אומנות בקרת הדיוק: פרזול איזותרמי ואבטחת איכות של להבי טורבינה

אמנות בקרת הדיוק: פרזול איזותרמי והבטחת איכות של להבי טורבינה

בשל התרמופלסטיות המוגבלת של סגסוגת TiAl, יש לחשל אותה בטמפרטורה גבוהה ובקצב מתח נמוך מאוד. ציוד פרזול איזותרמי יכול לספק סביבה איזותרמית יחסית וקצב עקה איטי. תהליך חישול להב TiAl הקונבנציונלי הוא כדלקמן: יציקת בילט או מוט שחול מחושל בחלקו לתוך חישול בילט, ולאחר מכן מוכן עוד יותר לפריזול מראש, והלהב מוכן באמצעות חישול מראש ופריזול סופי. בדרך זו, הלהב הגרמני של Rolls-Royce BR715 HPC מיוצר על ידי חישול איזותרמי שלב 3-, והחלק האחרון מוכן על ידי טיפול בחום ועיבוד שבבי (איור 1).

איור 1 שלבי חישול להב (א) ולהבים מעובדים (ב)

הלהבים המוצגים באיור. 2 הם להבי מדחס Ti45AL8NB0.65 (B, C) שיוצרו על ידי Thyssen Company עבור Rolls Royce תוך שימוש במסלול המוצג באיור. 2a, בעלי חוזק מעולה בטמפרטורה גבוהה. בשנת 2016, הודיעה MTU כי להב הטורבינה המחושלת TNM בלחץ נמוך הוחל על מנוע ה-PW1100G-JM של מטוס הנוסעים A320, והיא השלימה את הטיסה הראשונה שלה. להבי סגסוגת TiAl מזויפים מציגים סיכויי יישום גדולים, ונכון לשנת 2015, הורכבו 10,000 להבי סגסוגת TNM מזויפים למנועי PW1100G. סגסוגת TNM מציגה תכונות עבודה חמות טובות, ומבנה מיקרו אידיאלי ותכונות מכניות מקיפות מתקבלות באמצעות יציקת זיוף בילט פעמיים וטיפול בחום לאחר מכן.

איור 2 להבים של Ti45Al8Nb0.5(B,C) שיוצרו על ידי Thyssen עבור רולס רויס

על מנת להגביר את יעילות הייצור, בילט המוט הקצר שחול היה מזויף ישירות לתוך Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4) להבי סגסוגת HPC של מנוע הבדיקה של רולס רויס ​​E3E. על מנת להגדיל עוד יותר את התפוקה ולהפוך אותה לחסכונית יותר, תוכננה תבנית לזיוף חלקי להבים מרובים (במיוחד להבי מדחס קטנים יותר) בבת אחת. 30 חללים זהים עובדו על דיסק מוליבדן בקוטר Φ600 מ"מ. מחוץ למכבש, התבנית התחתונה עמוסה בחלקי קדם-פורם, וכל התבנית והריק מונחים בתא העיתונות ומחוממים לטמפרטורת החישול עבור פרזול איזותרמי. בשיטה זו ניתן לזייף 30 להבים בכל פעם (איור 3).

איור 3 תבנית עם מספר חלקים מחושלים מראש(א) ולהב לאחר חישול(ב)

למרות שזיוף איזותרמי יכול לפתור ביעילות את בעיית היצירה הקשה של להב TiAl, מכיוון שהתבנית והפרזול מחוממים ל-1150 מעלות, על מנת למנוע אובדן טמפרטורה של חלקים בתהליך החישול ארוך הטווח, התבנית עשויה מסגסוגת מוליבדן עם עמידות גבוהה בחום. על מנת להגן על חומר העובש מפני חמצון, נדרש ואקום או גז אינרטי בתא הפרזול. להב הטורבינה בלחץ נמוך מסגסוגת TNM של מנוע PW1134G מיוצר גם על ידי חישול תבנית איזותרמית בוואקום עם תבנית סגסוגת מוליבדן. מרכז המחקר הגרמני GKSS השתמש בסגסוגת TNB האקסטרוד העטופה לעיבוד ישיר או בשילוב עם פרזול איזותרמי לייצור להב מסגסוגת TiAl מדחס גבוה, שהפך לשיטת ההכנה העיקרית עבור להב סגסוגת TiAl מדחס גבוה.

