MODELOWANIE PROCESU KUCIA DWUFAZOWEGO STOPU TYTANU Ti-6Al-4V

Transkrypt

1 SYLWIA BEDNAREK JAN SIŃCZAK Rudy Metale R nr 12 UKD 519.6: : : : : : MODELOWANIE PROCESU KUCIA DWUFAZOWEGO STOPU TYTANU Ti-6Al-4V Analizie poddano proces kucia odkuwki charakteryzującej się dużym stosunkiem powierzchni do objętości, wykonywanej z dwufazowego stopu tytanu Ti-6Al-4V. Warunki brzegowe opracowano dla kilku technologii, przy założonej temperaturze wsadu i narzędzi, tarciu powierzchniowym oraz prędkości odkształcenia (młot, prasa hydrauliczna). Ocenę procesu kucia oparto na mapach rozkładu intensywności prędkości odkształcenia, temperatury i naprężeń średnich. Otrzymane wyniki stanowią podstawę do określenia parametrów procesu kształtowania w warunkach przemysłowych wyrobów ze stopów tytanu czułych na prędkość odkształcenia. Słowa kluczowe: stop Ti-6Al-4V, prędkość odkształcenia, modelowanie numeryczne MODELLING OF FORGING PROCESS OF TWO-PHASE TITANIUM ALLOY Ti-6Al-4V Forging process of parts with high surface/volume ratio made of two-phase titanium alloy Ti-6Al-4V was analysed. Boundary conditions was prepared for several technologies, assums stock forging and tools temperature, friction factor and strain rate which is determined by velocity of tools (hammer and hydraulic press). The process estimation was carried out based on maps of distribution for effective strain rate, temperature and mean stress. The results of analysis are the base for definition forging process in industrial for products in titanium alloys which are sensitive to strain rate. Keywords: Ti-6Al-4V alloy, strain rate, numerical modelling Wprowadzenie Przemysł samochodowy, lotnictwo i inżynieria morska są tymi gałęziami przemysłu, w których obserwuje się tendencje zastępowania materiałów konwencjonalnych materiałami lżejszymi przy zapewnieniu wymaganych własności wytrzymałościowych w tym stopami tytanu [1 3]. Niektóre stopy tytanu znajdują zastosowanie jako substytuty stopów, głównie żelaza i miedzi. Dotyczy to nie tylko pojazdów, lecz również różnych odpowiedzialnych elementów konstrukcyjnych. Największą popularnością wśród stopów tytanu cieszą się stopy dwufazowe [4, 5]. Ich własności zależą od rodzaju i udziału pierwiastków stopowych oraz zanieczyszczeń, a także od właściwości i ilości poszczególnych faz. Posiadają one dużą wytrzymałość względną, wysoką odporność na korozję i mogą pracować w podwyższonych temperaturach. To sprawia, że stopy komercyjne tej grupy mają obecnie najszersze perspektywy zastosowania. Stopy tytanu zalicza się do grupy materiałów wysokotopliwych, które stawiają duży opór plastyczny i mają niską plastyczność podczas kształtowania w tradycyjnych warunkach, w tym na maszynach kuźniczych posiadających dużą prędkość odkształcania. Jednocześnie zalety eksploatacyjne wyrobów z tych stopów stanowią podstawę do poszukiwania metod kształtowania, umożliwiających wytwarzanie detali o bardzo złożonym kształcie. Jedną z metod pozwalających na uzyskanie dużych odkształceń plastycznych jest kucie w warunkach nadplastyczności. Tę metodę odkształcania plastycznego stosuje się dla stopów wykazujących wysoką czułość na prędkość odkształcenia [6]. Zaletą tego procesu jest możliwość otrzymywania złożonych detali przy minimalnej liczbie zabiegów, natomiast wadą długi czas odkształcania plastycznego. W związku z tym poszukuje się takiego sposobu kształtowania stopów tytanu, który wykorzystywałby zalety procesu odpowiadającego