Khả năng định dạng sâu của tấm hợp kim Titan và Titan cho các bộ phận cốc hình trụ
1. Nguyên tắc cơ bản về vẽ sâu cho tấm titan
Vẽ sâu là một quá trình tạo hình kim loại tấm trong đó một phôi phẳng được kéo vào khoang khuôn bằng một cú đấm để tạo ra một bộ phận hình trụ rỗng, hình chữ nhật hoặc không đều. Đối với các tấm titan và hợp kim titan, quá trình này đặc biệt khó khăn do các đặc tính vật lý và cơ học vốn có của vật liệu khác biệt rõ rệt so với các vật liệu có thể kéo sâu-thông thường chẳng hạn như thép-cacbon thấp hoặc hợp kim nhôm.
Khả năng tạo hình của tấm titan trong bản vẽ sâu bị chi phối bởi sự tương tác giữa biến dạng kéo ở vùng mặt bích và biến dạng nén ở thành cốc. Khi chày hạ xuống, mặt bích hình khuyên chịu ứng suất kéo hướng tâm và ứng suất nén chu vi, làm cho vật liệu chảy vào trong về phía lỗ khuôn. Trong khi đó, thành cốc chịu lực căng một trục khi nó bị kéo qua bán kính khuôn. Tỷ lệ kéo giới hạn, được định nghĩa là tỷ lệ tối đa giữa đường kính phôi và đường kính chày có thể đạt được trong một thao tác thúc duy nhất mà không bị gãy, đóng vai trò là thước đo chính cho khả năng tạo hình sâu.
Đối với titan nguyên chất thương mại loại 1, tỷ lệ rút giới hạn thường nằm trong khoảng từ 1,8 đến 2,2 trong điều kiện nhiệt độ phòng. Giá trị này thấp hơn đáng kể so với các giá trị từ 2,2 đến 2,5 có thể đạt được với thép carbon thấp-có chất lượng kéo sâu-, phản ánh độ biến dạng-số mũ đông cứng thấp hơn của titan và tỷ lệ năng suất-trên-độ bền kéo cao hơn. Các hợp kim alpha{12}}beta như Ti-6Al-4V thậm chí còn có khả năng tạo hình hạn chế hơn, với tỷ lệ kéo giới hạn thường dưới 1,6 ở nhiệt độ môi trường do độ bền cao hơn và độ dẻo giảm.
2. Đặc tính vật liệu ảnh hưởng đến hành vi vẽ sâu
Kết cấu tinh thể của tấm titan ảnh hưởng sâu sắc đến hiệu suất vẽ sâu. Cấu trúc tinh thể đóng gói hình lục giác của titan-có hệ thống trượt hạn chế ở nhiệt độ phòng, chủ yếu là trượt cơ bản và lăng trụ với độ trượt hình chóp chỉ trở nên đáng kể ở nhiệt độ cao hoặc khi bị biến dạng hạn chế. Tính dị hướng thu được tạo ra hành vi tạo tai đặc trưng trong các cốc được vẽ, trong đó vành cốc biểu hiện các biến đổi chiều cao định kỳ tương ứng với các hướng định hướng ưa thích.
Kết cấu cơ bản chắc chắn với trục c-nghiêng về hướng ngang thường tạo ra bốn tai thẳng hàng ở góc 0 và 90 độ so với hướng lăn. Phần tai này phải được cắt bớt trong các hoạt động tiếp theo, làm giảm hiệu quả sử dụng vật liệu. Kiểm soát kết cấu thông qua quá trình xử lý cơ nhiệt trong quá trình sản xuất tấm có thể giảm thiểu mức độ nghiêm trọng của việc tạo vết rách, mặc dù việc loại bỏ hoàn toàn nói chung là không thực tế.
