티타늄합금의 소성성형 연구

최근 몇 년 동안 티타늄 합금은 저밀도, 고강도, 우수한 내식성 및 우수한 저온 성능으로 인해 널리 사용되었습니다. 그러나 냉간 가소성이 낮고 복원력이 높으며 가공이 어렵기 때문에 현재의 티타늄 합금 가공 기술은 대부분 열간 프레스 성형입니다. 고온에서 티타늄 합금은 산화, 마모 및 기타 문제가 발생하기 쉽기 때문에 해당 조치도 필요합니다. 고온에 견디는 금형 및 가열 장비도 운영 측면에서 더 많은 비용이 필요합니다. 따라서 티타늄 합금의 소성 성형 핵심 기술의 개발 상황과 향후 개발 동향을 연구하는 것은 티타늄 합금의 응용 수준을 향상시키는 데 큰 의미가 있습니다.

⑴등온성형 기술

등온 성형 공정은 시트의 가소성과 유동 특성을 효과적으로 향상시키고, 금속 흐름의 균일성을 향상시키며, 변형 압력을 감소시킬 수 있습니다. 어떤 사람들은 등온 성형 기술(블랭크와 금형을 변형 온도까지 가열하고 블랭크와 금형의 온도는 성형 공정 중에 기본적으로 변하지 않은 상태로 유지되는 성형 방법)을 사용하여 티타늄으로 판금 부품을 제조하는 것을 제안했습니다. 구조. 티타늄 합금의 변형 온도는 매우 민감합니다. 예를 들어, 변형 온도가 920도에서 820도로 떨어지면 티타늄 합금의 변형 저항은 거의 두 배로 증가하고 초소성 변형력은 일반 압연의 약 1/30~1/10에 불과합니다. 그 중 등온성형과 초소성성형은 다르지만, 등온성형이 재료의 변형저항을 감소시키고 재료의 소성성을 향상시키는 효과는 초소성성형만큼 크지는 않다. 초소성 압력 가공의 주요 장점은 재료가 극심한 변형을 이룰 수 있다는 것입니다. 그러나 많은 공정에서는 100%~200% 변형이 필요하지 않습니다. 일반적으로 금속 단조 비율은 5이며 이는 변형이 75%에 도달함을 의미합니다. 부품의 고성능을 보장하기 위해 항상 최적일 필요는 없습니다. 또한, 거친 라멜라 미세구조는 피로균열 확장에 대한 안정성이 더 우수합니다. 등온성형 기술은 재료의 불안정성을 획기적으로 개선할 수 있지만, 원스텝 일체형 성형기술이므로, 좋은 제품이 국부적인 결함 등의 국부적인 결함이 발생하지 않을 것이라고 보장하기는 어렵습니다. 결함이 발견되면 나중에 결함 문제를 해결할 수 없으며 이는 티타늄 합금 제품 전체의 품질에 영향을 미칩니다. 이 문제는 향후 기술 발전에서 극복해야 할 문제 중 하나로 자리 잡았다.

