Processos del nucli de processament profund de titani: flexió, estampació, filatura i expansió de tubs

El processament profund converteix plaques, làmines, tubs i barres de titani en components acabats, com ara colzes de canonades, conductes, capçals de recipients a pressió, làmines de tubs d'intercanviador de calor i carcasses filades. El titani és més difícil de formar que l'acer o l'alumini, de manera que cada procés s'ha d'adaptar a la condició de l'aliatge, el gruix de la paret i la geometria final requerida. Aquest article repassa els quatre processos bàsics de processament profund-- plegat, estampat, filat i expansió de tubs - amb els paràmetres i controls que determinen l'èxit.

1. Per què el titani és difícil de formar

Tres propietats del material dominen el comportament de formació del titani. En primer lloc, el mòdul elàstic és d'uns 103-114 GPa, aproximadament la meitat del de l'acer, que produeix una gran recuperació elàstica (retorn) després de la formació. En segon lloc, la relació rendiment-a la tracció és alta, de manera que el rang de treball del plàstic és estret i petits errors en la geometria de l'eina es tradueixen en grans errors de forma. En tercer lloc, el titani reacciona ràpidament amb l'oxigen i el nitrogen per sobre d'uns 600 C, formant una caixa alfa trencadissa que s'ha d'evitar o eliminar. Conseqüències pràctiques: les eines de flexió i estampació necessiten marges de sobreflexió, el conformat en calent s'ha de fer sota atmosfera controlada o amb finestres de procés ajustades, i la lubricació ha d'evitar el fregament entre la peça i les superfícies de l'eina.

2. Corbat de tubs i perfils de titani

La flexió del tub combina la deformació elàstica i plàstica; la paret exterior s'aprima i la paret interior s'engrossi, mentre que l'eix neutre es desplaça cap a fora. Per als tubs de titani, el radi de flexió mínim és normalment de 2 a 3 vegades el diàmetre del tub per a la flexió del mandril, i s'ha de compensar el retrocés elàstic de 5-15 graus mitjançant un sobreflexió de l'eina. El plegat en fred és pràctic per a tubs per sota d'uns 50 mm de diàmetre exterior i proporcions de gruix de paret que eviten el pandeig; després de la flexió en fred, es recomana el recuit-alleujat de tensió a 480-650 C per restaurar la ductilitat i estabilitzar les dimensions. La flexió en calent, realitzada com a flexió rotativa d'estirament o flexió d'empenta a 600-800 C, redueix significativament la resistència elàstica i el retorn elàstic i permet radis més ajustats i parets més gruixudes, però requereix protecció contra l'oxidació. La flexió per tensió (estirament) és preferida per a perfils de gran radi on s'ha de minimitzar la distorsió de la secció transversal.

3. Estampació i conformació de làmina de titani

L'estampació de la làmina de titani és més difícil que l'acer al carboni o l'alumini a causa del radi de corbat més gran necessari (normalment 2-4 vegades el gruix de la làmina per a corbes de 90-graus al grau 2, més per als aliatges d'alta-resistència) i la forta direccionalitat de la làmina laminat. A la pràctica s'utilitzen tres vies: conformat en fred per a xapa fina (fins a uns 3 mm) amb deformació petita i precisió moderada; conformat en calent a 600-800 C per a plaques gruixudes i peces grans, on la tensió de flux més baixa permet embussos profunds; i preformat seguit d'un allisat en calent, que combina la precisió del treball en fred amb la conformabilitat del treball en calent per a formes complexes. L'embotit profund del titani requereix un control acurat de la força del suport en blanc, uns radis de cantons generosos i una lubricació eficaç; Sovint es necessita un recuit intermedi per a estiraments en diverses etapes.

4. Filatura (formació rotativa)

La filatura, o filatura metàl·lica, deforma progressivament un blanc giratori sobre un mandril mitjançant rodets. El procés combina elements de forja, extrusió, estirament i plegat, i és molt eficient per a peces axisimètriques com cons, cúpules, cilindres i broquets. En comparació amb la conformació per premsa, la filatura de titani ofereix un estalvi de material del 20-50% perquè el blanc inicial pot estar proper a la forma desenvolupada final, un acabat superficial elevat i una precisió dimensional en diàmetres de +/-0,5 mm o millor. El filat de cisalla (formació de flux) pot reduir el gruix de la paret de manera intencionada, produint closques còniques i cilíndriques sense costures amb una estructura de gra refinada i propietats mecàniques millorades. Les peces de titani produïdes per filatura inclouen conductes aeroespacials, capçals de vaixells químics, carcasses de motors de coets i centrífugues.

