Wpływ niejednorodności odkształcenia dwufazowego stopu tytanu na
własności wyrobów kutych
Stopy tytanu są jednymi z najpowszechniej stosowanych materiałów konstrukcyjnych, w szczególności w przemyśle lotniczym oraz medycznym. Jednym z takich stopów jest dwufazowy (α+β) stop Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti-6246), stosowany między innymi na elementy silników turboodrzutowych, cechujący się wysoką wytrzymałością w niskich temperaturach oraz dobrymi własnościami wysokotemperaturowymi. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące określenia zależności pomiędzy czynnikami materiałowymi oraz procesowymi wpływającymi na zjawiska zachodzące podczas odkształcania plastycznego stopu Ti-6246, ze szczególnym uwzględnieniem niejednorodności plastycznego płynięcia. Dyskusji poddano również zależności pomiędzy historią odkształcania tego stopu a jego mikrostrukturą oraz własnościami. W pracy analizie poddano własności stopu w stanie dostawy, przeprowadzono również badania dylatometryczne w celu określenia punktów charakterystycznych przemiany (α+β)→β przy nagrzewaniu stopu Ti-6246. Przedstawiono analizę zachowania się stopu Ti-6246 na podstawie krzywych naprężenie-odkształcenie, opracowanych na podstawie wyników próby ściskania, prowadzonej w szerokim zakresie temperatur i prędkości odkształcania. Analizując te krzywe obliczono energię aktywacji badanego stopu i opracowano równanie konstytutywne opisujące zachowanie się analizowanego stopu podczas odkształcania na gorąco. Bazując na teorii dynamicznego modelowania materiałów (DMM) opracowano mapy procesowe w oparciu o kryteria Prasada i Malasa, opisujące obszary potencjalnie korzystnych oraz niekorzystnych kombinacji parametrów kształtowania na gorąco analizowanego stopu. Weryfikację otrzymanych wyników przeprowadzono poprzez obserwacje mikrostruktury odkształconych próbek. W przypadku próbek ze stopu Ti-6246, odkształconych przy parametrach wskazanych metodami opartymi na kryteriach Malasa i Prasada jako prowadzące do niestabilności odkształcenia
stwierdzono występowanie w ich mikrostrukturze wad. Przeprowadzono numeryczne modelowanie kucia na gorąco wsadu ze stopu Ti 6246 w zakresie jednofazowym i dwufazowym. Przyjęte do analizy warunki kucia opracowano korzystając przy tym z map procesowych, krzywych plastycznego płynięcia oraz implementując wyniki badań czynnika tarcia w warunkach jego kształtowania na gorąco. Na podstawie wyników analizy MES wyznaczono warunki korzystne do kucia na gorąco w matrycach otwartych badanego stopu. Ocena jakości odkuwki kształtowanej w warunkach przemysłowych w zakresie dwufazowym, przeprowadzona za pomocą nieniszczących badań metodą tomografii komputerowej, potwierdziła poprawność doboru parametrów technologicznych procesu przeróbki plastycznej na gorąco badanego stopu. Analiza mikrostruktury odkuwki kutej w zakresie jednofazowym również wykazała korzystny dobór parametrów kucia stopu Ti-6246. W oparciu o metodę dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych (EBSD) zrekonstruowano mikrostrukturę i teksturę wysokotemperaturowej fazy p. Przedstawiono wyniki oceny możliwości przewidywania własności Teologicznych poszczególnych składników fazowych oraz ich morfologii wykorzystując pomiary nanotwardości i badania tekstury za pomocą metody EBSD oraz próby rozciągania i modelowania numerycznego. Odnotowano skuteczność wykorzystanych metodologii, co może pozwolić na modelowanie zachowania się różnych struktur pod obciążeniem oraz na uwzględnienie poziomu niejednorodności struktury. Dokładne zrozumienie zachowania się materiału w zmiennych warunkach odkształcania warunkowało precyzyjne określanie korzystnych parametrów kształtowania plastycznego, co w konsekwencji umożliwia otrzymywanie wysokiej jakości wyrobów ze stopu Ti-6246.
The influence of deformation inhomogeneity in two-phase titanium alloy on
the properties of forged products
Titanium alloys are one of the most commonly used construction materials, especially in the aerospace or medical industries. One of such alloys, used, among others, for turbojet engine components, is two-phase (α+β) Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti 6246) alloy, characterized by high strength at low temperatures and good high temperature properties. This work presents the results of the research on determining the relationships between material and process parameters affecting phenomena occurring during plastic deformation of Ti-6246 alloy, with particular emphasis on the heterogeneity of plastic flow. The relationships between the history of deformation, microstructure and properties of this alloy were discussed. As part of this work, the properties of the alloy in as- delivered condition were analyzed. Dilatometric tests were also conducted to determine the characteristic points of the (α+β)→β transformation during heating the Ti-6246 alloy. The analysis of Ti-6246 alloy behavior was presented on the basis of stress-strain curves obtained in the compression tests in a wide range of temperatures and strain rates. Based on the obtained flow stress curves, the activation energy of the examined alloy was calculated and a constitutive equation describing the behavior of the analyzed alloy in the hot deformation process was obtained. Processing maps based on the dynamic material modeling (DMM) theory were developed based on Prasad and Malas criteria describing potentially beneficial combinations of hot forming parameters of the analyzed alloy. The obtained results were verified by observing the microstructure of deformed samples and Ti-6246 alloy plastic flow instabilities were found in the range of the parameters determined by the Malas and Prasada approaches. Basing on the processing maps, the optimal processing parameters were selected and numerical modeling of Ti- 6246 forging in single-phase and two-phase flow conditions was carried out. The evaluation of the quality of the obtained product forged in two-phase flow conditions was carried out by means of non-destructive computed tomography tests and confirmed the correct
selection of technological parameters of hot forming of the examined alloy. The analysis of the microstructure of the forged part in the single-phase flow conditions also showed a favorable selection of forging parameters for Ti- 6246 alloy. Basing on the backscattered electron diffraction (EBSD) method, the microstructure and texture of high- temperature p phase was reconstructed. The results of the assessment of the possibility of predicting the rheological properties of individual phase components and their morphology using nanohardness and texture tests using EBSD method as well as using tensile tests and numerical modeling were also presented. The effectiveness of the methodologies used has been showed, which may allow modeling the behavior of different structures under load and taking into account the level of heterogeneity of the structure. A thorough understanding of the behavior of the material under changing deformation conditions determined the precise determination of favorable parameters of processing, which in turn enabled obtaining high quality Ti-6246 alloy products.
