Оборудование для горячего формования титановых сплавов

Когда слышишь 'оборудование для горячего формования титановых сплавов', многие сразу представляют себе огромные гидравлические прессы с системами подогрева. Но если копнуть глубже в процесс, становится ясно, что ключевая сложность часто лежит не в самом прессе, а в обеспечении стабильной вакуумной или инертной среды. Без этого титан просто 'сгорит' — покроется окисной плёнкой, которая испортит и механические свойства, и поверхность. И вот здесь начинаются настоящие проблемы, которые в каталогах оборудования описывают одной строчкой, а на практике приходится месяцами доводить.

Не прессом единым: где кроются реальные узкие места

Основное внимание, конечно, на оборудовании для горячего формования уделяют матрицам, нагревателям и усилиям. Но мой опыт подсказывает, что самая капризная часть — это система создания и поддержания рабочей атмосферы. Даже микроскопическая утечка в вакуумной камере при температурах под 900°C для сплава ВТ6 — это гарантированный брак. Причём не всегда явный, иногда дефект проявляется уже на этапе механической обработки или, что хуже, при эксплуатации детали.

Была у нас история с формованием крупногабаритного шпангоута. Пресс — монстр, нагреватели справлялись, а по краям детали шла полоса с изменённой структурой. Долго искали причину: думали на неравномерный нагрев. Оказалось, проблема в уплотнении разъёма камеры. Старое графитовое уплотнение при длительном цикле нагрева 'проседало', и в зону формования начинал подсасываться воздух. Заменили на композитный шнур с металлической прослойкой — проблема ушла. Но сколько времени и материала ушло на эксперименты.

Поэтому сейчас при оценке любого оборудования для горячего формования титановых сплавов я первым делом смотрю не на паспортное усилие, а на конструкцию камеры, тип уплотнений, расположение вакуумных патрубков и систему аварийного напуска аргона. Эти детали решают всё.

Вакуум как технологическая основа: почему это не просто 'откачать воздух'

Многие технологические карты требуют: 'формовка в вакууме 10^-3 Па'. Достичь этого показателя на холодной камере — полдела. Главное — как система ведёт себя в процессе. Нагревается всё: заготовка, оснастка, внутренние стенки камеры. Начинается газовыделение, давление 'плывёт'. Хорошее оборудование должно иметь систему высокотемпературной откачки и, желательно, возможность плавного регулирования вакуума. Иногда для сложных профилей нужно не максимальное разрежение, а определённое остаточное давление для более пластичного течения металла.

Здесь как раз вспоминается опыт коллег из ООО Хэбэй Чжичэн Шуюань Технология (их сайт — zcbeam.ru). Они хоть и специализируются на вакуумной сварке, но их глубокое понимание процессов газовыделения в вакуумных камерах при высоких температурах очень пересекается с нашими проблемами. Принципы те же: контроль среды, чистота процесса, стабильность параметров. Иногда полезно посмотреть на смежные области.

Их сфера — вакуумная электронно-лучевая сварка, диффузионная сварка, пайка — это тоже процессы, критичные к чистоте атмосферы. Думаю, их подход к разработке оборудования и исследованию технологических процессов мог бы быть полезен и для проектирования печей и камер для горячего формования титана. Ведь суть одна: исключить взаимодействие активного металла с кислородом и азотом.

Оснастка: графит, жаропрочная сталь или что-то ещё?

Материал оснастки — это отдельная головная боль. Графит дешевле, хорошо обрабатывается, но хрупок и может взаимодействовать с титаном при длительных выдержках. Жаропрочные стали, например, ХН78Т, выдерживают много циклов, но их стоимость и сложность механической обработки под сложный профиль заставляет вздрагивать экономистов.

Мы пробовали компромиссный вариант — стальную основу матрицы с графитовыми вставками в зонах сложного рельефа. Вроде бы логично: сталь держит нагрузку, графит формирует профиль. Но на практике возникла проблема с разным коэффициентом теплового расширения. После нескольких циклов в зазоры набивался титановый 'ус', который потом приходилось вырубать, повреждая и оснастку. Пришлось отказаться.