5. Expansió de tubs i juntes de tub-a-tubsheet

L'expansió del tub és un mètode d'unió mecànica que deforma radialment la paret del tub en ranures o contra un forat de fulla de tubs per crear una junta-estanquita i de càrrega-, molt utilitzada en intercanviadors de calor, condensadors i refrigeradors de carcassa-i-tubs. Són habituals tres tècniques: laminació mecànica, on els rodets cònics expandeixen el tub amb un parell controlat; expansió hidràulica o flexible, que utilitza pressió líquida o una bufeta flexible per a una expansió uniforme en llargues longituds; i l'expansió explosiva, on una càrrega detonant expandeix el tub gairebé a l'instant, adequat per a làmines de tub gruixudes i materials difícils. El grau d'expansió s'ha de controlar amb precisió - normalment un 3-8% de reducció de la paret en funció del disseny de la junta - perquè les fuites de sub-expansió i sobre-expansió provoquen l'aprimament de la paret, l'enduriment per treball i la susceptibilitat a la corrosió per tensió. Després de l'expansió, l'extrem del tub sovint s'acampa o es solda a la làmina de tubs per obtenir un segellat més fort, i la junta es prova a pressió segons el codi aplicable.

6. Selecció de processos i control de qualitat

Seleccioneu el procés per geometria: les peces buides axisimètriques afavoreixen la filatura; Les peces prismàtiques o com a caixa-favoreixen l'estampació; tubs i perfils afavoreixen la flexió; les connexions de tub-a-tubsheet afavoreixen l'expansió. Independentment de la ruta, verifiqueu l'estat de l'aliatge (recuit,-treballat en fred o tractat amb solució-), controleu la temperatura de conformació dins de la finestra especificada, apliqueu els lubricants adequats i inspeccioneu si hi ha esquerdes superficials, pell de taronja,-aprimament de la paret més enllà de la tolerància i cas alfa després de qualsevol treball en calent. Les comprovacions dimensionals, les proves de penetració de colorant-en àrees sospitoses i la verificació de la duresa o la tracció dels cupons de prova completen el paquet d'acceptació. Els components de titani format normalment es subministren amb els mateixos estàndards de material que el producte de partida, per exemple ASTM B338 o ASME SB338 per a tubs, amb la ruta de conformació documentada al registre de fabricació.

7. Preguntes freqüents

P1: Quin és el radi de flexió mínim per al tub de titani?

Per a la flexió de mandril de tub recuit de petit-diàmetre, un radi de la línia central de 2-3 vegades el diàmetre del tub és un mínim comú; els radis més estrets requereixen flexió en calent, eines especials o una condició d'aliatge diferent.

P2: El titani torna més que l'acer?

Sí, significativament. Com que el mòdul elàstic del titani és aproximadament la meitat del de l'acer, el retorn elàstic és aproximadament dues o tres vegades més gran; L'eina ha d'incloure la compensació de sobreflexió, verificada mitjançant el conformat d'assaig.

P3: Es pot dibuixar profundament la làmina de titani?

Sí, amb limitacions. Els fulls de grau 1 i grau 2 dibuixen bé quan els radis de les cantonades són generosos, es controla la força del suport en blanc i la lubricació és eficaç; Els aliatges-d'alta resistència com el grau 5 solen requerir conformació en calent o recuit intermedi per a embutits profunds.

P4: Quin és l'avantatge de girar sobre l'estampació del titani?

La filatura utilitza forces de conformació més baixes, requereix eines menys costoses i estalvia un 20-50% de material per a peces axisimètriques, alhora que s'aconsegueix un bon acabat superficial i un gruix de paret controlat mitjançant la filatura de cisalla.

P5: Com es controla el grau d'expansió en l'expansió del tub?

Mitjançant el control del parell per a la rodadura mecànica, la pressió per a l'expansió hidràulica o la mida de la càrrega per a l'expansió explosiva, i verificant amb mesures de paret del tub i proves d'extracció-o pressió a les juntes de mostres.

P6: Quins defectes s'han d'inspeccionar després de la formació en calent del titani?

Comproveu si hi ha cas alfa (-capa superficial trencadissa rica en oxigen), decoloració per un blindatge inadequat, esquerdes a les cantonades, aprimament excessiu de la paret i distorsió. Traieu la caixa alfa mecanitzant o decapant abans del servei.