⑵ 크리프 형성 기술

크리프 변형은 특정 온도에서 공구 및 금형의 작용에 따라 금속 시트가 변형되어 이상적인 형상을 얻은 후 온도와 하중이 변하지 않아 공작물 내부에서 응력 완화가 발생하고 탄성 변형률이 변하는 것을 의미합니다. 잔류 응력 및 스프링백이 기본적으로 제거될 때까지 영구 소성 변형이 발생하고 최종 냉각 후 이상적인 공작물 형상이 얻어집니다. 크리프 변형 과정에서 크리프 추진력은 응력이 가해집니다. 크리프가 진행됨에 따라 탄성 변형률이 감소하여 내부 응력이 감소하고 이에 따라 적용 응력도 감소합니다. 일부 연구자들은 열간 인장 크리프 공정이 새로운 유형의 얇은 벽 티타늄 합금 복합재 성형 공정이라고 지적했습니다. 이 공정은 저항 가열과 같은 가열 방법을 사용하여 벽이 얇은 금속 시트나 프로파일을 열간 성형 온도까지 가열한 후 연신하고 구부리는 공정입니다. 최종 형태가 형성됨에 따라 온도는 일정하게 유지되고 재료는 금형 표면에 대해 인장 방향으로 크리프됩니다. 이는 형성된 공작물 내의 응력 감소와 온라인 응력 완화로 이어집니다. 잔류 응력이 감소하여 부품의 스프링백이 감소하고 성형 정확도가 향상됩니다. 연구현황, 공정원리, 핵심장비, 가공기술, 신공정기술의 장점과 단점 등을 소개한다. 마지막으로 열간 신선-크리프 복합재 성형 기술의 응용 전망을 전망한다. 일부 연구자들은 티타늄 합금이 뛰어난 기계적 특성과 부식 특성, 상대적으로 가벼운 무게로 인해 기체 운반과 같은 항공우주 응용 분야에 자주 사용된다고 지적했습니다. 그러나 티타늄 합금은 실온에서 형성하기가 매우 어렵습니다. 따라서, 성형성을 향상시키고 스프링백을 줄이기 위해 티타늄 합금 프로파일 성형에 열간 인발 굽힘 크리프 성형 공정이 사용됩니다. 열간 연신 굽힘 및 크리프 성형의 원리는 열연신 굽힘 단계 후 선택한 체류 시간에 금형에 공작물을 유지하여 응력 완화 단계를 수행하는 것입니다. 이를 통해 저렴한 툴링과 우수한 반복성을 포함하여 낮은 잔류 응력과 최소 스프링백의 이점을 얻을 수 있습니다. 크리프 거동을 특성화하기 위해 Arrhenius 모델이 사용되었으며, ABAQUS에서는 고온 인장 굽힘 크리프 변형 공정의 유한 요소 모델이 확립되었습니다. 유한 요소 시뮬레이션 결과는 응력 완화 단계에서 잔류 응력이 크게 감소하고 잔류 응력이 낮으면 스프링백이 작아지는 것을 보여줍니다. 예측된 Springback 값은 실험 결과와 잘 일치합니다. 일부 연구자들은 크리프 또는 응력 완화가 티타늄 합금 판의 열간 성형 스프링백을 줄이는 주요 메커니즘이라고 지적했습니다. 지금까지 이 두 현상의 차이점과 연관성은 명확하게 밝혀지지 않았습니다. Ti6Al4V 합금에 대해 고온 단기 크리프 및 응력 완화 테스트를 수행했습니다. 투과전자현미경을 이용하여 합금의 미세구조를 관찰하였다. 크리프 및 응력 완화 거동에 대한 온도, 응력 및 시간의 영향을 각각 연구했습니다. 크리프 변형률-시간과 변형률 속도-시간 관계를 기반으로 두 현상 간의 상관관계와 차이를 비교했습니다. 결과는 저온 및 낮은 응력 하에서 원자 확산이 크리프 거동을 제어하고, 고온 및 높은 응력 하에서 전위 미끄러짐 및 상승이 크립 거동을 제어한다는 것을 보여줍니다. 응력 완화 거동은 주로 전위 크리프에 의해 제어됩니다. 크리프 데이터로부터 예측된 응력 완화 거동은 실험 결과와 잘 일치합니다.

