Вплив режимів штампування і термообробки заготовок із титанових сплавів на їх механічну оброблюваність
DOI:
https://doi.org/10.26642/ten-2026-1(97)-69-83Ключові слова:
титанові сплави, моноколесо, ізотермічне штампування, мікроструктура, оброблюваність, залишкові напруження, багатокоординатна обробка, цифрові відбиткиАнотація
У сучасному авіадвигунобудуванні титанові сплави є безальтернативним матеріалом для виготовлення найвідповідальніших та високонавантажених роторних деталей газотурбінних двигунів, таких як моноколеса (бліски) та диски компресора. Широке використання титанових сплавів зумовлено їхнім унікальним поєднанням високої питомої міцності, жароміцності та виняткової корозійної стійкості. Однак обробка титанових сплавів різанням суттєво ускладнена їх низькою теплопровідністю та модулем пружності, а також високою хімічною активністю за підвищених температур. Це призводить до надвисоких термічних навантажень, пружного відтискання матеріалу та катастрофічного зношування різального інструменту. Практика доводить, що суто інструментального підходу для вирішення цієї проблеми недостатньо, оскільки оброблюваність металу суттєво залежить від його внутрішньої морфології та початкового стану. У роботі проаналізовано стан питання і основні напрями досліджень щодо впливу технологічної «спадковості» – параметрів штампування та термічної обробки – на мікроструктуру, фазовий склад, рівень залишкових напружень та подальшу оброблюваність титанових сплавів. Наведено результати досліджень щодо оптимізації температурно-швидкісних режимів ізотермічного штампування для формування необхідних типів мікроструктури та запобігання утворенню дефектів. Розглянуто вплив залишкових напружень, отриманих після кування, на деформування тонкостінних деталей під час багатокоординатного фрезерування. Крім того, висвітлено інноваційний метод «цифрових відбитків» для контролю якості деталей на основі безперервного аналізу динаміки зусиль різання безпосередньо на верстаті. У підсумку сформульовано висновки про необхідність інтегрованого підходу до виготовлення аерокосмічних деталей, за якого параметри термомеханічної обробки (ізотермічного штампування) жорстко синхронізуються з майбутньою стратегією механічної обробки для мінімізації геометричних відхилень та забезпечення високих експлуатаційних характеристик виробу.
Посилання
Yu, X., Pang, G., Huang, Q. and Pang, Q. (2022), «Simulation Study on Isothermal Forging Microstructure Change of TC11 Alloy Compressor Disk», International Core Journal of Engineering, Vol. 8, Iss. 3, рр. 612–621, doi: 10.6919/ICJE.202203_8(3).0074.
Youhong, C., Xing, S. and Bo, L. (2025), «Research on the Isothermal Forging Process for TC6 Titanium Alloy Blades with Thin-Walled and Variable Cross-Section Characteristics», Journal of Physics: Conference Series, Vol. 2941, Iss. 1, рр. 1–9, doi: 10.1088/1742-6596/2941/1/012041.
Chu, S., Huang, W., Liang, G. et al. (2025), «Research Trends in Isothermal Near-Net-Shape Forming Process of High-Performance Titanium Alloys», Materials, Vol. 18, рр. 1–25, doi: 10.3390/ma18030578.
Raghu, T., Balasundar, I. and Sudhakara Rao, M. (2011), «Isothermal and Near Isothermal Processing of Titanium Alloys», Defence Science Journal, Vol. 61, Iss. 1, рр. 72–80, doi: 10.14429/dsj.61.321.
Xiong, A.M., Li, M.Q., Huang, W.C. et al. (2004), «Analysis of high flow stress and microstructural evolution of TC6 titanium alloy during isothermal forging», Materials Science and Technology, Vol. 20 (10), рр. 1257–1260, doi: 10.1179/026708304X6095/.
Li, X., Li, M., Zhu, D. and Xiong, A. (2005), «Deformation Behavior of TC6 Alloy in Isothermal Forging», Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 14, Iss. 5, рр. 671–676.
Fernández Silva, B., Suárez Fernández, D., Green, I. et al. (2022), «Digital fingerprints of microstructural variation in titanium alloy hip joint forgings via machining force feedback analysis», Materials Characterization, Vol. 192, doi: 10.1016/j.matchar.2022.112198.
Suárez Fernández, D., Wynne, B.P., Crawforth, P. and Jackson, M. (2021), «Titanium alloy microstructure fingerprint plots from in-process machining», Materials Science and Engineering: A, Vol. 811, рр. 1–10, doi: 10.1016/j.msea.2021.141074.
Connolly, D., Fabris, M., Sivaswamy, G. et al. (2024), «Miniaturised experimental simulation and combined modelling of open-die forging of Ti-6Al-4V titanium alloy», Journal of Materials Research and Technology, Vol. 30, рр. 3622–3639, doi: 10.1016/j.jmrt.2024.04.084.