TETSUI T et al. המציא סגסוגת TiAl חדשה, המחולקת ל-Ti-42Al-5Mn(%, שבר מסה). תהליך הייצור משתמש בעיבוד חם מסורתי, שבו המטיל מחומם ל-1300 מעלות צלזיוס לטיפול בחום ומקורר בסביבות 1200 מעלות צלזיוס עבור חישול או גלגול, כפי שמוצג באיור 12. שיטת עיבוד זו זהה לתבנית החמה הרגילה שיטת יצירת חישול, כך שתהליך ייצור הלהב מפחית את תהליך האקסטרוזיה החמה של המוט, מפחית משמעותית את העלות ויכול לייצר רכיבים גדולים יותר. ללהב המחושל יש מבנה מיקרו עדין מאוד, מה שהופך את חוזק המתיחה לגבוה מאוד בטמפרטורה בינונית ונמוכה. עם זאת, בשל השפעת הפאזה, חוזק הטמפרטורה הגבוה של סגסוגת זו יורד באופן משמעותי, דבר שקשה להשתמש בו עבור חלקים בטמפרטורה גבוהה לטווח ארוך כגון מגדשי טורבו, והוא מתאים יותר ללהב בטמפרטורה נמוכה או בטמפרטורה גבוהה לטווח קצר. חלקים.

איור 4 להבי סגסוגת TiAl שיוצרו על ידי Mitsubishi Heavy Industries

(א) ותכונותיהם (ב)

הדמיה רב-שלבית של תהליך חישול מת איזותרמית של להב מסגסוגת TiAl מתבצעת על ידי הדמיית אלמנטים סופיים, שיכולה לשלוט ביעילות בחוק הריאולוגיה החומרית, לנתח את ההשפעה של פרמטרים של תהליך, לייעל את התהליך ועיצוב המות. יחד עם זאת, הדמיית האלמנטים הסופיים יכולה לא רק לקצר את מחזור הייצור ולהפחית את העלות, אלא יש לה גם משמעות מנחה חשובה להעמקת הידע של חוק יצירת החישול של להב סגסוגת TiAl ואופטימיזציה של תהליך היווצרות הלהב. שין ג'ינג'ינג וחב'. השתמש בתוכנת Deform-3D אלמנטים סופיים כדי לדמות תהליך חישול איזותרמי של להב מסגסוגת Nb-TiAl גבוהה, והגיעו למסקנות הבאות: התפלגות המתח המקבילה של גוף הלהב והטנון של הלהב בחישול איזותרמי היא אחידה, ו עם העלייה של מהירות הדחיסה העליונה של התבנית העליונה וטמפרטורת החימום מראש, הכוח האפקטיבי הבינוני יורד במהלך דפורמציה, דבר המסייע להתרחשות של התגבשות דינמית מחדש. ניתן לשפר את איכות החישול של להב מסגסוגת Nb-TiAl כאשר מהירות הלחיצה של התבנית העליונה היא 1.0 ~ 1.5 מ"מ·s-1 וטמפרטורת החימום מראש היא 1250 ~ 13 תואר 00 . גואן הונג וחב'. עשוי Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni להב איזותרמי. התוצאות מראות שהחישול האיזותרמי של סגסוגת TiAl בשילוב עם פרזול מקדים ופריזול סופי אפשרי. טמפרטורת החימום של סגסוגת טאל היא 1200 ~ 1250 מעלות, ויש להגן על המדגם על ידי מעטפת כדי למנוע ירידה מהירה מדי בטמפרטורה במהלך תהליך ההעברה. קצב העיוות הוא 0.02 ~ 0.07 מ"מ · s-1, והדפורמציה נשלטת ב-20% ~ 40%. לאחרונה, הצוות שלנו ו-AVIC Power Co., Ltd אימצו במשותף את השיטה של ​​שילוב סימולציה ואימות בדיקה, השיגו את פרמטרי התהליך המתאימים באמצעות תוכנת סימולציית Deform-3D לסימולציה של אלמנטים סופיים, והכינו להבי סגסוגת TNM על ידי פרזול כמעט איזותרמי טכנולוגיה באמצעות תבנית Ni3Al (איור 5), השוותה פרופילי חתך שונים של להבים. דיוק הניבוי של תהליך חישול כמעט איזותרמי יכול להיות יותר מ-90% על ידי הדמיית אלמנטים סופיים. בהשוואה לתהליך חישול איזותרמי מסורתי (וואקום), יש לו את היתרונות של יעילות גבוהה, ללא ואקום, בקרת צורה דיוק קלה ועלות תהליך נמוכה.