⑶ 스프링백 제어 및 사전 최적화된 정밀 플라스틱 성형 기술

① 다양한 규격을 통한 Springback 제어

티타늄 합금 소재는 변형 저항이 크고 탄성 계수가 낮으며 이방성이 강하기 때문에 스프링백을 제어하는 ​​것은 티타늄 플라스틱 가공에서 매우 중요합니다. 이는 제품의 크기와 형태의 오차에 큰 영향을 미칩니다. 지금까지 우리는 스프링백으로 인한 성형오차를 최소화하기 위해 많은 노력을 기울여 왔습니다. 최적화 기술과 결합된 유한 요소 시뮬레이션은 가장 일반적으로 사용되는 방법입니다. TC1 항공기 코팅의 냉간 신장 형성 중 스프링백을 줄이기 위해 최적화된 방법이 개발되었습니다. 최적화 모델에서는 암시적 반발 해석 대신 유한 요소로 계산된 응력 차이의 수학적 공식을 반발 강도의 지표로 설정하고 다중 섬 유전 알고리즘을 사용합니다(유전 알고리즘의 경우 목적 함수는 다중 -극값 함수, 가설을 통해 지역 최적 지점 찾기,) 최적 로딩 매개변수 찾기. 공정 매개변수의 최적화된 설계는 스프링백 양을 효과적으로 줄이고 성형 정확도를 향상시킵니다. 연구 결과는 판금 성형 공정의 스프링백 제어 및 기술에 대한 지침을 제공합니다. 누군가 자체 개발한 TA18 합금(Ti{5}}AI-2.5V) 수치 제어(NC) 회전 튜브 굽힘을 기반으로 유한 요소 모델을 제안했습니다. 다변량 단계별 분석을 통해 굽힘 각도, 재료 특성 및 Springback 각도 간의 정량적 관계가 확립되었습니다. . 일부 학자들은 굽힘 및 성형 공정 중 상업용 순수 티타늄(CP-Ti) 부품의 탄성력을 예측하기 위해 Hill의 이방성 기준을 사용했습니다. 일부 학자들은 TC4 벤딩 로드의 스프링백이 탄성 상태로 유지되는 중간 재료 영역의 크기에 따라 달라지며, 이는 굽힘 반경, 굽힘 각도 및 굽힘 요소의 직경/두께와 같은 가공 및 기하학적 매개변수에 내부적으로 의존한다고 믿습니다. . 일부 학자들은 통계적 방법을 사용하여 하이드로포밍 공정 중 스프링백 각도와 성형 매개변수 간의 관계를 계산합니다. 이는 툴링 설계자와 기술자가 제조 리드 타임을 단축할 수 있는 효과적인 방법을 제공합니다. 일부 학자들은 CP-Ti 시트의 스프링백 보상에 대한 온도의 영향을 연구했습니다. 결과는 온도가 낮아지면 탄력성이 크게 감소한다는 것을 보여줍니다.

②조립식 부품 및 금형 최적화 방법

조립식 부품과 금형 최적화를 통해 본체 성형 오류를 크게 줄일 수 있으며 이는 시트 근처 성형에 매우 중요합니다. 역방향 시뮬레이션 기술은 개입 성형 설계에 널리 사용됩니다. 일부 학자들은 TA15 합금의 초기 빌렛을 최적화하기 위해 단계적 역최적화 방법을 제안했습니다. 연구를 통해 최적화 대상을 결정하는 데 사용되는 수정 표면의 선택이 최적화의 기초이며 아이소메트릭 오프셋이 최적화의 정확성과 신뢰성을 결정한다는 것을 발견했습니다.

⑷ 불량관리 기술

티타늄 합금은 TA18 티타늄 합금 회전 굽힘, TCI 티타늄 합금 순수 티타늄 신장 성형, 단일 포인트 증분 성형 등과 같은 냉간 성형 중에 파손되기 쉽습니다. CP-Ti 시트의 단일 포인트 증분 성형(SPIF) 공정에서, 연구 결과에 따르면 티타늄 합금 시트의 소성 성형 가공물의 두께는 깊이가 증가함에 따라 감소하여 성형 공정 중 파손 및 과도한 신축을 방지하는 것으로 나타났습니다. 신장 후 힘은 TCI 티타늄 합금의 냉간 신장으로 인한 파손 위험을 초래합니다. 스트레칭 전후에 힘을 최적화하면 파손을 피할 수 있습니다. Ti-15-3의 변형율 주기 초가소성 시험의 속도 파형은 변형이 고르지 않은 곳에서 파손이 발생할 수 있음을 보여줍니다. 처음으로 30~40%의 감소율을 사용하면 골절을 피할 수 있습니다.

⑸열간방적 기술

스핀 성형은 초기 평판에 작용하는 하나 이상의 회전 휠의 회전 이송 동작을 말하며 점차적으로 시트 재료와 회전 맨드릴을 함께 맞추고 최종적으로 벽 두께가 상대적으로 얇은 중공 회전체 부품을 얻습니다. 성형 과정. 회전 공정 중에 휠에 부분적으로 하중이 가해지기 때문에 기존 판금 스탬핑에 비해 하중이 크게 줄어듭니다. 스피닝은 복잡한 회전 부품의 최종 성형 부품이나 테이퍼 부품, 단순 부품 등과 같은 거의 완성된 부품을 생산하는 데 적합한 유연한 시트 성형 방법입니다. 실온에서 성형하기 어려운 경합금의 경우 다음과 같습니다. 티타늄 합금, 마그네슘 합금 등은 특정 온도 조건에서 방사를 수행해야 하는데 이를 열간 방사라고 합니다. 동일한 온도에서 서로 다른 재료 또는 서로 다른 온도의 동일한 재료도 기계적 특성에 상당한 차이가 있기 때문입니다. 따라서 열간 방사에서는 온도 제어가 매우 중요합니다.

