Egyedi gyártású titán rögzítőelemek

Az olyan alapvető ágazatokban, mint a repülőgépipar, a hajózás és az orvosi berendezések gyártása, a szabványos titán kötőelemek már nem képesek megfelelni a szerkezeti alkalmazkodóképességre, a teljesítményspecifitásra és a környezeti toleranciára vonatkozó szigorú követelményeknek bizonyos helyzetekben. Például a repülőgép-hajtóművek magas hőmérsékletű területein lévő összekötő alkatrészeknek 600 °C-ot meghaladó hőmérsékletet kell elviselniük, és ellenállónak kell lenniük a gázkorrózióval szemben. A mélytengeri fúróplatformokon lévő kötőelemeknek el kell viselniük a nagy nyomást és a súlyos tengervíz-korróziót több ezer méteres mélységben. Ezek a speciális üzemi körülmények személyre szabott követelményeket támasztanak a titán kötőelemek méretével, szerkezetével és anyagtulajdonságaival szemben, így az egyedi gyártás elengedhetetlen.

A titán és a titánötvözetek alacsony sűrűségük, nagy szilárdságuk, kiváló korrózióállóságuk és széles hőmérsékleti tartományban mutatott mechanikai stabilitásuk miatt az egyedi rögzítőelemek előnyben részesített alapanyagai. A titánötvözetek gyenge hővezető képessége, magas kémiai aktivitása és jelentős alakváltozási keményedési hatásai azonban megnehezítik az egyedi gyártást, beleértve a szerkezeti öntés, a precíziós szabályozás és az állandó teljesítmény biztosításának nehézségeit.

Az egyedi gyártás fő technológiái

Az egyedi gyártás alapvető előfeltétele az anyagtulajdonságok pontos összehangolása az üzemi körülményekkel. A titánötvözet minőségeit olyan paraméterek alapján kell kiválasztani, mint az üzemi környezet, a terhelési viszonyok és a közeg jellemzői. Az anyagválasztáshoz „üzemi körülmények – teljesítmény – minőség” térképezési rendszerre van szükség. Nagy terhelésű repülőgépipari szerkezetekhez a TC4 (Ti-6Al-4V) titánötvözet az előnyös, amely 900-1100 MPa szakítószilárdsággal és kiváló szívóssággal büszkélkedhet. Magas hőmérsékletű környezetekhez (300-500°C) a TC11 (Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si) az előnyös, amely több mint 85%-os magas hőmérsékleti szilárdságmegtartási arányt ér el. A hajóépítésben és a vegyiparban a TA2 tiszta titán vagy a Ti-6Al-4V-ELI az előnyös, mivel a tengervíz okozta korróziós sebessége kevesebb, mint 0.001 mm/év. Orvosi implantátumokhoz Ti-6Al-7Nb-t használnak, amely kiváló biokompatibilitást biztosít.

Az olyan extrém követelményekhez, mint az ultramagas hőmérséklet és az ultranagy szilárdság, anyagmódosító technológiára van szükség a teljesítmény növelése érdekében: β hőkezeléssel finomítják a TC21 titánötvözet szemcséit, ami több mint 1200 MPa szakítószilárdságot eredményezhet; plazmaszórásos technológiával Al₂O₃ kerámia bevonatot készítenek a titán rögzítőelemek felületére, amelynek hőmérséklet-tűrési határa meghaladhatja a 800 ℃-ot; a lézeres felületötvözéssel a felületi keménység HRC30-ról HRC55-re vagy magasabbra növelhető, növelve a kopásállóságot.

Az egyedi gyártás fő technológiái

Az egyedi gyártás alapvető előfeltétele az anyagtulajdonságok pontos összehangolása az üzemi körülményekkel. A titánötvözet minőségeit olyan paraméterek alapján kell kiválasztani, mint az üzemi környezet, a terhelési viszonyok és a közeg jellemzői. Az anyagválasztáshoz „üzemi körülmények – teljesítmény – minőség” térképezési rendszerre van szükség. Nagy terhelésű repülőgépipari szerkezetekhez a TC4 (Ti-6Al-4V) titánötvözet az előnyös, amely 900-1100 MPa szakítószilárdsággal és kiváló szívóssággal büszkélkedhet. Magas hőmérsékletű környezetekhez (300-500°C) a TC11 (Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si) az előnyös, amely több mint 85%-os magas hőmérsékleti szilárdságmegtartási arányt ér el. A hajóépítésben és a vegyiparban a TA2 tiszta titán vagy a Ti-6Al-4V-ELI az előnyös, mivel a tengervíz okozta korróziós sebessége kevesebb, mint 0.001 mm/év. Orvosi implantátumokhoz Ti-6Al-7Nb-t használnak, amely kiváló biokompatibilitást biztosít.

