Karmaşık yapısal parçaların üretiminde önemli bir süreç olan titanyum alaşımlı levha süperplastik şekillendirme teknolojisinin havacılık, otomotiv endüstrisi ve diğer alanlarda önemli uygulamaları vardır. Bu makale, bu teknolojinin üç ana yönteminin profesyonel bir açıklamasını ve teknik analizini sağlar: vakumlu şekillendirme, pnömatik şekillendirme (şişirme) ve kalıplama (bağlantılı kalıplama).
Vakumlu şekillendirme yöntemi: düşük-basınçla hassas şekillendirme
Vakumlu şekillendirme, düşük-basınçlı şekillendirme kategorisine ait olan ve zımba kalıp yöntemi ve içbükey kalıp yöntemi olarak ikiye ayrılabilen plaka şekillendirmeyi gerçekleştirmek için esas olarak atmosferik basınç farkını kullanmaktır.
Delme yöntemi: Süper plastik sıcaklığa ısıtılan plaka, iç kısımda yüksek boyutsal doğruluk gerektiren derin boşluklu parçalar için uygun olan parçanın iç şekil özelliklerine sahip zımba kalıbı üzerine adsorbe edilir. Uzay aracının hassas yapısal parçalarının imalatında bu yöntem, aşırı çalışma koşulları altında boyutsal kararlılık gereksinimlerini karşılamak için profil doğruluğunu ve duvar kalınlığı dağılımını etkili bir şekilde kontrol edebilir.
İçbükey kalıp yöntemi: Plaka, parçanın şekli ile içbükey kalıp üzerine adsorbe edilir ve esas olarak yüksek boyutsal doğruluğa sahip sığ boşluklu parçalar için kullanılır. Otomotiv dış parçaları alanında bu yöntem, hafif ve entegre kalıplamanın gerçekleştirilmesine yardımcı olan iyi yüzey kalitesi ve şekil tutarlılığını sağlayabilir.
Teknik özellikler ve sınırlamalar: Yalnızca yaklaşık. 0.1 MPa'lık vakum oluşturma basıncı, ince plakalara (tipik olarak < 2 mm kalınlık) ve düzgün eğrilik değişikliklerine sahip parçalar için malzemenin süper plastik davranışına dayanır. Büyük kalınlıklara veya karmaşık yapılara sahip parçalar için şekillendirme kapasitesi sınırlıdır ve bunların uygulama aralığını genişletmek için proses optimizasyonu ve malzeme modifikasyonu gerekir.
Hava basıncıyla şekillendirme yöntemi (şişirme yöntemi): kontrol edilebilir hava basıncı altında esnek şekillendirme
Pnömatik basınç oluşturma, süperplastik durumdaki plakayı iki kategoriye ayrılan kalıba kademeli olarak yerleştirmek için inert gaz (argon gibi) aracılığıyla kontrollü basınç uygular: serbest üflemeli kalıplama ve kalıp üflemeli kalıplama.
Serbest üflemeli kalıplama: Herhangi bir kalıba gerek yoktur, plaka hava basıncıyla serbestçe genişletilir ve genellikle küresel, başlık-şeklindeki ve diğer eksenel simetrik parçalar için kullanılır. Avantajları düşük kalıp maliyeti ve kısa çevrim süresidir, ancak şekil kontrolü, deneme üretimi veya küçük seri üretim için uygun olan süreç parametresinin ayarlanmasına dayanır.
Kalıp Şişirme:
Zımba oluşturma: Hava basıncı plakanın dışına etki ederek zımbanın etrafına sarılmasına neden olur. Parçanın iç şekli yüksek doğruluk ve büyük derinlik-genişlik oranına sahiptir, ancak kalıptan çıkarma ve malzeme kullanımı zorluğu düşüktür ve tabanın kalınlaştırılması kolaydır.
İçbükey kalıp oluşturma: Plakanın içbükey model boşluğuna sığmasını sağlamak için hava basıncı plakanın iç kısmına etki eder. Parçanın şekli yüksek doğruluk, kolay kalıptan çıkarma ve yüksek malzeme kullanımına sahiptir, ancak en boy oranı sınırlıdır ve alt kalınlık nispeten küçüktür.
Proses avantajları: Pnömatik şekillendirme, daha karmaşık geometrilere ve daha büyük deformasyonlara uyum sağlamak için basıncı 0,3–2,0 MPa aralığında ayarlayabilir. Sürtünme küçüktür ve deformasyon işlemi sırasında stres durumu tekdüzedir, bu da malzeme oluşturma sınırının tutarlılığını ve parçaların mekanik özelliklerini iyileştirmeye yardımcı olur.
Kalıplama yöntemi (bağlantılı kalıplama): yüksek-hassasiyette temas oluşturma
Kalıplama, üst ve alt kalıplar kapalıyken basınçlandırılır ve süper plastik sıcaklıklarda çok düşük bir gerinim hızında (tipik olarak 10⁻⁴–10⁻³ s⁻¹) oluşturulur. Yüksek-hassas, yüksek-yüzey kalitesine sahip parçalar teorik olarak mevcut olsa da, aşağıdaki zorluklarla karşılaşılmaktadır:
Kalıbın yüksek sıcaklıklarda iyi bir termal stabiliteye ve sürünme direncine sahip olması gerekir ve genellikle nikel- bazlı alaşımlardan veya seramik malzemelerden yapılır.
Kalıp uyumu doğruluğu gereksinimleri son derece yüksektir, özellikle karmaşık profiller için işleme zorluğu ve maliyet önemli ölçüde artar;
Şekillendirme işlemi sırasında, yerel incelme veya çatlamayı önlemek için plaka ile kalıp arasındaki sürtünme ve sıcaklık dağılımı sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir.
Bu nedenle, bu süreç şu anda çoğunlukla deneysel araştırmalar veya belirli yüksek-hassas parçalar için kullanılıyor ve endüstriyel uygulamalarda hâlâ kalıp teknolojisi ve yağlama koşullarında daha fazla atılım yapılması gerekiyor.
Süreç seçimi ve beklentiler
Gerçek üretimde proses seçimi, yapısal özelliklere, hassasiyet gereksinimlerine, partiye ve parçaların maliyetine göre yapılmalıdır:
Vakum şekillendirme: İnce plakaların sığ boşluklu veya derin boşluklu hassas parçaları için uygundur; maliyet kontrolü ve yüzey kalitesine odaklanır;
Pnömatik şekillendirme: karmaşık üç- boyutlu şekiller, orta ve ağır plakalar ve tekdüze deformasyon gerektiren yapısal parçalar için uygundur;
Kalıplama: Şu anda test etme ve küçük-toplu yüksek-hassas parçalarla sınırlı olduğundan, gelecekte kalıp teknolojisinin gelişmesiyle iyileştirmeler yapılabilir.
Süperplastik şekillendirme teknolojisi, kompozit prosesler (sıcak şekillendirme-süperplastik kompozit şekillendirme gibi), akıllı proses kontrolü (sayısal simülasyona ve gerçek-zamanlı izlemeye dayalı) ve yeni titanyum alaşımlarının (yüksek-gerilme oranlı süperplastik malzemeler) geliştirilmesi yönünde gelişiyor ve bu, hafif ve entegre yapılar alanında titanyum alaşımlarının uygulama olanaklarını daha da genişletecek.