Hệ số biến dạng-làm cứng, được biểu thị là giá trị n{1}}, định lượng khả năng biến dạng dẻo đồng đều của vật liệu trước khi bắt đầu tạo cổ. Hợp kim titan thường có giá trị n-thấp hơn so với thép kéo-sâu, nghĩa là quá trình định vị biến dạng xảy ra dễ dàng hơn và khoảng cách tạo hình an toàn hẹp hơn. Tỷ lệ biến dạng dẻo hoặc giá trị r{6}}đo lường khả năng chống mỏng so với biến dạng trong-mặt phẳng. Giá trị r- cao hơn cho thấy khả năng tạo hình sâu tốt hơn vì vật liệu chống lại sự mỏng đi ở thành cốc nơi ứng suất kéo cao nhất. Tấm titan thường đạt được giá trị r{11}}trong khoảng từ 2,0 đến 4,0 tùy thuộc vào kết cấu và lịch sử xử lý. Đây là mức thuận lợi so với nhiều vật liệu mặc dù khả năng định dạng tuyệt đối vẫn bị hạn chế bởi các yếu tố khác.
Tình trạng bề mặt ảnh hưởng đáng kể đến hành vi vẽ. Bề mặt titan hoạt động về mặt hóa học có xu hướng bị nén lại khi chịu áp lực của thép công cụ, dẫn đến tạo thành vết xước, bong tróc và có khả năng bị gãy. Các phương pháp xử lý bề mặt bao gồm lớp phủ chuyển hóa photphat, chất bôi trơn màng rắn hoặc hình thành lớp oxit có thể giảm thiểu xu hướng ăn mòn. Độ nhám bề mặt phải được tối ưu hóa để giữ lại chất bôi trơn đồng thời tránh tập trung ứng suất có thể gây nứt.
3. Quản lý bôi trơn và ma sát
Bôi trơn hiệu quả là điều tối quan trọng để kéo sâu thành công các tấm titan. Áp suất tiếp xúc cao ở bán kính khuôn và mặt tiếp xúc giữa phôi, kết hợp với xu hướng mài mòn do dính của titan, đòi hỏi chất bôi trơn có độ bền màng đặc biệt và độ ổn định hóa học.
Chất bôi trơn gốc dầu khoáng thông thường-thường không đủ để kéo sâu titan. Sáp parafin clo hóa trước đây đã được sử dụng do đặc tính áp suất cực cao-tuyệt vời của chúng, mặc dù những lo ngại về môi trường và sức khỏe đã thúc đẩy sự thay thế bằng các hợp chất lưu huỳnh hóa và phốt pho hóa. Chất bôi trơn tổng hợp dựa trên polyme-, đặc biệt là chất bôi trơn có chứa hạt polytetrafluoroethylene hoặc molybdenum disulfide, cung cấp khả năng bôi trơn ranh giới hiệu quả trong các điều kiện khắc nghiệt gặp phải.
Màng bôi trơn rắn được áp dụng cho phôi trước khi kéo mang lại lợi thế về tính nhất quán của quy trình. Lớp phủ polyvinyl clorua hoặc polyetylen có thể được liên kết với bề mặt tấm, tạo ra một lớp tạm thời ngăn cách titan khỏi dụng cụ. Các lớp phủ này phải được loại bỏ hoàn toàn sau khi tạo hình để tránh ô nhiễm trong quá trình xử lý hoặc dịch vụ tiếp theo.
Hệ số ma sát giữa titan và thép công cụ trong điều kiện kéo sâu điển hình nằm trong khoảng từ 0,15 đến 0,30 với khả năng bôi trơn hiệu quả, so với 0,05 đến 0,10 đối với thép được bôi trơn. Ma sát cao hơn này làm tăng lực giữ phôi cần thiết để ngăn ngừa nếp nhăn, từ đó làm tăng ứng suất kéo trong thành cốc và làm giảm tỷ lệ kéo có thể đạt được. Việc tối ưu hóa cẩn thận áp suất của bộ giữ phôi, sử dụng bộ giữ phôi được phân đoạn hoặc lập trình nếu có thể, có thể bù đắp một phần cho hạn chế này.
