I. Basi teoriche e caratteristiche tecnologiche della lavorazione della plastica in lega di titanio
1. Principi comuni della lavorazione della plastica dei metalli L'essenza della lavorazione della plastica delle leghe di titanio è quella di utilizzare la capacità di deformazione plastica dei metalli solidi per modificare la loro microstruttura attraverso la forza esterna, ottenendo infine materiali di titanio con la forma e le proprietà desiderate. Questo processo segue la teoria classica della lavorazione metallo-plastica, tra cui:
• Relazione stress-deformazione: lo stress da flusso delle leghe di titanio mostra una relazione non-lineare con la temperatura di deformazione e la velocità di deformazione;
• Meccanismo di ricristallizzazione: la ricristallizzazione dinamica è fondamentale per raffinare i grani e migliorare la plasticità;
• Attrito e lubrificazione: il coefficiente di attrito durante la laminazione influisce direttamente sulla qualità della forma della lamiera. Consenso tecnico: la lavorazione delle leghe di titanio richiede un equilibrio tra temperatura, entità della deformazione e controllo dell'ossidazione per evitare la generazione di grani grossolani e difetti superficiali.
2. Sfide uniche delle leghe di titanio Rispetto ai metalli tradizionali come acciaio, rame e alluminio, la difficoltà di lavorazione delle leghe di titanio risiede in:
• Elevata resistenza alla deformazione: il limite di snervamento del titanio puro è tre volte quello dell'alluminio e il tasso di incrudimento delle leghe di titanio (come GR5) è fino al doppio di quello dell'acciaio;
• Finestra di plasticità stretta: il titanio puro ha scarsa plasticità a temperatura ambiente e richiede la laminazione a caldo a 200-450 gradi o laminazione a caldo a oltre 800 gradi per ottenere una buona formabilità;
• Sensibile all'ossidazione ad alta-temperatura: il titanio si ossida rapidamente sopra i 600 gradi, formando uno strato di ossido duro e fragile (TiO₂), aumentando la difficoltà della successiva lavorazione;
• Forte tendenza ad assorbire gas: assorbe facilmente elementi interstiziali come idrogeno e ossigeno durante il riscaldamento o il decapaggio, portando a "infragilimento da idrogeno" o "infragilimento da ossigeno". Caso di studio: Nella produzione di lamiere aerospaziali, un errore nel controllo della temperatura di riscaldamento ha provocato uno spessore eccessivo dello strato di ossido, causando infine la rottamazione dell'intero lotto di lamiera, con conseguenti perdite di diversi milioni di yuan.
II. Flusso del processo principale per la produzione di piastre, strisce e lamine in lega di titanio
1. Preparazione e pretrattamento della lastra
• Selezione della materia prima: lingotti di titanio di elevata-purezza preparati utilizzando processi VAR (Vacuum Arsenic Arc Refining) o EB (Electron Beam Refining), con contenuto di impurità inferiore o uguale allo 0,1%;
• Trattamento superficiale: rimozione dei difetti superficiali (come cricche e inclusioni) dal lingotto mediante sabbiatura o tornitura per impedire la propagazione della cricca durante la lavorazione;
• Controllo Dimensionale: Progettazione dello spessore della lastra secondo le specifiche del prodotto finito; lo spessore-della lastra laminata a caldo è generalmente di 150-300 mm. Requisiti standard: Rugosità superficiale della lastra Ra inferiore o uguale a 3,2μm per garantire la successiva stabilità al rotolamento.
2. Controllo del processo di riscaldamento
• Riscaldamento a caldo:
• Metodo di riscaldamento segmentato: innanzitutto riscaldare a 600 gradi a una velocità inferiore o uguale a 50 gradi/h, mantenere per 2 ore, quindi riscaldare rapidamente a 950-1050 gradi (+ regione di fase);
• Protezione dell'atmosfera: introdurre gas argon o utilizzare il riscaldamento sotto vuoto nel forno di riscaldamento elettrico per ridurre il tasso di ossidazione;
• Uniformità della temperatura: monitoraggio in tempo reale con un termometro a infrarossi, deviazione della temperatura inferiore o uguale a ±10 gradi.