warunkom odkształcania nadplastycznego przy wielokrotnie skróconym czasie kucia. Warunek ten spełnia proces kształtowania izotermicznego [7 9]. Polega on na zachowaniu stałej i jednakowej temperatury narzędzi i odkształcanego metalu podczas procesu kształtowania, dzięki czemu zapobiega się chłodzeniu materiału przez matryce oraz umożliwia zastosowanie małych prędkości odkształcania ( s 1 ). Stała temperatura w od- a b c d e Rys. 1. Odkuwki wykonywane ze stopów tytanu: a wieloklin, b felgi kół samolotów [11], c wirnik z łopatkami [10], d kołpak [13], e zawór Fig. 1. Forging perform with titanium alloys: a splines, b aircraft wheels [11], c rotor with blades [10], d hub cover [13], e valve Mgr inż. Sylwia Bednarek, dr inż. Jan Sińczak, prof. nzw. Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Kraków. 896

2 kuwce sprzyja równomierności odkształcenia, co jest szczególnie ważne przy kuciu odkuwek o dużym stosunku pola powierzchni przekroju poprzecznego do objętości [10 12]. W przybliżeniu stałą temperaturę odkształcanego metalu można zapewnić podczas kucia w narzędziach o znacznie niższej temperaturze, gdy czas kształtowania jest bardzo krótki. Taki proces wymaga jednak stosowania maszyn o bardzo dużej mocy i nie zapewnia równomiernego rozkładu temperatury w objętości odkuwki, co jednocześnie zwiększa nierównomierność odkształcenia. Przykłady odkuwek wykonywanych ze stopów tytanu pokazano na rysunku 1. Odkuwki od 1a do 1d charakteryzuje zmienny przekrój poprzeczny i mała grubość ścianek przy jednocześnie dużej powierzchni. Odkuwka zaworu (rys. 1e) ma długi trzon o małej średnicy i kołnierz o wielokrotnie większej średnicy. Tego typu odkuwki wykonuje się z reguły metodą wyciskania współbieżnego, natomiast pozostałe, w złożonym procesie wyciskania bocznego z uprzednim spęczaniem. Odkuwka kołpaka (rys. 1d), prócz spęczania i wyciskania bocznego, w końcowym stadium procesu podlega dziurowaniu. Kształt tego typu odkuwek, posiadających cienką powłokę w strefie osiowej, uzyskuje się przy dużym przemieszczeniu metalu w kierunku promieniowym. Konsekwencją jest duże obciążenie narzędzi w strefie osiowej odkuwki w ostatnim etapie kucia i naprężenia rozciągające w bocznej strefie odkształcanego materiału. W celu otrzymania wyrobów o żądanych własnościach ze stopów tytanu dla tych kształtów, wykonuje się badania modelowe uwzględniające rozkład temperatury, intensywności prędkości odkształcenia i naprężeń średnich. Modelowanie procesu kucia Analizowana odkuwka charakteryzuje się dużym skupieniem masy w części zewnętrznej i niewielkim w części środkowej (rys. 2). Na rysunku 2a podano podstawowe wymiary odkuwki. Ustalono, że odkuwkę wykonuje się ze wsadu w postaci walca o średnicy 30 mm i wysokości 10 mm w jednym zabiegu. Wykonanie odkuwki tego typu wymaga dużego przemieszczenia materiału na zewnątrz w kierunku prostopadłym do ruchu narzędzia. Pierwszy etap procesu polega na swobodnym spęczaniu. W drugim etapie odkształcenia, gdy metal płynie w otwartą przestrzeń wykroju matrycy o dużej objętości do chwili ze- tknięcia się z czołem stempla o większej średnicy, występują naprężenia rozciągające. W przypadku kucia materiałów mało plastycznych, w tym czułych na prędkość odkształcenia, do których należą dwufazowe stopy tytanu, może nastąpić pękanie w warstwach, które nie stykają się z narzędziami. W ostatnim etapie kucia występuje trójosiowy stan naprężeń ściskających, co jest wynikiem całkowitego zamknięcia