L'art du contrôle de précision : forgeage isotherme et assurance qualité des aubes de turbine
En raison de la thermoplasticité limitée de l’alliage TiAl, il doit être forgé à haute température et à très faible vitesse de déformation. L'équipement de forgeage isotherme peut fournir un environnement relativement isotherme et une vitesse de déformation lente. Le processus conventionnel de forgeage de lame TiAl est le suivant : la billette de coulée ou la barre extrudée est partiellement forgée en billette de forge, puis préparée en pré-forgeage, et la lame est préparée par pré-forgeage et forgeage final. De cette manière, la pale allemande Rolls-Royce BR715 HPC est fabriquée par forgeage isotherme en 3-étapes, et la pièce finale est préparée par traitement thermique et usinage (Figure 1).
Fig.1 Étapes de forgeage des lames (a) et lames usinées (b)
Les pales représentées à la Fig. 2 sont des aubes de compresseur Ti45AL8NB0.65 (B, C) produites par Thyssen Company pour Rolls Royce en utilisant l'itinéraire indiqué sur la FIG. 2a, qui ont une excellente résistance à haute température. En 2016, MTU a annoncé que l'aube de turbine basse pression forgée TNM avait été appliquée au moteur PW1100G-JM de l'avion de ligne A320 et que celui-ci avait effectué son premier vol. Les pales forgées en alliage TiAl présentent de grandes perspectives d'application et, depuis 2015, 10 000 pales forgées en alliage TNM ont été assemblées pour les moteurs PW1100G. L'alliage TNM présente de bonnes propriétés de travail à chaud, et une microstructure idéale et des propriétés mécaniques complètes sont obtenues grâce au forgeage de billettes coulées deux fois et au traitement thermique ultérieur.
Fig.2 Lames de Ti45Al8Nb0.5(B,C) fabriquées par Thyssen pour Rolls-Royce
Afin d'augmenter l'efficacité de la production, la billette de barre courte d'extrusion a été forgée directement dans le Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4). pales en alliage HPC du moteur d'essai Rolls-Royce E3E. Afin d'augmenter encore le rendement et de le rendre plus économique, une matrice permettant de forger plusieurs pièces d'aubes (en particulier les aubes de compresseur plus petites) à la fois a été conçue. 30 cavités identiques ont été usinées sur un disque en molybdène d'un diamètre de Φ600 mm. À l'extérieur de la presse, la matrice inférieure est chargée de pièces préformées, et l'ensemble de la matrice et de l'ébauche est placé dans la chambre de presse et chauffé à la température de forgeage pour un forgeage isotherme. Avec cette méthode, 30 lames peuvent être forgées à la fois (Figure 3).
Fig.3 Matrice avec plusieurs pièces préforgées (a) et lame après forgeage (b)
Bien que le forgeage isotherme puisse résoudre efficacement le problème du formage difficile de la lame en TiAl, le moule et le forgeage étant chauffés à 1 150 degrés, afin d'éviter la perte de température des pièces lors du processus de forgeage à long terme, le moule est en alliage de molybdène. avec une haute résistance à la chaleur. Afin de protéger le matériau du moule de l'oxydation, un vide ou un gaz inerte est nécessaire dans la chambre de forgeage. L'aube de turbine basse pression en alliage TNM du moteur PW1134G est également fabriquée par forgeage isotherme sous vide avec un moule en alliage de molybdène. Le centre de recherche allemand GKSS a utilisé l'alliage TNB extrudé enveloppé pour un usinage direct ou combiné avec un forgeage isotherme pour fabriquer une pale en alliage TiAl pour compresseur haute pression, qui est devenue la principale méthode de préparation des pales en alliage TiAl pour compresseur haute pression.
TETSUI T et al. a inventé un nouvel alliage TiAl, qui est divisé en Ti-42Al-5Mn(%, fraction massique). Le processus de fabrication utilise un traitement à chaud traditionnel, dans lequel le lingot est chauffé à 1 300 °C pour le traitement thermique et refroidi à environ 1 200 °C pour le forgeage ou le laminage, comme le montre la figure 12. Cette méthode d'usinage est la même que la matrice à chaud ordinaire. méthode de formage par forgeage, de sorte que le processus de fabrication de la lame réduit le processus d'extrusion à chaud de la barre, réduit considérablement le coût et peut fabriquer des composants plus grands. La lame forgée a une microstructure très fine, ce qui rend la résistance à la traction très élevée à moyenne et basse température. Cependant, en raison de l'influence de la phase, la résistance à haute température de cet alliage diminue considérablement, ce qui est difficile à utiliser pour les pièces à haute température à long terme telles que les turbocompresseurs, et convient mieux aux pales à basse température ou à haute température à court terme. parties.