Az olyan extrém követelményekhez, mint az ultramagas hőmérséklet és az ultranagy szilárdság, anyagmódosító technológiára van szükség a teljesítmény növelése érdekében: β hőkezelést alkalmaznak a TC21 titánötvözet szemcséinek finomítására, ami több mint 1200 MPa szakítószilárdságot eredményezhet; plazmaszórásos technológiával Al₂O₃ kerámia bevonatot készítenek a titán rögzítőelemek felületére, amelynek hőmérséklet-tűrési határa meghaladhatja a 800 ℃-ot; a lézeres felületötvözéssel a felületi keménység HRC30-ról HRC55-re vagy magasabbra növelhető, növelve a kopásállóságot.

(1) Kovácsolás

Alkalmas nagy fejtérfogatú, egyedi kötőelemekhez, amelyeknél biztosítani kell a fémáramvonalak folytonosságát (például nagy peremes csavarok). Izotermikus kovácsolás során a bugát és a formát azonos hőmérsékletre (általában 700-900 ℃) melegítik, majd lassan nyomást gyakorolnak rá, hogy a bugát illeszkedjen a formaüregbe, ami hatékonyan elkerüli a titánötvözet gyenge alacsony hőmérsékleti képlékenysége által okozott repedésproblémát. A fejformálás pontossága elérheti a ±0.5 mm-t, a fémáramvonalak pedig a fej kontúrja mentén oszlanak el. A kifáradási élettartam több mint 40%-kal nő a hagyományos kovácsoláshoz képest.

(2) CNC megmunkálás

A speciális alakú szerkezetek (például excentrikus fejek, kombinált menetek, üreges rudak) egyedi követelményeihez és a nagy pontosságú tűrésekhez (≤±0.005 mm) CNC kompozit megmunkálási technológiát alkalmaznak. Az 5 tengelyes összeköttetéses megmunkálóközpont integrált esztergálást, marást, fúrást és menetfúrást valósít meg, csökkentve a befogási idők számát (egyetlen befogás több megmunkálási lépést is elvégezhet), és a pozicionálási hiba 0.003 mm-en belül szabályozható. Keményfém bevonatú szerszámokkal (például TiAlN bevonat) és nagynyomású belső hűtőrendszerrel párosítva hatékonyan megoldja a szerszámberagadás és a forgácslerakódás problémáit a titánötvözet megmunkálásában, és a felületi érdesség akár Ra0.2 μm is lehet.

(3) 3D nyomtatás

Adaptív rögzítőelemek rendkívül összetett szerkezetekkel (például belső áramlási csatornák, rácsszerkezetek) és kis tételben történő testreszabással. A szelektív lézeres olvasztási (SLM) technológia alkalmazásával titánötvözetport használnak alapanyagként, és a lézeres szinterezést rétegről rétegre végzik. A fröccsöntési pontosság elérheti a ±0.02 mm-t, amivel olyan speciális alakú szerkezetek valósíthatók meg, amelyeket a hagyományos eljárásokkal nem lehet megvalósítani. Nyomtatás után forró izosztatikus préselés (HIP) szükséges a belső porozitási hibák kiküszöböléséhez és a 99.8%-nál nagyobb sűrűség eléréséhez, a kovácsolt darabokhoz hasonló mechanikai tulajdonságokkal.

Felületkezelés

Az egyedi kötőelemek élettartama és megbízhatósága nagymértékben függ a felületi tulajdonságoktól, és a korrózió, a kopás, a tömítés és egyéb követelmények alapján célzott felületkezelésre van szükség.