איור.5 להב מזויף מדומה (א) וממשי (ב) כמעט-איזותרמי

על מנת לחקור את ביצועי החישול של סגסוגת TiAl בטמפרטורה נמוכה, WANG X וחב' ו-ZHANG H וחב' השתמשו בשיטת אלמנטים סופיים כדי לנתח את תהליך חישול המות האיזוטרמי של להב סגסוגת TiAl עם תכולת Nb גבוהה בטמפרטורה נמוכה, והכינו בהצלחה NB גבוה. להב מסגסוגת עם איכות משטח וביצועים גבוהים (איור 6). במהלך תהליך היווצרות של להב מסגסוגת TiAl, ניתן למנוע את פגמי הקיפול של הלהב ולהפחית את כוח היצירה של הלהב על ידי ייעול הצורה והגודל של החלק המוכן מראש. כאשר הטמפרטורה נמוכה מ-1000 מעלות, לטמפרטורת החישול ולקצב המתח יש השפעה מועטה על ההתפלגות הסופית של המתח האפקטיבי של הלהב העשוי מחשלת תבנית איזוטרמית. עם עליית טמפרטורת הזיוף והירידה בקצב המתח, הלחץ האפקטיבי הסופי של להב הזיוף פוחת ופיזורו אחיד בהדרגה. להב סגסוגת Nb-TiAl הגבוה הוכן בהצלחה בקצב מתח נמוך מ-0.01 מ"מ·s-1 ובטמפרטורה נמוכה מ-950 מעלות, ולא נוצרו סדקים מקרוסקופיים על הלהב. במקביל, המכון הטכנולוגי של חרבין פיתח את ציוד העיבוד החם האיזותרמי הראשון בוואקום שיכול לממש את הפונקציות של חישול איזותרמי ואקום ושיחול איזותרמי, והוא שימש להכנת חלקי פרזול איזותרמיים מסגסוגת TiAl. מכשיר זה לא יכול לשמש רק לעיוות איזותרמי של סגסוגת TiAl, אלא יש לו גם ערך יישום חשוב בהכנת רכיבי דיסק סגסוגת אבקת.

איור 6 להב מסגסוגת High Nb-TiAl שהוכן בתהליך חישול מת איזותרמית בטמפרטורה נמוכה

TETSUI T et al. המציא סגסוגת TiAl חדשה, המחולקת ל-Ti-42Al-5Mn(%, שבר מסה). תהליך הייצור משתמש בעיבוד חם מסורתי, שבו המטיל מחומם ל-1300 מעלות צלזיוס לטיפול בחום ומקורר בסביבות 1200 מעלות צלזיוס עבור חישול או גלגול, כפי שמוצג באיור 12. שיטת עיבוד זו זהה לתבנית החמה הרגילה שיטת יצירת חישול, כך שתהליך ייצור הלהב מפחית את תהליך האקסטרוזיה החמה של המוט, מפחית משמעותית את העלות ויכול לייצר רכיבים גדולים יותר. ללהב המחושל יש מבנה מיקרו עדין מאוד, מה שהופך את חוזק המתיחה לגבוה מאוד בטמפרטורה בינונית ונמוכה. עם זאת, בשל השפעת הפאזה, חוזק הטמפרטורה הגבוה של סגסוגת זו יורד באופן משמעותי, דבר שקשה להשתמש בו עבור חלקים בטמפרטורה גבוהה לטווח ארוך כגון מגדשי טורבו, והוא מתאים יותר ללהב בטמפרטורה נמוכה או בטמפרטורה גבוהה לטווח קצר. חלקים.