Schmieden als entscheidender Schritt in der Titanlegierungsverarbeitung
Schmieden ist mehr als ein Formgebungsvorgang für Titanlegierungen. Die Temperatur, bei der der Knüppel im Verhältnis zu seinem Phasenübergangspunkt bearbeitet wird, bestimmt, ob das fertige Schmiedestück eine gleichachsige, lamellare oder bimodale Mikrostruktur aufweist, und diese Mikrostruktur wiederum legt das Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Duktilität, Ermüdungsbeständigkeit und Kriechverhalten fest. Zwei Schmiedestücke aus derselben Legierung mit denselben Außenabmessungen können sich daher im Betrieb sehr unterschiedlich verhalten.
Basierend auf der Schmiedetemperatur im Verhältnis zum Phasenübergangspunkt wird das Schmieden von Titanlegierungen in drei Wege eingeteilt: Alpha- und Beta-Schmieden, üblicherweise als konventionelles Schmieden bezeichnet; Beta-Schmieden; und nahezu-Beta-Forging. Jede Route hat ihre eigenen Anforderungen an die Ausrüstung, den erreichbaren Größenbereich und die Besonderheiten ihrer Eigenschaften.
Alpha + Beta-Schmieden (konventionelles Schmieden)
Das konventionelle Schmieden umfasst Nah{0}}Alpha-, Alpha + Beta- und Nah-Beta-Legierungen und ist die in der Branche am weitesten verbreitete Methode, da die Technologie ausgereift und reproduzierbar ist. Der Barren wird auf einen Temperaturbereich von etwa 40 bis 50 Grad unter dem Phasenübergangspunkt erhitzt, wodurch das Material während der gesamten Verformung im Zweiphasenfeld bleibt. Das Arbeiten unterhalb des Transus verhindert, dass die Betaphase zu groben Körnern heranwächst, und fördert stattdessen die Rekristallisation, sodass das Schmiedestück eine feine, gleichachsige oder bimodale Struktur behält.
Das praktische Ergebnis ist das beste Gesamtgleichgewicht zwischen Zugfestigkeit, Duktilität und hoher Dauerwechselfestigkeit, weshalb bei den meisten geschmiedeten Scheiben, Ringen, Stangen und Strukturteilen konventionelles Schmieden angewendet wird. Die Route erfordert eine ausreichende Presskapazität, da der Verformungswiderstand im Zweiphasenfeld hoch ist und eine gute Kontrolle der Heiztemperatur, der Einweichzeit und der Verformungsgeschwindigkeit erforderlich ist, um die Struktur von der Oberfläche bis zur Mitte gleichmäßig zu halten.
Beta-Schmieden
Beim Beta-Schmieden wird der Barren über den Phasenübergangspunkt erhitzt, sodass die Legierung vor dem Abkühlen vollständig in der kubisch-körperzentrierten Beta-Phase bearbeitet wird. Das bemerkenswerteste Merkmal dieser Route ist eine deutliche Verringerung des Verformungswiderstands und eine entsprechende Verbesserung der Prozessplastizität: Unter ansonsten ähnlichen Bedingungen ermöglicht das Betaschmieden, dass eine Presse mit kleinerer Tonnage ein größeres Bauteil herstellen kann, als es beim herkömmlichen Schmieden möglich wäre. Dieser Vorteil macht Beta-Schmieden für sehr große Schmiedeteile aus Titanlegierungen wertvoll, bei denen die erforderliche Presskraft ansonsten der begrenzende Faktor wäre.
Der Immobilien-Kompromiss-ist real und muss berücksichtigt werden. Beim Arbeiten über dem Transus entsteht eine grobe Lamellen- oder Korbgeflechtstruktur mit ausgezeichneter Kriechfestigkeit und guter Bruchzähigkeit, aber geringerer Zugduktilität und reduzierter Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zu einer feinen gleichachsigen Struktur. Beta-Schmieden wird daher ausgewählt, wenn Kriechverhalten bei hohen Temperaturen, Schadenstoleranz oder Bauteilgröße die Anforderungen dominieren.
Nahe-Beta-Forging
Das Near--Beta-Schmieden ist die neueste der drei Methoden und wurde entwickelt, um eine spezifische Schwäche zu beheben: Wenn konventionelles Schmieden oder vollständiges Beta-Schmieden auf Near-Alpha-, Alpha + Beta- und Near-Beta-Legierungen angewendet wird, kann die Kombination der erreichten Eigenschaften hinter den Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen zurückbleiben. Beim nahezu -Beta-Schmieden wird der Knüppel auf eine Temperatur nahe dem Phasenübergangspunkt - erhitzt, der in der Praxis im oberen Teil des Zwei-{7}}Phasenfeldes - gehalten wird, sodass die Legierung verformt wird, während eine kontrollierte Menge an Betaphase vorhanden ist.
Die Arbeit in diesem engen Fenster verfeinert die transformierte Struktur und erzeugt eine feine lamellare oder gemischte Mikrostruktur, die die Gesamtleistungsbilanz verbessert, anstatt eine Eigenschaft gegen eine andere einzutauschen. Das Near--Beta-Schmieden wird daher für große Schmiedestücke und für Komponenten verwendet, bei denen eine sehr hohe und sehr konstante Leistung erforderlich ist, und es eignet sich besonders für Near--Beta-Legierungen, die für die Verarbeitung in diesem Bereich ausgelegt sind.