Сейчас склоняемся к использованию изостатического графита высокой плотности с защитными покрытиями. Но и это не панацея. Покрытие со временем трескается, его нужно обновлять. Получается, что оснастка для горячего формования титановых сплавов — это расходный материал, а не 'раз и навсегда'. Это важно закладывать в стоимость процесса с самого начала.

Интеграция с последующими операциями: чтобы не пришлось 'допиливать напильником'

Самая большая ошибка — рассматривать участок горячего формования как изолированную единицу. Деталь после пресса идёт на механическую обработку, возможно, на сварку или даже на ту же вакуумную пайку. И если геометрия получена 'примерно' или на поверхности остались следы от графитовой смазки или микронаплывы, то проблемы сыпятся на все следующие участки.

Например, мы как-то получили идеальную по форме деталь, но для последующей вакуумной диффузионной сварки её пришлось долго и дорого готовить — травлением снимать поверхностный слой, который мог содержать примеси. Оказалось, виной была разделительная смазка на основе графита, которая при высокой температуре давала нежелательный фон. Перешли на специальные составы, которые полностью улетучиваются, и проблема с подготовкой под сварку отпала.

Это к вопросу о комплексном подходе. Компания, которая занимается, как ООО Хэбэй Чжичэн Шуюань Технология, и разработкой оборудования, и исследованием процессов, и обучением, по идее, должна понимать всю цепочку. Их экспертиза в области вакуумной пайки и сварки могла бы быть бесценной при настройке именно таких смежных процессов после формования. Чтобы не было разрывов в технологии.

Модернизация вместо замены: когда старое оборудование можно 'оживить'

Не всегда есть бюджет на новую линию. Часто стоит задача модернизировать существующее оборудование для горячего формования, может быть, ещё советского периода. И здесь фокус смещается с механики на системы управления и контроля среды. Замена старого масляного вакуумного насоса на современную турбомолекулярную систему с сухими форвакуумными помпами может радикально улучшить чистоту процесса и сократить время на откачку.

Ещё один критичный пункт — система управления нагревом. Старые регуляторы на тиристорах часто дают перерегулирование по температуре. А для титана это плохо: перегрев ведёт к росту зерна. Установка современного ПИД-регулятора с точной термопарой, заведённой непосредственно в зону контакта с заготовкой, творит чудеса. Мы так сделали на одной из печей — разброс температур по рабочему объёму сократился с ±25°C до ±7°C. Качество деталей сразу выросло.

Такие работы по модернизации и техническому обслуживанию — это как раз то, что позволяет выжать из имеющихся ресурсов максимум. И это направление, которое, судя по описанию, тоже входит в спектр услуг zcbeam.ru. Полезно, когда одна организация может и исследовать проблему, и предложить upgrade, и обучить персонал работе на обновлённой системе.

Вместо заключения: мысль вслух о комплексных решениях

Размышляя обо всём этом, прихожу к выводу, что рынку не хватает не просто поставщиков станков, а поставщиков технологических решений 'под ключ' именно для титана. Чтобы от проектирования оснастки с учётом усадки, подбора режимов горячего формования титановых сплавов, организации вакуумно-защитной среды и до подготовки детали к следующим операциям — был один ответственный и, главное, понимающий специалист.

Возможно, будущее за альянсами или компаниями с широким технологическим профилем, как та, о которой я упоминал. Когда экспертиза в вакуумных процессах разного типа (сварка, пайка, термообработка) объединяется под одной крышей. Это даёт синергию. Потому что, в конечном счёте, мы работаем не с железом, а со структурой металла. А её целостность и чистота зависят от среды на всех этапах: от заготовки до готового узла.

Так что, выбирая или настраивая оборудование для горячего формования, стоит смотреть шире своего цеха. И искать партнёров, которые думают о той же проблеме, но, может быть, с другого технологического ракурса. Это часто даёт неожиданные и эффективные решения.