⑴ 결정 구조 진화의 메커니즘과 규칙

티타늄 합금의 결정 구조는 연속적인 전위 미끄러짐 또는 변형 중 쌍정의 결정 방향 회전으로 인해 형성됩니다. 변형 구조의 진화는 변형률, 온도 및 변형 모드에 매우 민감하며, 이는 이후의 미세 구조 진화와 강도, 피로 수명 및 내식성과 같은 티타늄 합금의 해당 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 변형된 구조는 일반적으로 냉간 성형 중에 형성되며 합금 구성, 초기 구조 및 가공 매개변수의 영향을 받습니다. 일부 학자들은 IMI834 합금의 날카로운 국부 구조 개발을 연구했으며 이 구조가 피로 수명을 크게 줄일 수 있음을 발견했습니다. 일부 학자들은 고온에서 CP-Ti의 변형 구조 진화를 연구하기 위해 일련의 압축 테스트를 수행했습니다. 그들은 변형된 샘플의 미세한 입자와 거친 입자의 기저 평면 모두 초기 방향에서 45도 경사각으로 회전하는 경향이 있음을 발견했습니다. 일부 학자들은 단일 노화, 저온, 고온 이중 노화, 노화 가열 속도 및 기타 공정이 Ti-10V-2Fe-3Al의 조직 변화에 미치는 영향을 연구했습니다. 열 변형 후. 그들은 초기 위상 구조가 작은 변형률에서 전개되는 반면 구조는 큰 변형률에서 얻어질 수 있음을 관찰했습니다. 또한, 재결정 구조로 알려진 재결정에 의해 구조가 형성될 수 있습니다. 일부 학자들은 재결정 과정에서 CP-Ti의 질감 변화가 2차 재결정에 의해 발생한다는 사실을 발견했습니다. 일부 학자들은 열간 압연 중 Ti{11}}Nb-7Zr-5Ta 합금의 재결정 구조 진화를 연구해 왔습니다. 두께가 90% 이상으로 감소했을 때 경사 구조가 관찰되었습니다. 그들은 표면과 중심 사이의 심각한 불균일 변형으로 인한 동적 재결정이 이러한 유형의 구조를 만든다고 믿습니다.

⑵ 형태적 진화의 메커니즘과 규칙

미세 구조 형태는 온도, 변형률, 변형률 속도, 변형 경로 및 열처리 경로와 같은 가공 매개변수에 민감합니다. 이들의 조합은 티타늄 합금의 기계적 특성에 영향을 미치는 전형적인 형태입니다. 부피 분율, 입자 크기 및 종횡비는 티타늄 합금의 미세 구조 형태를 직접적으로 결정합니다. 변형상은 우수한 종합적 특성을 가지며 항공우주, 화학 처리, 해양 및 해상, 운송 및 의학 분야에서 널리 사용됩니다. 또한 미세구조는 등축 미세구조에 비해 내구성과 강도가 우수하지만 피로 특성이 열등합니다. 상의 입자 크기가 크기 때문에 계면, 파괴 인성, 지속 시간 및 크리프 강도 등의 통합으로 인해 굽힘 방향으로 확장되고 파괴 주변의 응력장이 분산됩니다. 그러나 a상의 구속력이 부족하여 결정립 조대화가 쉽게 발생하여 인장특성에 불리한 점을 초래할 수 있다. 최근 일부 학자들은 약 15%, 50% ~ 60%의 라멜라 및 변형 매트릭스를 포함하는 새로운 3가지 모드 미세 구조를 획득하여 높은 및 낮은 사이클 피로 성능, 높은 크리프 피로 상호 작용 수명, 높은 파괴 인성 및 대략적인 단조 공정을 보여줍니다. 높은 서비스 온도. 일부 학자들은 국부적인 하중이 형성될 때 미세 구조 형태에 변형률 분포가 미치는 영향을 연구했습니다. 그들은 TA15 티타늄 합금의 미세 구조 형태가 변형 정도와 가공 단계에 따라 변한다는 것을 발견했습니다. 1차 및 라멜라 상을 갖는 변형된 입자는 처리 중 작은 변형에 의해 생성됩니다. 그리고 첫 번째 대변형에 의해 무질서한 라멜라 상을 갖는 집합 변환 행렬이 생성됩니다. 두 번째 단계에서는 변형된 매트릭스와 완전한 구형의 미세 구조 형태가 각각 중간 변형과 큰 변형을 통해 생성되었습니다.