przestrzeni wykroju. Najbardziej niekorzystny, z punktu widzenia stanu naprężeń, jest etap swobodnego wyciskania bocznego. Stąd, przy kuciu analizowanej odkuwki wytwarzanej ze stopu Ti-6Al-4V analizowano ten etap w zakresie rozkładu temperatury, intensywności prędkości odkształcenia i naprężeń średnich. Obliczenia numeryczne Stop tytanu Ti-6Al-4V wykazuje znaczną czułość na prędkość odkształcenia (rys. 3), dlatego do obliczeń numerycznych przyjęto lepkoplastyczny model ciała [9], w którym naprężenie płynięcia plastycznego w najprostszej postaci wyraża zależność (1) σ = f ( ε, ε&, T ) (1) gdzie σ naprężenie, ε odkształcenie, ε& prędkość odkształcenia, T temperatura. W powyższym wzorze dla stopu Ti-6Al-4V największa czułość na prędkość odkształcenia występuje w zakresie temperatur od 840 do 950 C przy prędkości odkształcenia ok s 1 [6, 11]. W celu uzyskania takich właściwości stopu wymagana jest drobnoziarnista struktura o ziarnach równoosiowych. Wielkością umożliwiającą ocenę czułości badanego materiału na prędkość odkształcenia była prędkość przesuwu matrycy górnej. Z tego względu obliczenia wykonano dla trzech charakterystycznych wariantów prędkości odkształcenia, których warunki brzegowe podano w tablicy 1. Czynnik tarcia między narzędziami a odkształcanym materiałem dla wszystkich wariantów obliczeń wynosił 0,2. a b Rys. 2. Wymiary a odkuwki i b odkuwka gotowa Fig. 2. a Basic dimensions of forging and b ready forging Rys. 3. Krzywe umocnienia stopu Ti-6Al-4V Fig. 3. Flow behaviour of titanium alloy Ti-6Al-4V 897

3 Tablica 1 Warunki brzegowe procesu kucia odkuwki kołpaka Table 1 Boundary condition of forging process of the hub cover Wariant I II III Charakterystyka procesu kucia Niska temperatura narzędzi, krótki czas kształtowania Kucie izotermiczne Kucie w warunkach nadplastyczności Maszyna Młot Prasa hydrauliczna Prędkość przesuwu matrycy górnej, mm/s ,01 Czas kształtowania, s 0, , Temperatura wsadu, C Temperatura narzędzi, C Analiza wyników obliczeń numerycznych Na rysunkach 5, 6 i 7 przedstawiono mapy rozkładu intensywności prędkości odkształcenia, temperatury oraz naprężeń średnich w charakterystycznych przekrojach A-A i B-B (rys. 4) odkuwki wykonanej wg trzech opisanych wyżej wariantów dla ostatniego etapu kucia, w którym dominuje wyciskanie boczne. Zgodnie z przewidywaniami największy gradient intensywności prędkości odkształcenia występuje dla kucia na młocie (wariant I), a najmniejszy przy kuciu na prasie z małą prędkością (wariant III). Maksymalne wartości koncentrują się w obszarze wypływki oraz w denku odkuwki, co jest związane z przemieszczaniem się dużych ilości materiału w tych obszarach. Duża wrażliwość naprężenia na prędkość odkształcenia stopu Ti-6Al-4V powoduje, że lokalny wzrost prędkości odkształcenia prowadzi w nim do wzrostu naprężenia, a tym samym do przeniesienia odkształcenia na inny obszar odkuwki. Rozkład temperatur w procesie kucia izotermicznego z prędkością przesuwu matrycy górnej 0,01 mm/s (rys. 6c) jest równomierny w całym obszarze odkuwki. W konsekwencji struktura i wielkość ziarn powinna być zbliżona w całej objętości odkuwki przy założeniu, że wsad był jednorodny, a prędkość odkształcenia (rys. 5c) nie ma istotnego wpływu na wielkość ziarn po odkształceniu [6]. Dla odkuwki kutej na młocie (rys. 6a), mimo obniżonej temperatury narzędzi i wsadu, występuje bardzo duży gradient temperatury rzędu 180 C. W połączeniu z nierównomiernością intensywności