I. Theoretische Grundlagen und technologische Eigenschaften der Kunststoffverarbeitung von Titanlegierungen
1. Gemeinsame Prinzipien der Kunststoffverarbeitung von Metallen Das Wesen der Kunststoffverarbeitung von Titanlegierungen besteht darin, die plastische Verformungsfähigkeit fester Metalle zu nutzen, um ihre Mikrostruktur durch äußere Kraft zu ändern und letztendlich Titanmaterialien mit der gewünschten Form und den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Dieser Prozess folgt der klassischen Theorie der Metall-Kunststoff-Verarbeitung, einschließlich:
• Spannungs-Dehnungsbeziehung: Die Fließspannung von Titanlegierungen weist eine nicht-lineare Beziehung mit der Verformungstemperatur und der Dehnungsrate auf;
• Rekristallisationsmechanismus: Dynamische Rekristallisation ist der Schlüssel zur Verfeinerung der Körner und zur Verbesserung der Plastizität;
• Reibung und Schmierung: Der Reibungskoeffizient beim Walzen hat direkten Einfluss auf die Qualität der Blechform. Technischer Konsens: Die Verarbeitung von Titanlegierungen erfordert ein Gleichgewicht zwischen Temperatur, Verformungsgrad und Oxidationskontrolle, um die Entstehung grober Körner und Oberflächenfehler zu vermeiden.
2. Einzigartige Herausforderungen von Titanlegierungen Im Vergleich zu herkömmlichen Metallen wie Stahl, Kupfer und Aluminium liegen die Verarbeitungsschwierigkeiten von Titanlegierungen in Folgendem:
• Hohe Verformungsbeständigkeit: Die Streckgrenze von reinem Titan ist dreimal so hoch wie die von Aluminium und die Kaltverfestigungsrate von Titanlegierungen (wie GR5) ist bis zu doppelt so hoch wie die von Stahl;
• Enges Plastizitätsfenster: Reines Titan hat bei Raumtemperatur eine schlechte Plastizität und erfordert Warmwalzen bei 200–450 Grad oder Warmwalzen bei über 800 Grad, um eine gute Formbarkeit zu erreichen;
• Empfindlich gegenüber Hochtemperaturoxidation: Titan oxidiert schnell über 600 Grad und bildet eine harte und spröde Oxidschicht (TiO₂), was die spätere Verarbeitung schwieriger macht;
• Starke Neigung zur Gasaufnahme: Es nimmt beim Erhitzen oder Beizen leicht interstitielle Elemente wie Wasserstoff und Sauerstoff auf, was zu „Wasserstoffversprödung“ oder „Sauerstoffversprödung“ führt. Fallstudie: Bei der Produktion von Blechen für die Luft- und Raumfahrtindustrie führte ein Fehler in der Heizungstemperaturregelung zu einer übermäßigen Dicke der Oxidschicht, was letztendlich dazu führte, dass die gesamte Blechcharge verschrottet wurde, was zu Verlusten in Höhe von mehreren Millionen Yuan führte.
II. Kernprozessablauf für die Herstellung von Platten, Bändern und Folien aus Titanlegierungen
1. Plattenvorbereitung und Vorbehandlung
• Rohstoffauswahl: Hochreine Titanbarren, hergestellt mit VAR- (Vacuum Arsenic Arc Refining) oder EB- (Electron Beam Refining) Verfahren, mit einem Verunreinigungsgehalt von weniger als oder gleich 0,1 %;
• Oberflächenbehandlung: Entfernen von Oberflächenfehlern (z. B. Rissen und Einschlüssen) vom Barren durch Sandstrahlen oder Drehen, um die Rissausbreitung während der Verarbeitung zu verhindern;
• Maßkontrolle: Gestaltung der Plattendicke gemäß den Spezifikationen des fertigen Produkts; Die Dicke der warmgewalzten Bramme beträgt typischerweise 150–300 mm. Standardanforderungen: Oberflächenrauheit Ra der Bramme kleiner oder gleich 3,2 μm, um die spätere Walzstabilität sicherzustellen.
2. Heizungsprozesssteuerung
• Warmwalzenerwärmung:
• Segmentierte Heizmethode: Zuerst auf 600 Grad mit einer Geschwindigkeit von weniger als oder gleich 50 Grad pro Stunde erhitzen, 2 Stunden lang halten und dann schnell auf 950–1050 Grad erhitzen (+ Phasenbereich);
• Atmosphärenschutz: Leiten Sie Argongas ein oder verwenden Sie Vakuumheizung im elektrischen Heizofen, um die Oxidationsrate zu reduzieren.
• Temperaturgleichmäßigkeit: Überwachung in Echtzeit mit einem Infrarot-Thermometer, Temperaturabweichung kleiner oder gleich ±10 Grad.
