I. Els aliatges de titani s'utilitzen àmpliament en camps aeroespacials, mèdics i altres a causa de la seva alta resistència específica i resistència a la corrosió. Tanmateix, la seva alta reactivitat química els fa propensos a reaccionar amb l'oxigen i el nitrogen durant l'escalfament a alta-temperatura per formar una capa d'òxid fràgil, la qual cosa comporta una disminució de la plasticitat del material i un augment de la capacitat de mecanitzat. Aconseguir una oxidació mínima o nul·la durant el procés d'escalfament de les palanques de forja d'aliatge de titani s'ha convertit en un repte tècnic clau per millorar la utilització del material i reduir els costos de producció. Hem explorat mètodes per controlar l'oxidació superficial de forjats d'aliatge de titani mitjançant una investigació experimental sistemàtica.
II. Materials i mètodes experimentals Les palanxes extruïdes d'aliatge de titani BT3-1 es van seleccionar com a objecte principal d'investigació, amb comparacions simultànies dels canvis de rendiment de les plaques d'aliatge BT20, OT4-1 i els tubs d'aliatge PT7M. Totes les mostres es van polir mecànicament i després es van escalfar en un forn elèctric a 950 graus -980 graus (a prop de la temperatura de transformació al·lotròpica dels aliatges de titani), amb un temps de retenció controlat en 1 hora. Les variables experimentals incloïen: tractament de pre-oxidació, recobriment protector d'esmalt de vidre, tipus de mitjà de calefacció (forn elèctric ordinari/capa de pseudo-liquefacció de material solt) i mètode de tractament de superfícies post-forja (sorra).
III. Tecnologies clau per al control de l'oxidació superficial
1. Procés de tractament previ a l'-oxidació:
Els experiments mostren que la superfície de les palangres no tractades presenta una-capa d'òxid d'escala de peix, mentre que la suavitat de la superfície de les palangres pre-oxidades es millora significativament. El tractament de pre-oxidació, mitjançant la formació d'una pel·lícula d'òxid uniforme i densa a la superfície de la palanca, inhibeix eficaçment l'oxidació profunda durant l'escalfament posterior. A més, es redueix l'adhesió del recobriment d'esmalt de vidre a la superfície de la palaneta pre-oxidada, fent que l'eliminació posterior sigui més d'un 30% més fàcil i millorant significativament l'eficiència de producció.
2. Tecnologia de recobriment protector d'esmalt de vidre:
L'aplicació d'un recobriment d'esmalt de vidre a la part superior del tractament de pre-oxidació pot reduir encara més la velocitat d'oxidació durant l'escalfament. Aquest recobriment redueix el contacte entre la palangana i els gasos oxidants mitjançant l'aïllament físic. Les dades experimentals mostren que la protecció del recobriment pot reduir el gruix de la capa d'òxid a la superfície de la palangana entre un 50% i un 70%. En particular, l'efecte sinèrgic del recobriment i la capa de pre-oxidació poden millorar la plasticitat superficial de la palangana, augmentant l'allargament de les mostres forjades entre un 15% i un 20%.
3. Tecnologia d'optimització del mitjà de calefacció:
(1) Control de calefacció del forn elèctric ordinari: quan s'escalfa en un forn elèctric convencional, la temperatura es controla estrictament per sobre de la temperatura de transformació al·lotròpica i el temps de retenció és inferior o igual a 1 hora per evitar una absorció evident de gas a la superfície. La capa d'òxid formada es pot eliminar amb eficàcia per sorra, i la taxa de pèrdua de material es controla en un 5%. (2) Tecnologia d'escalfament de la pseudo-capa de liqüefacció de material solt: aquesta tecnologia escalfa la palangana enterrant-la en una pseudo-capa de liqüefacció composta de mitjans granulars (com ara pols d'alúmina) i utilitza l'intens moviment relatiu entre les partícules del medi per millorar l'intercanvi de calor. Els experiments mostren que la seva eficiència de transferència de calor és 1,5 ordres de magnitud superior a la d'un forn de convecció forçada, apropant-se al nivell d'un forn de sal fosa. Aquesta tecnologia pot aconseguir un escalfament ràpid i uniforme de la palangana, escurçant el temps d'escalfament entre un 40% i un 60% i, al mateix temps, reduint significativament la tendència a l'oxidació mitjançant l'efecte d'aïllament del medi, reduint el gruix de la capa d'òxid superficial en més d'un 80%.
Cas d'aplicació: hem utilitzat l'enfortiment de la dispersió Y₂O₃ + recobriment de difusió tèrmica en discos de turbina d'aliatge de titani-niobi, que va augmentar la resistència a la fluència a 650 graus en un 35% i va reduir la velocitat de fluència a 1 × 10⁻⁸/s.
IV. Optimització del procés de tractament superficial:
El sorra després de la forja de matriu és un pas clau per millorar el rendiment de les forjades. El sorra convencional pot eliminar la capa d'òxid superficial i la capa d'absorció de gas-, reduint el valor Ra de la rugositat superficial per sota de 3,2 μm, alhora que millora la plasticitat mitjançant l'enfortiment de la superfície. Per als blancs amb recobriments d'esmalt de vidre, la pressió de sorra s'ha de controlar dins del rang de 0,3 a 0,5 MPa per evitar danys excessius al material base.
V. Conclusions:
1. L'aplicació sinèrgica del tractament de pre-oxidació i el recobriment d'esmalt de vidre pot construir un sistema de protecció de doble-capa de "control d'oxidació actiu + protecció d'aïllament passiu", millorant significativament la qualitat de la superfície dels forjats d'aliatge de titani.
2. La tecnologia d'escalfament de la pseudo-capa de liqüefacció de material solt aconsegueix el doble objectiu de l'escalfament eficient i el control de l'oxidació optimitzant el mecanisme de transferència de calor, la qual cosa la fa especialment adequada per a la producció massiva de forjats de forma-complexa.
3. El control precís dels paràmetres del procés (temperatura, temps, pressió de sorra, etc.) és crucial per garantir el rendiment integral dels forjats d'aliatge de titani; s'han d'establir especificacions de procés estandarditzades segons els graus d'aliatge específics.
El control de l'oxidació superficial dels forjats d'aliatge de titani és essencialment un projecte integral d'enginyeria de sistemes que integra "procés, medi ambient i post{0}}tractament".
Amb el suport de les indústries locals de Baoji, la forja al buit + la protecció de gas inert + el decapatge i la passivació s'han convertit en la solució principal, mentre que el recobriment d'alta -temperatura i el control digital ho estan impulsant cap a l'objectiu d'"oxidació zero".
Per a camps-de gamma alta com ara l'aeroespacial i l'energia nuclear, la forja al buit + el recobriment PVD és la millor manera d'aconseguir una "oxidació de grau zero-de servei".