Fig.4 Lames en alliage TiAl fabriquées par Mitsubishi Heavy Industries
(a) et leurs propriétés (b)
La simulation en plusieurs étapes du processus de matriçage isotherme de la lame en alliage TiAl est réalisée par simulation par éléments finis, qui permet de maîtriser efficacement la loi de rhéologie des matériaux, d'analyser l'influence des paramètres du processus, d'optimiser le processus et la conception de la matrice. Dans le même temps, la simulation par éléments finis peut non seulement raccourcir le cycle de production et réduire les coûts, mais a également une importance directrice importante pour approfondir la connaissance de la loi de forgeage de la lame en alliage TiAl et optimiser le processus de formage de la lame. Xin Jingjing et coll. a utilisé le logiciel d'éléments finis Deform-3D pour simuler le processus de forgeage isotherme d'une lame en alliage à haute teneur en Nb-TiAl et est arrivé aux conclusions suivantes : la répartition des contraintes équivalentes du corps et du tenon de la lame dans le forgeage isotherme est uniforme, et avec l'augmentation de la vitesse de compression de la matrice supérieure et de la température de préchauffage, la force effective moyenne diminue pendant la déformation, ce qui favorise l'apparition d'une recristallisation dynamique. La qualité de forgeage de la lame en alliage Nb-TiAl peut être améliorée lorsque la vitesse de pressage de la matrice supérieure est de 1,0 ~ 1,5 mm·s-1 et que la température de préchauffage est de 1250 ~ 13. 00 diplôme. Guan Hong et coll. fabriqué en Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni forgeage isotherme de lame. Les résultats montrent que le forgeage isotherme de l’alliage TiAl combiné au pré-forgeage et au forgeage final est réalisable. La température de chauffage de l'alliage tial est de 1 200 à 1 250 degrés et l'échantillon doit être protégé par un boîtier pour éviter une chute de température trop rapide pendant le processus de transfert. Le taux de déformation est de 0,02 à 0,07 mm ·s-1 et la déformation est contrôlée à 20 % à 40 %. Récemment, notre équipe et AVIC Power Co., Ltd. ont adopté conjointement la méthode combinant simulation et vérification des tests, obtenu les paramètres de processus appropriés grâce au logiciel de simulation par éléments finis Deform-3D et préparé des pales en alliage TNM par forgeage quasi isotherme. technologie utilisant un moule Ni3Al (figure 5), a comparé différents profils de section transversale d'aubes. La précision de prédiction du processus de forgeage quasi isotherme peut être supérieure à 90 % par simulation par éléments finis. Comparé au processus de forgeage isotherme traditionnel (sous vide), il présente les avantages d'un rendement élevé, de l'absence de vide, d'un contrôle de forme facile et précis et d'un faible coût de processus.
Fig.5 Lame forgée quasi isotherme simulée (a) et réelle (b)
Afin d'explorer les performances de forgeage de l'alliage TiAl à basse température, WANG X et al et ZHANG H et al ont utilisé la méthode des éléments finis pour analyser le processus de forgeage isotherme d'une lame en alliage TiAl à haute teneur en Nb à basse température et ont préparé avec succès un NB élevé. -lame en alliage d'aluminium avec une qualité de surface et des performances élevées (FIG. 6). Pendant le processus de formage d'une lame en alliage TiAl, les défauts de pliage de la lame peuvent être évités et la force de formage de la lame peut être réduite en optimisant la forme et la taille de la pièce préformée. Lorsque la température est inférieure à 1000 degrés, la température de forgeage et la vitesse de déformation ont peu d'influence sur la répartition finale de la déformation effective de la pale réalisée en matriçage isotherme. Avec l'augmentation de la température de forgeage et la diminution de la vitesse de déformation, la contrainte effective finale de la lame de forgeage diminue et sa répartition est progressivement uniforme. La lame en alliage à haute teneur en Nb-TiAl a été préparée avec succès à une vitesse de déformation inférieure à 0,01 mm·s-1 et à une température inférieure à 950 degrés, et aucune fissure macroscopique ne s'est formée sur la lame. Dans le même temps, l'Institut de technologie de Harbin a développé le premier équipement de traitement à chaud isotherme sous vide capable de réaliser les fonctions de forgeage isotherme sous vide et d'extrusion isotherme, et a été utilisé dans la préparation de pièces forgées isothermes en alliage TiAl. Ce dispositif peut non seulement être utilisé pour la déformation isotherme de l'alliage TiAl, mais présente également une valeur d'application importante dans la préparation de composants de disques en superalliage en poudre.
Fig.6 Lame en alliage à haute teneur en Nb-TiAl préparée par un procédé de matriçage isotherme à basse température
TETSUI T et al. a inventé un nouvel alliage TiAl, qui est divisé en Ti-42Al-5Mn(%, fraction massique). Le processus de fabrication utilise un traitement à chaud traditionnel, dans lequel le lingot est chauffé à 1 300 °C pour le traitement thermique et refroidi à environ 1 200 °C pour le forgeage ou le laminage, comme le montre la figure 12. Cette méthode d'usinage est la même que la matrice à chaud ordinaire. méthode de formage par forgeage, de sorte que le processus de fabrication de la lame réduit le processus d'extrusion à chaud de la barre, réduit considérablement le coût et peut fabriquer des composants plus grands. La lame forgée a une microstructure très fine, ce qui rend la résistance à la traction très élevée à moyenne et basse température. Cependant, en raison de l'influence de la phase, la résistance à haute température de cet alliage diminue considérablement, ce qui est difficile à utiliser pour les pièces à haute température à long terme telles que les turbocompresseurs, et convient mieux aux pales à basse température ou à haute température à court terme. parties.