⑶ 모델링 방법 개발

내부 상태 변수 방법은 소수의 내부 상태 변수를 사용하여 기본 현상을 설명하며 열처리 중 티타늄 합금의 미세 구조 진화를 시뮬레이션하는 데 널리 사용되었습니다. 일부 학자들은 2상 티타늄 합금의 유동 응력과 입자 크기 변화를 예측하기 위해 물리학 기반 구성 모델을 제안했습니다. 모델에서는 전체 응력이 열 활성화 응력과 비열 응력으로 구성되어 있다고 가정하며, 여기서 열 활성화 응력은 Kock-Mecking 모델로 설명됩니다. 경화 효과와 관련된 비열 응력은 전위 밀도 비율과 입자 크기 비율을 포함하는 두 개의 매개변수 내부 상태 변수로 표시됩니다. 혼합 규칙과 중첩 이론은 위상 a와 타워 위상 유동 응력의 영향을 특성화하는 데 사용됩니다. 이 모델의 예측은 티타늄 합금의 실험 결과와 잘 일치합니다. 일부 학자들은 2상 TA6 합금에 대해서도 유사한 모델을 제안했습니다. 일부 학자들은 TA15 합금의 열처리 중 중간 결정상의 입자 크기 변화를 예측하기 위해 전위 밀도와 재결정 비율이라는 두 가지 내부 상태 변수의 진화를 기반으로 하는 모델을 제안했습니다.

결정 가소성 모델은 미세한 슬라이딩 및 트위닝, 미세 규모의 불균일 변형, 미세 구조 저항 변형 및 방향 진화와 같은 물리적 메커니즘을 반영할 수 있으므로 심층적으로 개발되어 널리 사용됩니다. 이 이론에서는 속도 독립적 결정 가소성(RICP)과 속도 의존 결정 가소성(RDCP)이 각각 제안되고 개발되었습니다. RICP 수치화의 주요 문제점은 활성 슬립 시스템의 비특이성과 단결정의 소성 변형 중 시간에 무관한 전단 속도를 결정하는 것입니다. 일부 학자들은 전단율을 결정하기 전에 활성 슬립 시스템을 식별하고 슬립 시스템이 활성화되는 순서를 정량화하기 위해 반 암시적 통합 체계를 도입했습니다. RDCP 모델에서는 모든 슬립 시스템이 활성화되어 있다고 가정하여 RICP 모델에서 발생하는 문제를 극복합니다. 그러나 고차 비선형 흐름 법칙으로 인해 RDCP 모델의 적분에는 심각한 수치적 불안정성이 발생합니다. RDCP 모델을 해결하기 위한 암시적 알고리즘은 솔루션에서 우수한 안정성을 갖습니다. 그러나 이러한 계획에는 응력을 업데이트하기 위한 로컬 수준의 반복이 포함되며 전역적으로 균형을 맞추려면 상당한 계산 노력이 필요합니다. 따라서 수천 개의 요소의 3차원 형성 과정을 시뮬레이션하는 데는 거의 적용할 수 없습니다. 따라서 계산 효율성을 향상시키기 위한 명시적 알고리즘이 제안됩니다. 그들의 작업은 효과적인 것으로 입증되었지만 큰 변형과 복잡한 하중 조건에 적용하려면 추가 개선이 필요합니다. 이 이론을 티타늄 합금에 적용할 때 해결해야 할 또 다른 문제가 있습니다. 티타늄 합금의 육각형 최밀밀집 구조로 인해 슬라이딩은 위상의 주요 변형 모드인 반면 트위닝은 한 위상의 선택적 모드입니다. 변형된 쌍정에 의해 생성된 많은 수의 새로운 방향을 처리하는 방법에는 주 이중 방향(PTR) 방법, 부피 분율 전달(VFT) 방법 및 전체 메쉬 방법과 같은 여러 가지 방법이 있습니다. 일부 학자와 다른 사람들은 모델링 방법, 문제 처리 방법 및 기타 응용 프로그램을 검토했습니다.

