Aby sprostać złożonym komponentom wymaganym w takich dziedzinach, jak przemysł lotniczy, odlewanie proszkowe skutecznie rozwiązuje wyzwania techniczne nieodłącznie związane z odlewaniem precyzyjnym, takie jak wnęki skurczowe, porowatość i segregacja składu, a także liczne problemy związane z odkuwkami spawalniczymi. Obecnie przy produkcji stopów Ti2AlNb metodą metalurgii proszków skupiamy się na parametrach procesu prasowania izostatycznego na gorąco (HIP) (czas, temperatura, ciśnienie), późniejszej obróbce cieplnej i procesach odkształcania na gorąco, a także badaniu mikrostruktury i właściwości użytkowych stopów proszkowych oraz wymiarów formowanych elementów. Nasza firma przygotowała proszek-prestopu Ti2AlNb w procesie plazmowej elektrody obrotowej (PREP), a następnie wyprodukowała stopy proszkowe Ti2AlNb w procesie izostatycznego prasowania na gorąco proszku.
Metoda wytwarzania proszkowego stopu Ti2AlNb: Proszek-prestopu Ti2AlNb o wielkości cząstek poniżej 250 μm ładuje się do cylindrycznej osłony ze stali nisko-węglowej w środowisku atmosferycznym. Po zagęszczeniu, zgrzewaniu punktowym, odgazowaniu próżniowym i zgrzewaniu uszczelniającym, w piecu do prasowania izostatycznego na gorąco typu RD(Z)-1-850 Instytutu Badawczego Stali Haopu Technology Co., Ltd., przeprowadza się prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) w celu otrzymania kęsów metalurgii proszków. Proces prasowania izostatycznego na gorąco: Temperaturę pieca podnosi się do 1030 stopni, ciśnienie przekracza 140 MPa, czas przetrzymywania wynosi 2–4 godziny, a następnie piec schładza się. Proces obróbki cieplnej: Warunki obróbki cieplnej w rozsycie wynoszą 980 stopni przez 2 godziny, a następnie następuje chłodzenie w piecu, z czasem do osiągnięcia temperatury pokojowej nie krótszym niż 1 godzina. Warunki obróbki cieplnej starzenia wynoszą 890 stopni przez 4 godziny, a następnie następuje chłodzenie w piecu, z czasem do osiągnięcia temperatury pokojowej nie krótszym niż 1 godzina. Po prasowaniu izostatycznym na gorąco płaszcz zewnętrzny i rdzeń są usuwane poprzez obróbkę skrawaniem i mielenie chemiczne w celu uzyskania zamkniętych części wirnika ze stopu tytanu. Poniższy rysunek przedstawia zależność montażu i obraz fizyczny eksperymentalnej zamkniętej tulei i rdzenia wirnika.
Rys. Zależność montażowa i schemat fizyczny osłoniętego rdzenia tulei wirnika.
Właściwości rozciągające badano w temperaturze 650 stopni przy użyciu elektronicznej uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej CMT5305, zgodnie z GB/T 228.2-2015 „Materiały metaliczne, próba rozciągania-Część 2: Metoda badania w wysokiej temperaturze”; trwałość pełzania sprawdzono przy 650 stopniach /360 MPa przy użyciu elektronicznej maszyny do badania pełzania sterowanej RD-100 mikro-z kontrolą RD, zgodnie z GB/T 2039-2012 „Materiały metaliczne, metoda badania pełzania przy jednoosiowym rozciąganiu”; wymiary próbki zarówno w próbie rozciągania, jak i pełzania wynosiły 5 mm średnicy i 25 mm długości pomiarowej, przy co najmniej dwóch równoległych próbkach. Próbki proszkowego stopu Ti2AlNb, po zamontowaniu i wypolerowaniu, trawiono odczynnikiem Krolla (3% HF + 6% HNO3 + 91% H2O, ułamek objętościowy), a obrazy SEM uzyskano przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego TESCAN MIRA4. Analizę EBSD przeprowadzono na aparacie SEM Thermo Quattro typu S wyposażonym w sondę dyfrakcji elektronów (EBSD), a oprogramowaniem do przetwarzania danych był HKL Channel 5. Porowatość stopu Ti2AlNb prasowanego na gorąco izostatycznie scharakteryzowano za pomocą systemu mikrokomputerowej tomografii rentgenowskiej (Micro-CT) VersaXRM-500. Powierzchnia analizy wypraski proszkowej wynosiła w przybliżeniu Φ1,9 mm × 2,2 mm.
Przy wytwarzaniu elementów wykonanych w technologii metalurgii proszków kluczowe znaczenie ma konstrukcja konstrukcji kapsułkującej. Rozsądny projekt struktury kapsułkowania musi zapewniać, że wszystkie części wypraski proszkowej zostaną zagęszczone i osiągną kształt zbliżony do-net-. Jako pojemnik do prasowania izostatycznego na gorąco (HIP) stopów metalurgii proszków, kapsułkowanie wpływa bezpośrednio na jakość metalurgiczną i wygląd wymiarowy gotowego produktu. W praktyce zmiany parametrów procesu podczas zagęszczania HIP mogą prowadzić do różnic w procesie zagęszczania. Szczególnie w przypadku wytwarzania dużych, złożonych komponentów struktura kapsułkowania/formy jest zwykle stosunkowo złożona, a różnice w procesie zagęszczania od powierzchni do wnętrza wypraski proszkowej są bardziej wyraźne, a nawet wykazują zjawisko „nie-równomiernego zagęszczenia”. Zjawisko to prowadzi do nierównomiernego poziomu zagęszczenia i odkształcenia skurczowego w różnych częściach elementu, wpływając w ten sposób na właściwości mechaniczne elementu. Przy użyciu proszku EIGA z powodzeniem wytworzono różne typy elementów metalurgii proszków Ti2AlNb w reżimie HIP 1030 stopni /140 MPa/3 godz. Testy wykazały, że odchylenie wymiarowe kluczowych komponentów było mniejsze niż 2%, a jakość powierzchni była lepsza niż w przypadku stopów odlewniczych. Dzięki przyjęciu projektu struktury enkapsulacyjnej-wspomaganej elementami skończonymi proces zagęszczania wydaje się być jednolity w całym procesie formowania przez zagęszczanie, skutecznie unikając zjawiska „nie-równomiernego zagęszczania” i pomagając zapewnić spójność ogólnej wydajności komponentu.
1) W porównaniu z metodą PREP, proszek stopowy-Ti2AlNb przygotowany metodą EIGA ma szerszy rozkład wielkości cząstek, małą liczbę kul satelitarnych i większą gęstość nasypową.
(2) W porównaniu ze stopem Ti2AlNb utworzonym przez prasowanie izostatyczne na gorąco proszku PREP,-wytrzymałość temperaturowa i trwałość pełzania stopu odpowiadającego proszkowi EIGA są nieznacznie zmniejszone, ale wydłużenie jest lepsze ze względu na większą jednorodność mikrostruktury. W procesie przygotowania komponentów wyniki symulacji metodą elementów skończonych pokazują, że wirnik Ti2AlNb przygotowany z proszku EIGA ma mniejszy skurcz i jest bardziej odpowiedni do prasowania izostatycznego na gorąco złożonych komponentów.
(3) Wykorzystując symulację elementów skończonych w projektowaniu kapsułkowania, z powodzeniem przygotowano złożone komponenty wykonane metodą metalurgii proszków Ti2AlNb przy użyciu-proszku wstępnie stopowego EIGA. Elementy charakteryzują się dużą dokładnością wymiarową i powierzchniową oraz brakiem wad metalurgicznych.