4. Cân nhắc về thiết kế dụng cụ
Thiết kế bán kính khuôn cho bản vẽ sâu titan đòi hỏi sự chú ý cẩn thận để cân bằng giữa uốn cong quá mức và hỗ trợ không đủ. Bán kính khuôn quá nhỏ sẽ tạo ra ứng suất uốn cao khi phôi chảy qua bán kính, có khả năng gây gãy ở bán kính chày hoặc thành cốc. Ngược lại, bán kính khuôn quá lớn sẽ làm giảm hạn chế về dòng nguyên liệu, thúc đẩy hiện tượng nhăn ở vùng tường không được hỗ trợ. Đối với tấm titan, bán kính khuôn thường dao động từ 5 đến 10 lần độ dày tấm, so với 4 đến 8 lần đối với thép.
Bán kính chày phải đủ lớn để ngăn chặn sự tập trung ứng suất ở góc đáy cốc. Bán kính đột lớn, thường gấp 3 đến 5 lần độ dày tấm, phân bổ biến dạng uốn và giảm ứng suất kéo cực đại. Tuy nhiên, bán kính chày rất lớn làm tăng chiều cao thành không được đỡ và có xu hướng nhăn.
Thiết kế giá đỡ trống phải cung cấp sự phân bổ áp suất đồng đều trên mặt bích. Máy ép hành động đơn lẻ có giá đỡ trống cố định thường không đủ cho titan do cửa sổ quy trình hẹp. Máy ép tác động kép với lực giữ phôi được điều khiển độc lập cho phép điều chỉnh áp suất lũy tiến trong hành trình vẽ, bù đắp cho việc thay đổi hình dạng mặt bích và độ dày vật liệu. Các hạt kéo có thể được kết hợp để tăng sức cản ở những vùng có xu hướng dòng vật liệu chảy quá mức, cân bằng sự phân bố biến dạng.
Việc lựa chọn vật liệu dụng cụ phải giải quyết được xu hướng ăn mòn của titan. Thép công cụ cứng có bề mặt được đánh bóng và lớp phủ cứng như titan nitrit, titan nhôm nitrit hoặc carbon-như kim cương giúp cải thiện khả năng chống mài mòn và giảm độ bám dính. Trong một số trường hợp, vật liệu chèn dụng cụ bằng gốm hoặc cacbua xi măng được sử dụng để sản xuất-số lượng lớn.
Khe hở giữa chày và khuôn phải tính đến sự thay đổi độ đàn hồi và độ dày của titan. Các giá trị khe hở điển hình nằm trong khoảng từ 1,1 đến 1,3 lần độ dày tấm danh nghĩa, lớn hơn một chút so với thép để phù hợp với mô đun thấp hơn của vật liệu và tỷ lệ cường độ năng suất cao hơn.
5. Tối ưu hóa thông số quy trình
Lực giữ phôi đại diện cho thông số quy trình quan trọng nhất trong bản vẽ sâu titan. Lực không đủ sẽ làm mặt bích không được đỡ bị nhăn, trong khi lực quá mạnh sẽ hạn chế dòng chảy của vật liệu và gây ra vết nứt trên thành cốc. Lực giữ phôi tối ưu tăng lên trong hành trình kéo khi diện tích mặt bích giảm và lực cản dòng chảy thay đổi. Bộ giữ trống thủy lực hoặc khí nén có thể lập trình cho phép điều chỉnh động này.
Tốc độ kéo ảnh hưởng đến sự sinh nhiệt và phản ứng của vật liệu. Tốc độ cao hơn làm tăng nhiệt độ đoạn nhiệt trong vùng biến dạng, có thể làm mềm titan cục bộ và cải thiện khả năng tạo hình. Tuy nhiên, tốc độ quá cao sẽ làm giảm hiệu quả bôi trơn và có thể gây ra các hiệu ứng động như rung động hoặc khuôn- bị lệch. Tốc độ kéo của titan thường dao động từ 100 đến 300 mm mỗi giây, chậm hơn so với thép để cho phép duy trì màng bôi trơn và tản nhiệt đầy đủ.
