una proporción de ancho-a-profundidad de 10 o más. Nunca dejes una ranura estrecha, porque la siguiente pasada de forjado la volverá a abrir.
P: ¿Se pueden encontrar grietas internas antes de terminar la forja?
Suelen estar ocultos. Se utilizan pruebas ultrasónicas, un examen con bajo-aumento y, para barras-de pequeño diámetro, la inspección en la etapa de palanquilla, pero la mayoría de las grietas internas solo se confirman en la inspección final, por lo que es decisivo evitar la segregación en el momento de la fusión.
P: ¿Qué parámetros influyen más en el craqueo de aleaciones de alta-temperatura?
La velocidad de calentamiento, la fase del horno, la temperatura de apertura relativa al transus beta y el aislamiento aplicado entre el horno y el yunque controlan el resultado mucho más que la capacidad del martillo.