prędkości odkształcenia (rys. 5a) możemy się spodziewać pogorszenia własności w objętości odkuwki, jako następstwa niejednorodności w strukturze [7]. Wartość naprężeń średnich w ostatnim etapie kucia (rys. 7) jest stosunkowo duża i zależy od prędkości odkształcania. Największa wartość naprężeń związana jest z dużym stosunkiem średnicy do wysokości i występuje w denku odkuwki. Maksymalne naprężenia ściskające przy odkształcaniu na młocie wynoszą 4000 MPa (rys. 7a) i są trzykrotnie wyższe w porównaniu z wyznaczonymi dla procesu realizowanego na prasie hydraulicznej z prędkością 1 mm/s kucie izotermiczne (rys. 7b) i niemal sześciokrotnie większe w porównaniu z wyznaczonymi dla procesu realizowanego z prędkością 0,01 mm/s w warunkach nadplastycz- Rys. 4. Charakterystyczne przekroje odkuwki kołpaka Fig. 4. Typical sections of hub cover forging a b c Rys. 5. Rozkład intensywności prędkości odkształcenia (s 1 ) w charakterystycznych przekrojach odkuwki dla procesu kucia: a na młocie, b izotermicznego, c w warunkach nadplastyczności Fig. 5. Effective strain rate (s 1 ) distribution in typical sections of hub cover forging for: a hammer forging, b isothermal forging, c forging of superplasticity conditions 898

4 a b c Rys. 6. Rozkład temperatury ( C) w charakterystycznych przekrojach odkuwki dla procesu kucia: a na młocie, b izotermicznego, c w warunkach nadplastyczności Fig. 6. Temperature ( C) distribution in typical sections of hub cover forging for: a hammer forging, b isothermal forging, c forging of superplasticity conditions a b c Rys. 7. Rozkład naprężeń średnich (MPa) w charakterystycznych przekrojach odkuwki dla procesu kucia: a na młocie, b izotermicznego, c w warunkach nadplastyczności Fig. 7. Mean stress (MPa) distribution in typical sections of hub cover forging for: a hammer forging, b isothermal forging, c forging of superplasticity conditions ności (rys. 7c). Duże ściskające naprężenia średnie w przypadku kucia na młocie, wprawdzie zlokalizowane w niewielkim obszarze, są czynnikiem decydującym o niskiej trwałości narzędzi, mimo stosunkowo prostego kształtu odkuwki. Rysunek 8 przedstawia lokalizację obszaru maksymalnych naprężeń rozciągających oraz ich wartość w drugim etapie kucia, tj. podczas swobodnego bocznego wyciskania. Przy kuciu na prasie hydraulicznej z prędkością przesuwu trawersy górnej suwaka 0,01 mm/s, naprężenia rozciągające są stosunkowo małe i wynoszą 34,6 MPa, natomiast przy kuciu na młocie ich wartość wzrasta do 168,7 MPa. W przypadku nałożenia się dodatkowych naprężeń spowodowanych niezbyt gładką powierzchnią tego obszaru odkuwki, możliwą do wystąpienia w praktyce przy kuciu stopu tytanu, jest duże prawdopodobieństwo pękania materiału w tym etapie podczas kucia na młocie. Wyniki obliczeń numerycznych przebiegu siły nacisku w procesie kucia przy różnych prędkościach przesuwu matrycy górnej przedstawiono na rysunku 9. Symulacja nume- Rys. 8. Lokalizacja obszaru oraz wartości maksymalnych naprężeń rozciągających w drugim etapie kształtowania dla poszczególnych wariantów procesu kucia: I na młocie, II izotermicznego, III w warunkach nadplastyczności Fig. 8. Location of area and maximum value of tensile stress in second stage for individual variant of forging process: I hammer forging, II isothermal forging, III forging of superplasticity conditions 899