Die drei Routen vergleichen und eine auswählen
Für Klasse 5 (Ti–6Al–4V) mit einem Beta-Transus nahe 995 Grad kann das Temperaturfenster für jede Route wie folgt zusammengefasst werden. Die Abbildungen beschreiben den Erwärmungszustand des Knüppels im Verhältnis zum Transus; Der tatsächliche Sollwert hängt von der spezifischen Legierung und dem qualifizierten Verfahren des Schmiedelieferanten ab.
| Route | Billet-Erwärmung | Resultierende Struktur | Immobilienschwerpunkt | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|---|
| Alpha + Beta (konventionell) | Etwa 40–50 Grad unterhalb des Transus | Fein gleichachsig oder bimodal | Ausgewogene Festigkeit, Duktilität und Dauerfestigkeit | Scheiben, Ringe, Stangen, allgemeine Strukturschmiedeteile |
| Beta | Oberhalb des Transus | Grobes Lamellen- oder Korbgeflecht | Kriechfestigkeit und Bruchzähigkeit; geringere Presslast | Sehr große Schmiedestücke, Bauteile mit hoher{0}}Temperatur |
| Nahe-Beta | In der Nähe des Transus, im oberen Zwei-{0}}Phasenfeld | Feinlamellar oder gemischt | Beste Gesamteigenschaftenanpassung bei hohem Leistungsniveau | Große, hochbelastete, leistungskritische-Schmiedeteile |
Die Routenauswahl ergibt sich aus der Komponente, nicht aus Präferenz. Der Legierungstyp, die erforderliche Form und Größe, die verfügbare Presskapazität und die angegebene Kombination aus statischer Festigkeit, Ermüdungslebensdauer, Bruchzähigkeit und Kriechfestigkeit schränken die Auswahl ein. Sobald die Route festgelegt ist, müssen die steuerbaren Variablen - Heizrate, Haltetemperatur, Verformungsmenge pro Durchgang, Dehnungsrate und Abkühlrate nach dem Schmieden - festgelegt und aufgezeichnet werden, da dieselbe Legierung, etwas außerhalb ihres Fensters genommen, die qualifizierte Struktur nicht reproduzieren kann.
Auch die Überprüfung eines Titanschmiedestücks geht über die Dimensionen hinaus. Schmiedeteile werden normalerweise nach Spezifikationen wie ASTM B381 / ASME SB381 und AMS 4928 oder GB/T 2965 geliefert, mit Ultraschallprüfung auf interne Diskontinuitäten, chemischer und mechanischer Prüfung an einem Opfer- oder separat geschmiedeten Teststück und, falls erforderlich, mikrostruktureller Prüfung, um zu bestätigen, dass die beabsichtigte Struktur erreicht wurde. Die Überprüfung der Mikrostruktur ist der Beweis dafür, dass die Schmiederoute tatsächlich die im Entwurf angenommene Leistung erbracht hat.
Häufig gestellte Fragen
F: Welche drei Schmiedewege gibt es für Titanlegierungen?
Alpha + Beta-Schmieden, bekannt als konventionelles Schmieden; Beta-Schmieden, durchgeführt oberhalb des Phasenübergangspunkts; und Near-Beta-Schmieden, das nahe dem Phasenübergangspunkt durchgeführt wird.
F: Welche Temperatur wird beim herkömmlichen Titanschmieden verwendet?
Der Barren wird auf etwa 40 bis 50 Grad unterhalb des Phasenübergangspunkts erhitzt, so dass die Verformung im Zweiphasenfeld stattfindet und eine feine gleichachsige oder bimodale Struktur erhalten bleibt.
F: Warum wird Beta-Schmieden für sehr große Komponenten verwendet?
Da das Arbeiten in der Beta-Phase den Verformungswiderstand erheblich verringert und die Prozessplastizität erhöht, kann eine Presse mit geringerer Tonnage ein größeres Schmiedestück produzieren, als dies im Zwei-Phasen-Bereich möglich wäre.
F: Welches Problem wird durch Near-Beta-Forging gelöst?
Es verbessert die allgemeine Eigenschaftsübereinstimmung von Legierungen nahe -Alpha, Alpha + Beta und nahe -Beta, die bei der Verarbeitung durch konventionelles oder vollständiges Beta-Schmieden eine unausgewogene Eigenschaftskombination aufweisen können.
F: Bedeutet eine höhere Schmiedetemperatur immer bessere Eigenschaften?
Nein. Beta-Schmieden begünstigt die Kriechfestigkeit und Bruchzähigkeit, führt jedoch zu gröberen Körnern und geringerer Duktilität und Ermüdungsfestigkeit. Daher muss die Route an die Betriebsanforderung angepasst werden.
F: Wie wird ein Titanschmiedestück nach der Bearbeitung überprüft?
Durch Maßprüfung, Ultraschallprüfung auf innere Mängel, chemische und mechanische Tests gemäß den geltenden Spezifikationen und Mikrostrukturprüfung zur Bestätigung, dass die beabsichtigte Struktur hergestellt wurde.