CA 알고리즘은 미세구조 진화 현상의 모델링에 널리 사용되어 왔습니다. 일부 학자들은 셀룰러 오토마타(C) 셀형 오토마타(CA) 모델과 DRX 프린팅 모델을 결합하여 포지티브 필드와 필드에서 TC4 합금의 미세 구조 진화를 시뮬레이션했으며 KM 모델로 계산된 전위 밀도의 변화를 정수 상태로 도입했습니다. 메조스코픽 구조적 특징을 실제 가공 조건과 연관시키기 위해 CA 모델에서는 핵 생성 속도, 성장 동역학, 가공 매개변수의 영향 및 초기 입자 크기와 같은 중요한 현상을 고려하여 정량적 및 지형학적 시뮬레이션을 가능하게 합니다. 미세구조 진화에서 각 결정립의 성장 역학 및 토폴로지에 대한 유동 응력 곡선 모양, r-결정립 성장 거동 및 최종 미세구조 형태의 예측 결과는 실험 결과와 매우 유사합니다. 일부 학자들은 순수 입자의 정적 재결정화를 시뮬레이션했습니다. CA 방법을 통한 냉각 과정에서 티타늄 그들은 불균일 변형, 불균일 핵 생성 등과 같은 요인이 실험 관찰에서 재결정 동역학의 편차를 초래할 수 있음을 발견했습니다. 마이크로 규모에서 각 결정립의 불균일한 변형 구배를 도입하기 위해 일부 학자들은 CA 모델을 CPFEM(결정 가소성 유한 요소법)과 결합하여 미세 구조의 진화를 시뮬레이션했습니다.

티타늄 합금은 저밀도, 고강도, 우수한 내식성, 높은 내열성 및 우수한 가공 성능이라는 장점을 가지고 있습니다. 그러나 고온에서 다른 물질과의 화학적 반응성이 낮고 수소, 산소 등의 불순물을 흡수하기가 매우 쉽습니다. 이러한 특성으로 인해 티타늄 합금은 기존의 정련, 용해 및 주조 기술과 달라져 종종 금형에 손상을 입힐 수도 있습니다. 고급 티타늄 합금 플라스틱 성형 기술을 적용하면 재료의 성형력을 효과적으로 줄이고 금형과 재료 사이의 마찰을 줄여 부품의 표면 품질과 치수 정확도를 향상시키고 재료의 성형 한계를 높일 수 있습니다. , 재료의 성형 성능을 향상시킵니다. 기타 티타늄 합금의 소성 성형 공정에 대한 추가 연구를 통해 티타늄 합금의 소성 성형 문제를 해결하고 티타늄 합금의 가공 성능을 향상시킴으로써 티타늄 합금의 소성 성형 기술이 더욱 성숙해질 것이며 티타늄 합금은 더 넓은 개발 및 적용 공간. . 최근 몇 년 동안 티타늄 합금은 저밀도, 고강도, 우수한 내식성 및 우수한 저온 성능으로 인해 널리 사용되었습니다. 그러나 냉간 가소성이 낮고 복원력이 높으며 가공이 어렵기 때문에 현재의 티타늄 합금 가공 기술은 대부분 열간 프레스 성형입니다. 고온에서 티타늄 합금은 산화, 마모 및 기타 문제가 발생하기 쉽기 때문에 해당 조치도 필요합니다. 고온에 견디는 금형 및 가열 장비도 운영 측면에서 더 많은 비용이 필요합니다. 따라서 티타늄 합금의 소성 성형 핵심 기술의 개발 상황과 향후 개발 동향을 연구하는 것은 티타늄 합금의 응용 수준을 향상시키는 데 큰 의미가 있습니다.