5 Rys. 9. Wpływ prędkości kształtowania na siłę nacisku podczas procesu kucia Fig. 9. Influence of forming velocity on pressure load in forging process ryczna procesu kucia analizowanej odkuwki wskazuje na zdecydowane obniżenie siły kształtowania w ostatnim etapie przy małych prędkościach odkształcenia (wariant II i wariant III). Wynika to stąd, że przy kształtowaniu dynamicznym na młocie plastyczność stopu Ti-6Al-4V jest zdecydowanie gorsza niż podczas odkształcania statycznego na prasie mechanicznej lub hydraulicznej. Wynika stąd wniosek, że dla stopów wykazujących dużą czułość naprężeń na prędkość odkształcenia i jednocześnie znaczne obniżenie naprężeń płynięcia plastycznego przy małej prędkości odkształcenia, do kucia należy stosować maszyny o statycznym charakterze pracy. Podsumowanie i wnioski Oceny procesu kucia stopu Ti-6Al-4V dokonano na podstawie map rozkładu intensywności prędkości odkształcenia, temperatury i naprężeń średnich oraz siły na przykładzie odkuwki kształtowanej w procesie wyciskania bocznego przy występowaniu naprężeń rozciągających. Kucie na młocie, mimo krótkiego kontaktu z narzędziami, wywołuje duży gradient temperatury (od 940 do 1120 C), co skutkuje niejednorodną strukturą i w konsekwencji prowadzi do nierównomierności własności w objętości wyrobu. Dodatkowym utrudnieniem są bardzo duże naprężenia ściskające, dochodzące do 4000 MPa, co obciąża narzędzia. Poza tym wraz ze wzrostem szybkości odkształcenia wzrasta opór plastyczny odkształcanego stopu, co powoduje wzrost siły kształtowania. Duża wrażliwość naprężenia na prędkość odkształcenia, jak w przypadku analizowanego dwufazowego stopu tytanu Ti-6Al-4V powoduje, że lokalny wzrost prędkości odkształcenia doprowadza do wzrostu naprężenia, a tym samym odkształcenie przenosi się w inny obszar. Ten efekt, powstający przy kuciu w warunkach nadplastyczności, sprzyja wzrostowi równomierności rozkładu odkształceń, dzięki czemu uzyskuje się wysoką jednorodność własności w całej objętości odkuwki. Jednak mała prędkość kształtowania wydłuża czas procesu wytwarzania, stąd opłacalność procesu izotermicznego lub w warunkach nadplastyczności powinna być uzasadniona korzyściami innego typu, np. małą plastycznością w tradycyjnych warunkach, przy dużej prędkości odkształcenia, lub koniecznością uzyskania wysokich własności eksploatacyjnych wyrobu, przy jednocześnie mniejszej materiałochłonności i ograniczonej do minimum obróbce skrawaniem. Literatura 1. Boyer R. R.: Material Science Engineering 1996, t. A 213, s Hu Z. M., Brooks J. W., Dean T. A.: Journal of Materials Processing Technology 1999, t. 88, s Hu Z. M., Dean T. A.: Journal of Materials Processing Technology 2001, t. 111, s Filip R., Sieniawski J.: Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, Mechanika 1999, t. 250, s Gurrappa I.: Materials Characterization 2003, nr 51, s Grzesiak J., Sińczak J., Rusz S.: Metallurgy and Foundry Engineering 2000, t. 26, s Sińczak J., Łapkowski W., Rusz S.: Journal of Materials Processing Technology 1997, nr 72, s Sińczak J., Łapkowski W., Rusz S.: Metallurgy and Foundry Engineering 1997, t. 23, s Sińczak J.: Zeszyty Naukowe AGH, 1992, z. 144, Kraków. 10. Bednarek S., Sińczak J., Skubisz P.: Metallurgy and Foundry Engineering 2005, t. 31, s Bednarek S., Sińczak J., Skubisz P.: Problems and modern techniques in aspect of engineering and education. 2006, s Bednarek S., Sińczak J.: Zeszyty Studenckiego Towarzystwa Naukowego 2004, nr 4, s Sińczak J., Bednarek S.: Mechanika 2007, nr 216, s Praca finansowana przez MEiN, nr umowy 3 T08B