• Riscaldamento a caldo: controllato a 650-750 gradi, spessore dello strato di ossido inferiore o uguale a 2μm, può essere rimosso direttamente mediante decapaggio. Parametri chiave: la deviazione della temperatura di riscaldamento deve essere controllata entro ±10 gradi per evitare il surriscaldamento locale che porta all'ingrossamento del grano.
3. Progettazione del processo di laminazione
(1) Processo di laminazione a caldo
• Temperatura iniziale di laminazione: 980-1020 gradi, temperatura finale di laminazione maggiore o uguale a 850 gradi;
• Riduzione per passaggio: riduzione al primo passaggio Inferiore o uguale al 15%, passaggi successivi aumentano gradualmente fino al 30%-40%;
• Controllo del grano: la deformazione del passaggio finale viene completata nella regione della fase (inferiore o uguale a 882 gradi), affinando il grano al grado ASTM 8-10;
• Controllo della forma: il sistema idraulico di piegatura del rullo viene utilizzato per controllare lo stress residuo inferiore o uguale a 50 MPa.
(2) Processo di laminazione a caldo
• Intervallo di temperatura: 600-700 gradi, utilizzando le caratteristiche di ricristallizzazione dinamica del titanio per migliorare la plasticità;
• Controllo dello strato di ossido: spessore dello strato di ossido post-laminazione inferiore o uguale a 2μm, che può essere rimosso direttamente mediante decapaggio;
• Pianificazione della passata: riduzione della passata singola inferiore o uguale all'8%, deformazione totale inferiore o uguale al 30%, evitando la rottura dei bordi. Vantaggi: la laminazione a caldo può omettere il processo di ricottura intermedia, accorciando il ciclo produttivo di oltre il 20%.
(3) Processo di laminazione a freddo
• Design multi-passaggio: le piastre sottili da 0,3-1,8 mm devono essere laminate a freddo in 5-8 passaggi, con la quantità di deformazione controllata al 10%-15% per passaggio;
• Ricottura intermedia: la ricottura sotto vuoto (650 gradi/2 ore) viene eseguita quando la quantità di deformazione cumulativa raggiunge il 30% per eliminare l'incrudimento;
• Qualità della superficie: viene adottata la tecnologia di lubrificazione del rivestimento a rullo per ridurre i difetti dovuti ai graffi. Trattamento dei materiali altolegati: per le leghe di tipo + come Ti-6Al-4V, la quantità di deformazione per passaggio deve essere ridotta al 5%-8% per prevenire la rottura dei bordi.
4. Finitura e post-trattamento
• Processo di decapaggio:
• Metodo in due-fasi: innanzitutto, lo strato di ossido viene rimosso con una miscela di acido HF + 30%HNO₃ al 10% e quindi passivato con acido citrico al 5%;
• Alternativa rispettosa dell'ambiente: sviluppare un processo di decapaggio senza fluoro-per ridurre la quantità di acido fluoridrico utilizzato di oltre l'80%.
• Processo di raddrizzatura: lo stress residuo viene eliminato utilizzando una piastra a dieci-rulli, ottenendo una rettilineità inferiore o uguale a 1 mm/m;
• Ispezione della superficie: i difetti sottocutanei vengono rilevati utilizzando un rilevatore di difetti a correnti parassite per garantire l'assenza di crepe, inclusioni e altri difetti.
III. Indicazioni per l'ottimizzazione dei processi e tendenze del settore
1. Tecnologia di formatura Near-Net-Shape: sviluppo di una tecnologia di laminazione di precisione per ridurre le tolleranze di lavorazione dai tradizionali 3 mm fino a 0,5 mm;
2. Controllo intelligente: introduzione della tecnologia del gemello digitale per monitorare la forza di laminazione, il campo della temperatura e altri parametri in tempo reale, consentendo la regolazione adattiva del processo;
3. Produzione ecologica: promozione di processi di decapaggio senza fluoro-per ridurre i rischi di inquinamento ambientale;
4. Lavorazione dei compositi: esplorazione della tecnologia di formatura dei compositi con laminazione laser-per superare i limiti di formatura a temperatura ambiente delle leghe di titanio;
5. Formatura superplastica: raggiungimento della superplasticità delle leghe di titanio a 850-950 gradi attraverso il controllo della microstruttura per la formatura integrata di parti strutturali complesse.