El-Hadad, S., Elsayed, A., Shi, B. and Attia, H. (2023), «Experimental Investigation on Machinability of α/β Titanium Alloys with Different Microstructures», Materials, Vol. 16 (22), doi: 10.3390/ma16227157.
Wang, Z., Sun, J., Chen, W. et al. (2018), «Machining Distortion of Titanium Alloys Aero Engine Case Based on the Energy Principles», Metals, Vol. 8, doi: 10.3390/met8060464.
Landwehr, M., Oehler, F.G., Behnken, H. et al. (2021), «Influence of heat treatment on the residual stress-related machining distortion of Ti-6Al-4V alloy monolithic parts», Procedia CIRP, Vol. 104, рр. 1328–1333.
Zhao, P.B. and Shi, Y.Y. (2014), «Adaptive sliding mode control of the A-axis used for blisk manufacturing», Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 27, Iss. 3, рр. 708–715, doi: 10.1016/j.cja.2014.04.013.
Leyens, C. and Peters, M. (ed.) (2003), Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany.
Ali, M.H., Khidhir, B.A., Mohamed, B. et al. (2011), «Machining of Titanium Alloys: A Review», IEEE Student Conference on Research and Development (SCOReD), Putrajaya, Malaysia.
Khanna, N., Garay, A., Iriarte, L.M. et al. (2012), «Effect of heat treatment conditions on the machinability of Ti64 and Ti54M alloys», Procedia CIRP, Vol. 1, рр. 477–482, doi: 10.1016/j.procir.2012.04.085.
Jamhari, F.I., Foudzi, F.M., Buhairi, M.A. et al. (2023), «Influence of heat treatment parameters on microstructure and mechanical performance of titanium alloy in LPBF: A brief review», Journal of Materials Research and Technology, Vol. 24, рр. 4091–4110.
Suárez Fernández, D., Wynne, B.P., Crawforth, P. and Jackson, M. (2021), «The effect of forging texture and machining parameters on the fatigue performance of titanium alloy disc components», International Journal of Fatigue, Vol. 142, рр. 1–13, doi: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105936.
Makovetskyi, A.V. (2012), «Udoskonalennia protsesiv hariachoho obiemnoho shtampuvannia detalei aviatsiinykh konstruktsii iz vazhkodeformivnykh splaviv», Ph.D. Thesis of dissertation, 05.03.05, Nats. aerokosm. un-t im. M.Ye. Zhukovskoho «Kharkiv. aviats. in-t», Kharkiv, 149 р.
Welsch, G., Boyer, R. and Collings, E.W. (1994), «Materials properties handbook: Titanium alloys», Materials Park, ASM International, 1169 p.
Filip, R., Kubiak, K., Ziaja, W. and Sieniawski, J. (2003), «The effect of microstructure on the mechanical properties of two-phase titanium alloys», Journal of Materials Processing Technology, Vol. 133, рр. 84–89.
Khanna, N. and Sangwan, K.S. (2013), «Machinability study of α/β and β titanium alloys in different heat treatment conditions», Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part B. Journal of Engineering Manufacture, Vol. 227, Iss. 3, рр. 357–362, doi: 10.1177/0954405412469509.
Boiko, I.A. and Melnychuk, P.P. (2025), «Vykorystannia tytanovykh splaviv pid chas vyhotovlennia skladnoprofilnykh detalei aviatsiinykh dvyhuniv», Tekhnichna inzheneriia, No. 2 (96), рр. 13–21.
Список використаної літератури:
Simulation Study on Isothermal Forging Microstructure Change of TC11 Alloy Compressor Disk / X.Yu, G.Pang, Q.Huang, Q.Pang // International Core Journal of Engineering. – 2022. – Vol. 8, Iss. 3. – P. 612–621. DOI: 10.6919/ICJE.202203_8(3).0074.
Youhong C. Research on the Isothermal Forging Process for TC6 Titanium Alloy Blades with Thin-Walled and Variable Cross-Section Characteristics / C.Youhong, S.Xing, L.Bo // Journal of Physics: Conference Series. – 2025. – Vol. 2941, Iss. 1. – P. 1–9. DOI: 10.1088/1742-6596/2941/1/012041.
Research Trends in Isothermal Near-Net-Shape Forming Process of High-Performance Titanium Alloys / S.Chu, W.Huang, G.Liang and other // Materials. – 2025. – Vol. 18. – P. 1–25. DOI: 10.3390/ma18030578.
Raghu T. Isothermal and Near Isothermal Processing of Titanium Alloys / T.Raghu, I.Balasundar, M.Sudhakara Rao // Defence Science Journal. – 2011. – Vol. 61, Iss. 1. – P. 72–80. DOI: 10.14429/dsj.61.321.
