Titanlegierungen stellen aufgrund ihrer hohen Verformungsbeständigkeit und ihrer reaktiven chemischen Eigenschaften besondere Herausforderungen beim Schmieden dar. Erstens reagieren Mikrostruktur und Eigenschaften von Titanlegierungs-Schmiedeteilen sehr empfindlich auf die thermischen Schmiedeparameter. Ihr Schmiedetemperaturbereich ist relativ eng, und mit steigender Umformgeschwindigkeit nimmt die Verformungsbeständigkeit deutlich zu, was eine starke Abhängigkeit von der Umformgeschwindigkeit zur Folge hat. Zweitens weisen Titanlegierungen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch sie beim Schmieden anfällig für lokale Überhitzung sind. Dies führt zu großen internen und externen Temperaturdifferenzen und verschärft die ungleichmäßige Verformungsverteilung zwischen Kern und Oberfläche des Rohlings, was zu Rissbildung oder sogar Ausschuss führen kann. Daher ist die Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Schmiedeprozesse auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von Titanlegierungen sowie die Suche nach geeigneten Umformverfahren von großer praktischer Bedeutung für die Produktion.
Die Titanlegierung Gr5 ist derzeit die am weitesten verbreitete α+β-Zweiphasen-Titanlegierung. Dank ihrer hervorragenden Eigenschaften findet sie breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Medizintechnik und weiteren Bereichen. Weltweit haben Forscher zahlreiche Studien zu ihren verschiedenen Eigenschaften und Verarbeitungstechniken durchgeführt. Systematische Vergleiche der Auswirkungen unterschiedlicher Schmiedeverfahren auf das Mikrogefüge und die mechanischen Eigenschaften der Titanlegierung Gr5 sind jedoch selten. Um diese Forschungslücke zu schließen, wählten die Forscher drei typische Verfahren aus – β-Schmieden, β-nahes Schmieden und (α+β)-Zweiphasenschmieden – und untersuchten deren Auswirkungen auf das Mikrogefüge und die mechanischen Eigenschaften von Gr5-Titanlegierungsstäben. Ziel war es, die optimale Schmiedelösung zu ermitteln und eine Referenz für die Herstellung von Gr5-Titanlegierungs-Schmiedeteilen zu schaffen, die den Anforderungen entsprechen.
I. Experimentelle Materialien und Methoden
Im Experiment wurden Schmiedeblöcke aus Titanlegierung Gr5 mit den Abmessungen Φ100 mm × 450 mm verwendet. Die Phasenumwandlungstemperatur (Tβ) (α+β)/β wurde metallografisch zu 990 °C bestimmt. Der Schmiedeblock wurde in drei gleich große Abschnitte unterteilt, und an jedem Abschnitt wurden drei Schmiedeversuche mit jeweils 50% Umformgrad durchgeführt. Als Schmiedegerät diente ein 3-t-Freiformschmiedehammer.
Konventionelles (α+β) Schmieden: Tβ – 60°C
Schmieden nahe β: Tβ – 20°C
β-Schmieden: Tβ + 40°C
Nach dem Schmieden wurden alle Schmiedeteile einer doppelten Wärmebehandlung unterzogen: 900 °C × 1 h/AC + 600 °C × 4 h/AC. Anschließend wurden metallografische Proben, Zugproben und Kerbschlagproben entnommen. Die Mikrostrukturen wurden unter einem Metallmikroskop untersucht und quantitative statistische Parameter wie der Anteil der gleichachsigen α-Phase und die Dicke der sekundären lamellaren α-Phase mithilfe von Bildanalysesoftware bestimmt.
II. Experimentelle Ergebnisse und Analyse
1. Mikrostrukturelle Eigenschaften
Nach dem Schmieden mit den drei verschiedenen Verfahren wies die Titanlegierung Gr5 deutlich unterschiedliche Mikrostrukturen auf:
α+β-Schmiedeverfahren: Gleichachsiges Mikrogefüge
Nahe-β-Schmieden: Gemischtes Mikrogefüge (gleichachsiges α + lamellares β)
β-Schmieden: Lamellare Mikrostruktur
2. Vergleich der mechanischen Eigenschaften
Festigkeit: Die Festigkeiten der nach den drei Verfahren verarbeiteten Stäbe waren vergleichbar, ohne signifikante Unterschiede.
Plastizität: Die Plastizität beim α+β-Schmieden und beim β-nahen Schmieden war deutlich höher als beim β-Schmieden.
Schlagzähigkeit: Das β-Schmieden wies die beste Schlagzähigkeit auf, die den beiden anderen Verfahren überlegen war.
Insgesamt zeigten die Stäbe aus Titanlegierung Gr5 nach dem Schmieden nahe der β-Phase die besten umfassenden mechanischen Eigenschaften (gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Plastizität und Schlagzähigkeit).
3. Bruchmorphologie
Die Zugproben brachen unter allen drei Schmiedeverfahren mit einem duktilen Bruchmechanismus. Die spezifischen Unterschiede sind folgende:
α+β-Schmieden und β-nahezu-β-Schmieden: Die Brüche zeigten relativ tiefe und gleichmäßig verteilte gleichachsige Grübchen.
β-Schmiedeverfahren: Die Brüche wiesen relativ flache und längliche Grübchen auf.
III. Schlussfolgerungen
1. Nach dem α+β-Schmieden, dem β-nahen Schmieden und dem β-Schmieden weist die Titanlegierung Gr5 jeweils ein gleichachsiges Mikrogefüge, ein gemischtes Mikrogefüge bzw. ein lamellares Mikrogefüge auf.
2. Die Festigkeiten der Stäbe nach den drei Verfahren sind vergleichbar. Die Plastizität der α+β- und der β-nahen Schmiedeverfahren ist höher als die der β-Schmiedeverfahren, die beste Schlagzähigkeit wird jedoch durch die β-Schmiedeverfahren erzielt.
3. Das Schmieden nahe der β-Grenze erzielt die besten umfassenden mechanischen Eigenschaften und ist eine relativ optimierte Schmiedeprozesslösung für Stäbe aus Titanlegierung Gr5.
4. Bei allen drei Verfahren handelt es sich bei den Zugbrüchen um duktile Brüche, jedoch gibt es signifikante Unterschiede in der Grübchenmorphologie: α+β-Schmieden und β-nahezu-β-Schmieden weisen gleichmäßige, gleichachsige Grübchen auf, während β-Schmieden flache, längliche Grübchen aufweist.
Diese Studie liefert eine klare Referenzgrundlage für die Auswahl von Schmiedeverfahren bei der praktischen Fertigung von Schmiedeteilen aus Titanlegierung Gr5. Insbesondere wenn Festigkeit, Plastizität und Schlagzähigkeit in Einklang gebracht werden müssen, ist das Schmieden nahe der β-Phase eine vorzuziehende Lösung.