Số lượng giai đoạn vẽ cần thiết phụ thuộc vào hình dạng thành phần và khả năng tạo hình của vật liệu. Bản vẽ một giai đoạn-được giới hạn ở tỷ lệ vẽ vừa phải, với các thao tác vẽ lại cần thiết cho các thành phần sâu hơn. Việc vẽ lại có thể được thực hiện trực tiếp trên cốc đã vẽ mà không cần ủ trung gian đối với titan nguyên chất về mặt thương mại, miễn là biến dạng tích lũy không vượt quá khả năng của vật liệu. Hợp kim alpha{5}}beta thường yêu cầu ủ trung gian giữa các lần rút để khôi phục độ dẻo, với môi trường ủ được kiểm soát cẩn thận để ngăn chặn sự hình thành vỏ alpha.
Ủi, một quá trình làm giảm độ dày thành trong khi vẫn duy trì đường kính cốc, có thể được kết hợp với kéo sâu để tạo ra các bộ phận có độ dày thành đồng đều. Điều này đặc biệt phù hợp với cốc titan, nơi hiệu quả của vật liệu rất quan trọng, mặc dù biến dạng bổ sung sẽ thách thức thêm các giới hạn về khả năng tạo hình của vật liệu.
6. Nhiệt độ-Bản vẽ sâu được hỗ trợ
Vẽ sâu ở nhiệt độ cao cải thiện đáng kể khả năng tạo hình của titan bằng cách kích hoạt các hệ thống trượt bổ sung và giảm tỷ lệ năng suất-trên-độ bền kéo. Kéo ấm ở 200 đến 400 độ C đối với titan nguyên chất thương mại có thể tăng tỷ lệ rút giới hạn từ 20 đến 40% so với vận hành ở nhiệt độ phòng. Nhiệt độ tối ưu phụ thuộc vào thành phần hợp kim, trong đó hợp kim alpha được hưởng lợi từ nhiệt độ thấp hơn và hợp kim alpha{8}}beta yêu cầu nhiệt độ cao hơn để đạt được sự cải thiện đáng kể.
Vẽ nóng ở nhiệt độ 500 đến 800 độ C thậm chí có thể gây biến dạng lớn hơn, mặc dù việc hình thành vỏ alpha trở thành mối lo ngại nghiêm trọng. Bầu không khí hoặc lớp phủ bảo vệ phải ngăn ngừa ô nhiễm không khí trong quá trình gia nhiệt và tạo hình. Sau khi vẽ nóng, vỏ alpha phải được loại bỏ bằng cách gia công hoặc tẩy hóa học, bổ sung thêm các bước quy trình và chi phí.
Tạo hình ấm đẳng nhiệt, trong đó cả dụng cụ và phôi đều được duy trì ở nhiệt độ cao, giảm thiểu độ dốc nhiệt độ và mang lại trạng thái vật liệu nhất quán. Cách tiếp cận này đặc biệt hiệu quả đối với các hình học hoặc vật liệu phức tạp có cửa sổ xử lý hẹp, mặc dù độ phức tạp của dụng cụ và thời gian chu kỳ tăng lên.
Tạo hình điện từ và các phương pháp tạo hình tốc độ cao- khác đã được nghiên cứu để tạo hình sâu bằng titan. Tốc độ biến dạng cao liên quan đến các quá trình này có thể hạn chế hiện tượng thắt cổ và làm chậm hiện tượng đứt gãy, có khả năng cho phép kéo sâu hơn. Tuy nhiên, chi phí thiết bị và những thách thức trong kiểm soát quy trình đã hạn chế việc áp dụng công nghiệp.
7. Khiếm khuyết và Chế độ Lỗi
Vết nhăn ở mặt bích hoặc vùng tường là do lực giữ phôi không đủ hoặc dòng vật liệu chảy quá mức. Các nếp nhăn nghiêm trọng có thể bị kẹt vào vật liệu và gây rách khi chúng bị kéo vào khoang khuôn. Các nếp nhăn nhỏ có thể được ủi phẳng trong các hoạt động tiếp theo nhưng tạo ra sự thay đổi độ dày và mức độ tập trung ứng suất.