(1) Korrózióvédelem

Korrozív környezetben, például tengerészeti és vegyipari környezetben, mikroíves oxidációs technológiát alkalmaznak 5-20 μm vastagságú kerámia-oxid film kialakítására a felületen, amely több mint 5000 órán át ellenáll a semleges sópermet korróziójának; enyhén korrozív környezetben foszfátozással kezelik a foszfátkonverziós filmet, amely javíthatja a későbbi bevonatok tapadását. A politetrafluoretilén bevonattal kombinálva korróziógátló és súrlódáscsökkentő funkciókat is ellát.

(2) Kopásállóság

A mozgó alkatrészek összekapcsolására használt egyedi rögzítőelemeknél lézeres plattírozási technológiát alkalmaznak WC-Co fémkerámia bevonatok létrehozására a meneteken vagy az érintkező felületeken. A felületi keménység elérheti a HV1200-at, a kopásállóság pedig 5-8-szor nagyobb, mint az alapanyagé; alacsony terhelésű kopási forgatókönyvek esetén nitridálást alkalmaznak, amely 0.1-0.3 mm vastagságú nitrid réteget képez, ami hatékonyan csökkentheti a súrlódási együtthatót.

(3) Tömítés

Nagynyomású tömítési esetekben anaerob ragasztóbevonatot visznek fel a menetes alkatrészekre, amely kikeményedés után rugalmas tömítőréteget képez, és a tömítőnyomás elérheti a 30 MPa-t is; rezgési környezetben lévő rögzítőelemeknél a menet mikrodeformációs szerkezetét felülethengerléssel alakítják ki, vagy nejlon kilazulásgátló bevonatot alkalmaznak a tartós kilazulásgátlás érdekében, és a kilazulásgátló teljesítmény megfelel a GB/T 10431-2008 szabvány követelményeinek.

Minőségellenőrzés

A testreszabott kötőelemeknek teljes folyamatellenőrzésen kell átesniük annak biztosítása érdekében, hogy a teljesítményük megfeleljen a szabványoknak, és létre kell hozni egy háromszintű „nyersanyagok – félkész termékek – késztermékek” ellenőrzési rendszert. A nyersanyag fázisban a kémiai összetételt spektrométerrel mérik, hogy biztosítsák a titánötvözet minőségének tisztaságát (a Fe szennyeződési elemek tartalma ≤0.3%, az O-tartalom pedig ≤0.2%); a félkész termék fázisában a méretpontosságot egy háromkoordinátás mérőgép méri, és a geometriai tűréshatár mérési felbontása eléri a 0.001 mm-t; a késztermék fázisban mechanikai teljesítményvizsgálatot (szakítószilárdság, folyáshatár, ütésállóság), roncsolásmentes vizsgálatot (ultrahangos belső hibák kimutatása, mágneses részecskékkel történő felületi repedések kimutatása) és üzemi állapot szimulációs vizsgálatot (magas hőmérsékleti tartóssági vizsgálat, korróziós fáradásvizsgálat) végeznek annak biztosítása érdekében, hogy a testreszabott követelmények teljesüljenek.

A Wstitanium csúcskategóriás berendezéseket vezetett be, beleértve egy Németországból importált 5 tengelyes CNC megmunkálóközpontot, SLM 3D nyomtatókat és izotermikus kovácsolósorokat. A CNC megmunkálás ±0.001 mm-es pozicionálási pontosságot, a 3D nyomtatás pedig ≥99.8%-os sűrűséget ér el, így megfelel az összetett szerkezetek és a nagy pontosságú testreszabás igényeinek. Kialakítottak egy teljes folyamatra kiterjedő minőségellenőrzési rendszert, amely egy MES rendszert használ a megmunkálási paraméterek (vágási sebesség, előtolási sebesség, hőkezelési hőmérséklet stb.) valós idejű rögzítésére, biztosítva minden termék nyomon követhetőségét. A vállalat olyan tesztberendezésekkel van felszerelve, mint egy háromdimenziós mérőgép, egy univerzális anyagvizsgáló gép és egy sópermet-tesztkamra, és 100%-os méretvizsgálatot, 100%-os felületi hibaészlelést és szúrópróbaszerű mechanikai tulajdonságvizsgálatot valósít meg, aminek eredményeként a termékminősítési arány folyamatosan magas, meghaladja a 99.5%-ot.