• Warmwalzerhitzung: Kontrolliert auf 650–750 Grad, Oxidschichtdicke kleiner oder gleich 2 μm, kann direkt durch Beizen entfernt werden. Schlüsselparameter: Die Abweichung der Heiztemperatur muss innerhalb von ±10 Grad kontrolliert werden, um eine lokale Überhitzung zu vermeiden, die zu einer Kornvergröberung führt.
3. Design des Walzprozesses
(1) Warmwalzprozess
• Anfangswalztemperatur: 980–1020 Grad, Endwalztemperatur größer oder gleich 850 Grad;
• Reduzierung pro Durchgang: Reduzierung beim ersten Durchgang. Weniger als oder gleich 15 %, nachfolgende Durchgänge erhöhen sich schrittweise auf 30–40 %;
• Kornkontrolle: Die Verformung im letzten Durchgang wird im Phasenbereich (weniger als oder gleich 882 Grad) abgeschlossen, wodurch das Korn auf die Qualität ASTM 8-10 verfeinert wird.
• Formkontrolle: Das hydraulische Biegerollensystem wird zur Kontrolle der Restspannung von weniger als oder gleich 50 MPa verwendet.
(2) Warmwalzprozess
• Temperaturbereich: 600–700 Grad, Nutzung der dynamischen Rekristallisationseigenschaften von Titan zur Verbesserung der Plastizität;
• Kontrolle der Oxidschicht: Dicke der Oxidschicht nach dem Walzen kleiner oder gleich 2 μm, die direkt durch Beizen entfernt werden kann;
• Durchlaufplanung: Einzeldurchgangsreduzierung kleiner oder gleich 8 %, Gesamtverformung kleiner oder gleich 30 %, Vermeidung von Kantenrissen. Vorteile: Beim Warmwalzen kann der Zwischenglühvorgang entfallen, wodurch der Produktionszyklus um mehr als 20 % verkürzt wird.
(3) Kaltwalzprozess
• Design mit mehreren Durchgängen: 0,3–1,8 mm dünne Bleche müssen in 5–8 Durchgängen kaltgewalzt werden, wobei der Verformungsgrad auf 10–15 % pro Durchgang kontrolliert werden muss;
• Zwischenglühen: Vakuumglühen (650 Grad/2 Stunden) wird durchgeführt, wenn die Gesamtverformung 30 % erreicht, um eine Kaltverfestigung zu verhindern.
• Oberflächenqualität: Die Walzenbeschichtungsschmierungstechnologie wird eingesetzt, um Kratzerfehler zu reduzieren. Behandlung hochlegierter Materialien: Bei Legierungen vom Typ + wie Ti-6Al-4V muss der Verformungsgrad pro Durchgang auf 5–8 % reduziert werden, um Kantenrisse zu verhindern.
4. Endbehandlung und Nachbehandlung
• Beizprozess:
• Zwei{0}}Schritt-Methode: Zuerst wird die Oxidschicht mit einer Mischung aus 10 % HF + 30 %HNO₃-Säure entfernt und dann mit 5 % Zitronensäure passiviert;
• Umweltfreundliche Alternative: Entwickeln Sie ein fluorfreies Beizverfahren, um die Menge der verwendeten Flusssäure um mehr als 80 % zu reduzieren.
• Richtprozess: Restspannungen werden mit einem Zehn-{0}Rollen-Richtgerät beseitigt, wodurch eine Geradheit von weniger als oder gleich 1 mm/m erreicht wird;
• Oberflächeninspektion: Subkutane Defekte werden mithilfe eines Wirbelstrom-Fehlerdetektors erkannt, um sicherzustellen, dass keine Risse, Einschlüsse und andere Defekte vorhanden sind.
III. Richtungen der Prozessoptimierung und Branchentrends
1. Near-Net-Shape Forming-Technologie: Entwicklung einer Präzisionswalztechnologie zur Reduzierung der Bearbeitungszugaben von herkömmlichen 3 mm auf weniger als 0,5 mm;
2. Intelligente Steuerung: Einführung der Digital-Twin-Technologie zur Überwachung der Walzkraft, des Temperaturfelds und anderer Parameter in Echtzeit, was eine adaptive Prozessanpassung ermöglicht;
3. Grüne Fertigung: Förderung fluor-freier Beizverfahren zur Reduzierung von Umweltverschmutzungsrisiken;
4. Verbundwerkstoffverarbeitung: Erforschung der Laser--Walz-Umformtechnologie für Verbundwerkstoffe, um die Umformgrenzen von Titanlegierungen bei Raumtemperatur zu durchbrechen;
5. Superplastische Umformung: Erzielung einer Superplastizität von Titanlegierungen bei 850–950 Grad durch Mikrostrukturkontrolle für die integrierte Umformung komplexer Strukturteile.