Vết rách ở bán kính chày hoặc thành cốc thể hiện giới hạn cuối cùng của khả năng tạo hình. Chế độ hư hỏng này bắt đầu khi ứng suất kéo trong tường vượt quá cường độ cục bộ của vật liệu, thường là ở bán kính chày nơi ứng suất uốn và ứng suất kéo chồng lên nhau. Hiện tượng rách có thể xảy ra trước hiện tượng thắt cổ cục bộ, mặc dù mức độ biến dạng tương đối thấp-của titan có nghĩa là việc thắt cổ dẫn đến hư hỏng xảy ra nhanh chóng sau khi bắt đầu.
Vết xước và vết xước trên bề mặt phát sinh do bôi trơn không đủ hoặc vật liệu dụng cụ không tương thích. Những khuyết tật này làm suy giảm chất lượng bề mặt và có thể đóng vai trò là vị trí bắt đầu vết nứt dưới tác dụng của tải trọng theo chu kỳ. Trong những trường hợp nghiêm trọng, hiện tượng lõm gây ra sự chuyển vật liệu từ tấm titan sang khuôn, làm giảm dần hình dạng dụng cụ và chất lượng bộ phận.
Earing, sự thay đổi chiều cao định kỳ ở vành cốc, là kết quả của tính dị hướng tinh thể. Mặc dù không phải là khiếm khuyết về mặt tính toàn vẹn của cấu trúc, nhưng việc tạo lỗ tai đòi hỏi phải cắt tỉa và làm giảm năng suất vật liệu. Mức độ nghiêm trọng có thể được giảm thiểu thông qua việc kiểm soát kết cấu trong quá trình sản xuất tấm hoặc được bù đắp bằng cách tối ưu hóa hình dạng trống.
Độ đàn hồi sau khi vẽ ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước, đặc biệt đối với các bộ phận có yêu cầu về dung sai chặt chẽ. Mô đun đàn hồi thấp của titan kết hợp với cường độ năng suất cao tạo ra độ đàn hồi lớn hơn thép. Có thể cần phải bù thông qua việc sửa đổi hình dạng công cụ hoặc các hoạt động hiệu chỉnh sau tạo hình-.
8. Lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng vẽ sâu
Titan nguyên chất về mặt thương mại Loại 1 mang lại khả năng tạo hình sâu tốt nhất trong số các vật liệu titan, với hàm lượng oxy thấp mang lại độ dẻo cao và cường độ năng suất thấp. Loại này được ưu tiên cho các ứng dụng có độ bền vừa phải và khả năng định dạng là tối quan trọng, chẳng hạn như thiết bị xử lý hóa học, các yếu tố kiến trúc và sản phẩm tiêu dùng.
Titan loại 2 cung cấp sự cân bằng về khả năng định dạng và độ bền, với hàm lượng oxy cao hơn một chút làm tăng cường độ năng suất với chi phí độ dẻo khiêm tốn. Nó đại diện cho cấp độ được sử dụng rộng rãi nhất cho các thành phần được vẽ sâu-trong đó yêu cầu hiệu suất kết cấu vừa phải.
Titan loại 4, có hàm lượng oxy cao nhất trong số các loại không hợp kim, mang lại độ bền cao hơn nhưng khả năng định hình giảm đáng kể. Vẽ sâu cấp 4 yêu cầu nhiệt độ cao hoặc nhiều công đoạn ủ trung gian.
Hợp kim Ti-6Al-4V và các hợp kim alpha-beta khác nhìn chung không phù hợp để vẽ sâu ở nhiệt độ phòng thông thường do độ dẻo và độ bền cao hạn chế. Khi yêu cầu các hình dạng được vẽ sâu từ các hợp kim này, việc tạo hình siêu dẻo ở nhiệt độ 850 đến 950 độ C hoặc kéo nóng với khả năng bảo vệ khí quyển sẽ được sử dụng. Các thành phần thu được sẽ được ứng dụng trong các bình chịu áp lực hàng không vũ trụ, bộ phận xả và các cấu trúc hiệu suất cao khác trong đó tỷ lệ độ bền trên trọng lượng của hợp kim đảm bảo cho quá trình xử lý phức tạp.
