航空産業におけるチタン合金鍛造プロセスの分析

July 24, 2023

中国の国民経済と科学技術の急速な発展に伴い、航空宇宙産業は近年、特に全国の「大規模な航空機」プロジェクトの設立後に新しい機会を見てきました。民間航空製造業界は、幅広い開発の見通しとともに、国民経済の発展をリードする新しい経済成長ドライバーになります。航空機の進歩、信頼性、適用性を継続的に改善し、国内生産航空機の国際市場競争力を高めるために、航空宇宙材料の選択の要件はますます厳しくなりつつあります。チタン合金は、低密度、高強度、優れた熱と腐食抵抗のため、最新の航空機構造成分の主要な材料となっています。その中で、TC4（TI-6AL-4V）およびTB6チタン合金の鍛造品は、航空宇宙製造で広く使用されています。

チタン合金の分類と鍛造技術
室温の微細構造に基づいて、チタン合金は、α合金、α+β合金、およびβ合金の3つのタイプに分類できます。 αおよびα+β合金の高温可塑性と変形速度は有意な影響を受けませんが、β合金は良好な誤りがありますが、低温でα相沈殿を引き起こす可能性があります。チタン合金の鍛造技術は、鍛造温度とβ変換温度の関係に基づいて、従来の鍛造と高温鍛造に分類できます。

2.1チタン合金の従来の鍛造

一般的に使用される変形可能なチタン合金は、通常、従来の鍛造として知られているβ変換温度の下に鍛造されます。（α+β）相領域のビレットの加熱温度によれば、さらに上部2相領域の鍛造および下部2相領域の鍛造に分割できます。

2.1.1下部2相領域鍛造

一般に、より下の2相領域の鍛造は、β変換温度の40〜50°Cで行われます。そこでは、一次α相とβ相が同時に変形に関与しています。変形温度が低いと、変形に関与するα相の量が多くなります。 β領域の変形と比較して、β相の再結晶プロセスは、下部2相領域で大幅に加速され、元のβ粒境界だけでなく、αラメラ間のβインターレイヤー内でも新しいβ粒が形成されます。このプロセスを使用して生成された鍛造は、高強度と良好な延性を示しますが、骨折の靭性とクリープ性能を改善する可能性がまだあります。

2.1.2上部2相領域の鍛造

この手法には、β/（α+β）相変換点より10〜15°C未満の温度での初期鍛造が含まれます。結果として得られる微細構造には、β形質転換構造の割合が高くなり、それがチタン合金のクリープ抵抗と骨折の靭性を改善し、可塑性、強度、靭性のバランスをとる。

2.2チタン合金の高温鍛造

「β鍛造」としても知られているため、これは2つのタイプに分けることができます。最初のタイプはビレットをβ領域に加熱し、β領域で鍛造プロセスを開始および完了し、「サブβ鍛造」として知られる2番目のタイプはβ領域に加熱すること、β領域での鍛造の開始を伴い、2つの領域での有意な変化を制御します。 2相の鍛造と比較して、β鍛造は、より高いクリープ強度、骨折の靭性、およびチタン合金の疲労性能の改善を達成することができます。

2.3チタン合金の等温ダイ

この手法は、材料の超塑性とクリープメカニズムを利用して、複雑な鍛造を生み出します。ダイを予熱し、760〜980°Cの範囲内で維持する必要があり、油圧プレスが所定の圧力を適用し、ビレットの変形抵抗に基づいてプレスの作業速度が自動的に調整されます。航空機で使用されている多くの鍛造品には薄い壁と高いrib骨があり、この技術は、国内生産された航空機TB6チタン合金の等温精度ダイ鍛造プロセスなど、航空宇宙製造に適しています。

TC4の分析欠陥とプロセスの改善
3.1 TC4鍛造欠陥の発生と分析

特定の工場が航空基準に続いてTC4鍛造試験の生産を実施したとき、鍛造のいくつかのパフォーマンス指標は資格がないことがわかりました。特に「ノッチ応力骨折」指標は5時間未満です。この問題に対処するために、分析はTC4の金属学的構造から始まり、鍛造プロセスの理由を調査しました。

3.1.1 TC4の金属特性

TC4チタン合金は、Ti-6AL-4Vの組成を伴うα+βチタン合金です。そのアニールされた微細構造は、α+β相で構成され、α+β相をα安定化元素としてアルミニウムを含み、β相は固形溶液の強化によって強化され、アニール構造のわずかな量のβ相、約7〜10％が生じます。

TC4合金の基本相αおよびβの割合、特性、および形式は、異なる熱処理と高温の労働条件で大きく異なります。 TC4合金のβ変換温度は約1000°Cです。 TC4を950°Cから950°Cに加熱し、次に空冷により、一次α+β形質転換構造になります。それを1100°Cに加熱し、次に空冷は、widmanstätten構造として知られる粗い完全に変換されたβ相構造につながります。同時の加熱と変形は、より顕著な効果があります。 TC4がβ変換温度より上で加熱されているが、小さな変形を受けると、Widmanstätten構造が形成されます。このプロセスでは、可塑性と衝撃の靭性は減少しますが、クリープ抵抗は改善します。初期変形温度がβ変換温度を上回っているが、十分な変形がある場合、メッシュ構造を形成します。この場合、β粒の境界によって描かれたα相は粉砕され、ラメラルα相は歪んでおり、より良い可塑性、衝撃靭性、高温クリープ性能を備えた等軸の細粒構造に似ています。加熱温度がβ変換温度を下回り、変形が十分である場合、それは等軸構造をもたらし、全体的な良好な特性、特に高い可塑性と衝撃の靭性を示します。変形に続いて、α+β相領域で高温アニーリングが続く場合、良好な包括的な特性を持つ混合構造が得られます。

上記の金属構造の分析に基づいて、TC4のパフォーマンスの低下は、鍛造プロセスの2つの要因によって引き起こされる可能性があると推測できます。

加熱温度が高すぎるため、β変換温度に達するか、それを超えています。
鍛造の変形度は不十分です。
3.1.2 TC4鍛造プロセスの分析

鍛造温度は、α+βチタン合金のβ粒サイズと室温特性に影響します。温度がβ変換温度を上回ると、β粒サイズが増加し、伸長と断面収縮が減少し、可塑性が低下します。 TC4鍛造に適した包括的な特性があることを確認するには、β変換温度より下で鍛造を実施する必要があります。チタン合金は、変形抵抗が高く、熱伝導率が低い。鍛造中、重度の流れと重いハンマーは、局所的な過熱と再結晶を引き起こす可能性があり、その結果、粒の粗大化とパフォーマンスが低下します。上記の分析から、資格のないTC4鍛造パフォーマンスの考えられる理由は、次のように事前に決定できます。

ビレットのバッチの加熱温度は高すぎて、β変換点を超えています。
単一の鍛造衝撃が重すぎるため、過度の変形を引き起こし、局所的な過熱と再結晶を引き起こします

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