Analysis of high flow stress and microstructural evolution of TC6 titanium alloy during isothermal forging / A.M. Xiong, M.Q. Li, W.C. Huang and other // Materials Science and Technology. – 2004. – Vol. 20, Iss. 10. – P. 1257–1260. DOI: 10.1179/026708304X6095/.
Deformation Behavior of TC6 Alloy in Isothermal Forging / X.Li, M.Li, D.Zhu, A.Xiong // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2005. – Vol. 14, Iss. 5. – P. 671–676.
Digital fingerprints of microstructural variation in titanium alloy hip joint forgings via machining force feedback analysis / B.Fernández Silva, D.Suárez Fernández, I.Green and other // Materials Characterization. – 2022. – Vol. 192. DOI: 10.1016/j.matchar.2022.112198.
Titanium alloy microstructure fingerprint plots from in-process machining / D.Suárez Fernández, B.P. Wynne, P.Crawforth, M.Jackson // Materials Science and Engineering : A. – 2021. – Vol. 811. – P. 1–10. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141074.
Miniaturised experimental simulation and combined modelling of open-die forging of Ti-6Al-4V titanium alloy / D.Connolly, M.Fabris, G.Sivaswamy and other // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 30. – P. 3622–3639. DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.04.084.
Experimental Investigation on Machinability of α/β Titanium Alloys with Different Microstructures / S.El-Hadad, A.Elsayed, B.Shi, H.Attia // Materials. – 2023. – Vol. 16, Iss. 22. DOI: 10.3390/ma16227157.
Machining Distortion of Titanium Alloys Aero Engine Case Based on the Energy Principles / Z.Wang, J.Sun, W.Chen and other // Metals. – 2018. – Vol. 8. DOI: 10.3390/met8060464.
Influence of heat treatment on the residual stress-related machining distortion of Ti-6Al-4V alloy monolithic parts / M.Landwehr, F.G. Oehler, H.Behnken and other // Procedia CIRP. – 2021. – Vol. 104. – P. 1328–1333.
Zhao P.B. Adaptive sliding mode control of the A-axis used for blisk manufacturing / P.B. Zhao, Y.Y. Shi // Chinese Journal of Aeronautics. – 2014. – Vol. 27, Iss. 3. – P. 708–715. DOI: 10.1016/j.cja.2014.04.013.
Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications / C.Leyens, M.Peters (eds.). – Weinheim, Germany : Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2003.
Machining of Titanium Alloys: A Review / M.H. Ali, B.A. Khidhir, B.Mohamed and other // IEEE Student Conference on Research and Development (SCOReD). – Putrajaya, Malaysia, 2011.
Effect of heat treatment conditions on the machinability of Ti64 and Ti54M alloys / N.Khanna, A.Garay, L.M. Iriarte and other // Procedia CIRP. – 2012. – Vol. 1. – P. 477–482. DOI: 10.1016/j.procir.2012.04.085.
Influence of heat treatment parameters on microstructure and mechanical performance of titanium alloy in LPBF: A brief review / F.I. Jamhari, F.M. Foudzi, M.A. Buhairi and other // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 24. – P. 4091–4110.
The effect of forging texture and machining parameters on the fatigue performance of titanium alloy disc components / D.Suárez Fernández, B.P. Wynne, P.Crawforth, M.Jackson // International Journal of Fatigue. – 2021. – Vol. 142. – P. 1–13. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105936.
Маковецький А.В. Удосконалення процесів гарячого об’ємного штампування деталей авіаційних конструкцій із важкодеформівних сплавів : дис. ... канд. техн. наук : 05.03.05 / А.В. Маковецький. – Харків : Нац. аерокосм. ун-т ім. М.Є. Жуковського «Харків. авіац. ін-т», 2012. – 149 с.
Welsch G. Materials properties handbook: Titanium alloys / G.Welsch, R.Boyer, E.W. Collings. – Materials Park: ASM International, 1994. – 1169 p.
The effect of microstructure on the mechanical properties of two-phase titanium alloys / R.Filip, K.Kubiak, W.Ziaja, J.Sieniawski // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol. 133. – P. 84–89.
Khanna N. Machinability study of α/β and β titanium alloys in different heat treatment conditions / N.Khanna, K.S. Sangwan // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part B : Journal of Engineering Manufacture. – 2013. – Vol. 227, Iss. 3. – P. 357–362. DOI: 10.1177/0954405412469509.
Бойко І.А. Використання титанових сплавів під час виготовлення складнопрофільних деталей авіаційних двигунів / І.А. Бойко, П.П. Мельничук // Технічна інженерія. – 2025. – № 2 (96). – С. 13–21.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Ігор Андрійович Бойко
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автор, який подає матеріали до друку, зберігає за собою всі авторські права та надає відповідному виданню право першої публікації, дозволяючи розповсюджувати даний матеріал із зазначенням авторства та джерела первинної публікації, а також погоджується на розміщення її електронної версії на сайті Національної бібліотеки ім. В.І. Вернадського.