Các hợp kim titan beta như Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn mang lại khả năng tạo hình nguội được cải thiện trong điều kiện được xử lý bằng dung dịch nhờ cấu trúc tinh thể lập phương tập trung vào vật thể của chúng với hệ thống trượt rộng hơn. Các hợp kim này có thể được kéo sâu trong điều kiện mềm và sau đó được lão hóa để đạt được độ bền cao, mang lại lộ trình xử lý hấp dẫn cho một số ứng dụng nhất định.
9. Đảm bảo chất lượng và kiểm tra
Kiểm tra tai, được thực hiện bằng cách vẽ một khoảng trống hình tròn và đo chiều cao của tai thu được, định lượng tính bất đẳng hướng và dự đoán hành vi kéo sâu. Giá trị chỉ số Earing trên 10 phần trăm thường cho thấy tính bất đẳng hướng có vấn đề cần phải sửa đổi hình dạng trống hoặc điều chỉnh quy trình.
Thử nghiệm cốc Swift xác định tỷ lệ kéo giới hạn bằng cách vẽ các khoảng trống có đường kính lớn dần cho đến khi xảy ra đứt gãy. Điều này cung cấp thước đo trực tiếp về khả năng tạo hình trong các điều kiện tiêu chuẩn hóa, mặc dù hiệu suất sản xuất thực tế có thể thay đổi do sự khác biệt về dụng cụ và sự thay đổi chất bôi trơn.
Thử nghiệm uốn cong Erichen đo khả năng định dạng kéo giãn bằng cách ấn một chày hình cầu vào một tấm được kẹp cho đến khi đứt. Mặc dù không đo trực tiếp hiệu suất vẽ sâu, nhưng giá trị Erichen tương quan với khả năng tạo hình chung của tấm và rất hữu ích cho việc so sánh vật liệu và kiểm soát chất lượng.
Thử nghiệm vẽ cốc hình trụ với dụng cụ đo cung cấp thông tin chi tiết về lực đột, áp suất của phôi và sự phân bổ độ dày của thành. Những dữ liệu này cho phép tối ưu hóa quy trình và xác thực các mô hình mô phỏng.
Việc kiểm tra cấu trúc vi mô của các bộ phận được vẽ xác minh rằng biến dạng không tạo ra các đặc điểm không mong muốn như cặp biến dạng kép, dải cắt cục bộ hoặc vết nứt bề mặt. Đối với hợp kim alpha{1}}beta, phần thể tích và hình thái của pha alpha và beta phải nằm trong thông số kỹ thuật sau khi vẽ.
10. Ứng dụng của cốc titan-sâu
Thiết bị xử lý hóa học sử dụng cốc và ống trụ bằng titan tinh khiết thương mại được vẽ sâu-cho bình phản ứng, đầu trao đổi nhiệt và các bộ phận của bình chịu áp lực. Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của titan trong môi trường-chứa và oxy hóa clorua khiến nó vượt trội hơn thép không gỉ trong nhiều môi trường hóa học.
Các ứng dụng hàng không vũ trụ bao gồm bình nhiên liệu, bình chứa thủy lực và bộ phận xả trong đó tỷ lệ độ bền{0}}trên-trọng lượng của hợp kim titan mang lại lợi thế đáng kể về hiệu suất. Các bộ phận Ti-6Al-4V được tạo hình siêu dẻo đạt được các hình dạng phức tạp mà phương pháp vẽ sâu thông thường không thể thực hiện được.
Hoạt động sản xuất thiết bị y tế sử dụng cốc titan được vẽ sâu-để làm vỏ bộ phận cấy ghép, các bộ phận của dụng cụ phẫu thuật và thiết bị xử lý dược phẩm. Khả năng tương thích sinh học và khả năng chống ăn mòn của titan trong môi trường sinh lý là rất cần thiết cho các ứng dụng này.
Các sản phẩm tiêu dùng như dụng cụ nấu ăn, vỏ đồng hồ và gọng kính khai thác trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn và tính thẩm mỹ của titan. Vẽ sâu cho phép sản xuất các bộ phận này từ các loại titan nguyên chất về mặt thương mại một cách hiệu quả về mặt chi phí.
