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May 21, 2024

El nuevo proceso HPWF se utilizó para formar esta pieza aeroespacial a partir de Ti6Al4V a 520 grados F (270 grados C) y 20 000 PSI (1400 bar).

Los datos del mercado indican un crecimiento significativo del uso de titanio en aviones nuevos. Se espera que los volúmenes se tripliquen en un período de cinco años (consulte la barra lateral El crecimiento aeroespacial global impulsa la trayectoria de expansión del titanio).

Se necesita una forma nueva, más rápida y eficaz de formar titanio de calidad aeroespacial.

Hay buenas razones para el aumento del uso del titanio en la fabricación de aviones. Las aleaciones de titanio son livianas, poseen una extraordinaria resistencia a la corrosión y pueden soportar temperaturas extremas. Sin embargo, el alto costo de las materias primas y los métodos de formación actuales han limitado el uso comercial de las aleaciones de titanio a aplicaciones estrechamente especializadas en aviones, naves espaciales, turbinas, dispositivos médicos y otros componentes sometidos a grandes esfuerzos.

El titanio de los grados 1 a 4, también conocido como puro comercial, se puede formar a temperatura ambiente. Sin embargo, el grado 5, titanio/6 por ciento de aluminio/4 por ciento de vanadio (Ti6Al4V), es el grado que ahora se prefiere más comúnmente en los diseños de aviones. Actualmente, Ti6Al4V requiere métodos de fabricación como procesos de fresado o conformado en caliente, que se llevan a cabo a temperaturas de 1300 a 1650 grados F (700 a 900 grados C).

El inconveniente inherente a cada uno de estos métodos es el alto coste. La alta tasa de desechos (50 a 70 por ciento) en la molienda, combinada con el alto precio del titanio en sí, ha limitado gravemente su uso generalizado. De manera similar, los procesos de conformado en caliente pueden llevar mucho tiempo y requerir herramientas costosas. Por lo tanto, la adopción del titanio por parte de la industria aeroespacial ha sido más lenta de lo previsto inicialmente, lo que impide que los fabricantes aprovechen plenamente sus beneficios.

Se ha desarrollado una tecnología recientemente introducida, la conformación en caliente a alta presión (HPWF), para formar láminas de titanio de grado aeroespacial a temperaturas más bajas que la conformación en caliente, la estampación en caliente y la conformación superplástica.

La tecnología de prensado de celdas de fluido a alta presión se ha utilizado comercialmente para fabricar componentes aeroespaciales durante décadas en todo el mundo. Los avances en la capacidad de presión, combinados con el diseño de herramientas modernizado, han permitido a la industria de fuselajes seguir el ritmo de la creciente demanda mediante el uso de este proceso de conformado en frío. El aumento de presión proporcionó la capacidad de dar a las piezas su forma final, eliminando tanto la dependencia de la corrección manual como la necesidad de tratamientos térmicos intermedios.

De acuerdo con la mejora continua, el proceso de celda de fluido de alta presión ahora ha avanzado aún más al aplicar el proceso de alta presión a temperaturas elevadas. Esta combinación de alta presión y calor aumenta la velocidad de conformado, reduce el costo y mejora la precisión del conformado de Ti6Al4V.

Este nuevo enfoque introduce un sistema de calentamiento por inducción para calentar la pieza en bruto y el conjunto de herramientas a aproximadamente 520 grados F (270 grados C) justo antes de ingresar a la prensa. Las temperaturas HPWF requeridas son claramente más bajas que el rango requerido para el conformado en caliente. Operando a una presión de 20,000 libras por pulgada cuadrada (PSI) o 140 megapascal (MPa), la prensa de celda de fluido está equipada con funciones de medición, control y trazabilidad para cumplir con los parámetros críticos para el proceso HPWF.

El análisis realizado por terceros de piezas producidas con el proceso HPWF indica que los parámetros de conformado están dentro de las tolerancias requeridas.

Figura 1 Un análisis de recuperación elástica de piezas formadas en Ti6Al4V, t = 2,0 mm, mostró una disminución con HPWF. Imagen cortesía del Centro de Investigación de Conformado Avanzado, Glasgow, Escocia.

Los estudios realizados por el Centro de Investigación de Conformado Avanzado (AFRC) de la Universidad de Strathclyde en Glasgow, Escocia, a finales de 2017 y principios de 2018 confirman que las piezas sometidas a HPWF tienen una desviación del retorno elástico postformado de menos de 0,5 milímetros (consulte la Figura 1). Cabe señalar que la flexibilidad del proceso permite el control de la recuperación elástica en el diseño de la matriz, por lo que se puede incorporar al proceso una compensación por la recuperación elástica del material. Esto produce piezas con la forma final como resultado directo. El grado constante de recuperación elástica está relacionado con la forma de la pieza, el espesor del material y los parámetros del proceso que se siguen. El nivel de presión utilizado parece tener un impacto vital.

El proceso HPWF puede generar algunos beneficios de reducción de costos.

El gas de protección puede eliminarse en el proceso HPWF debido a la temperatura relativamente baja requerida. En el caso de las aleaciones de titanio expuestas a temperaturas superiores a 800 grados F (425 grados C), la aleación generalmente se oxida y forma una capa dura y quebradiza enriquecida con oxígeno, llamada caso alfa. Para evitar la creación de una carcasa alfa dura y quebradiza, el conformado en caliente y la fabricación con conformado superplástico requieren una atmósfera de proceso libre de oxígeno para evitar la captación de oxígeno o nitrógeno. Debido a que HPWF opera por debajo del límite de temperatura del caso alfa, el proceso no necesita gas protector.

También se puede reducir el tiempo necesario para la limpieza de piezas después de HPWF. La necesidad de mantenimiento de herramientas y troqueles también disminuye debido a la ausencia de revestimiento en los espacios en blanco de titanio a temperaturas de proceso relativamente bajas.

Finalmente, el consumo de energía se reduce sustancialmente en comparación con los métodos tradicionales de conformado en caliente.

Los tiempos actuales de procesamiento de conformado en caliente se miden normalmente en horas. La larga duración requerida para completar el conformado en caliente limita significativamente la capacidad de fabricación. El proceso HPWF, por el contrario, puede producir piezas en cuestión de minutos.

Además, la tecnología de prensado de celda fluida, con su diafragma de caucho flexible, permite la fabricación de varias piezas en la misma operación de formación, reduciendo el paso de formación por pieza a segundos. Estas eficiencias dan a un sistema HPWF la capacidad teórica de producir hasta 140.000 piezas por año en una operación de dos turnos.

Se ha descubierto que HPWF es eficaz en la fabricación de piezas relativamente poco profundas y de doble curvatura, lo que lo hace muy adecuado para una serie de componentes típicos de estructuras de aviones y motores a reacción (consulte la Figura 2).

Antes de que los fabricantes puedan comprender cómo funciona HPWF, es importante que sepan cómo funciona la tecnología de prensado de celdas de fluido a alta presión.

Las piezas complejas de chapa metálica se forman sobre una única mitad de herramienta que define la forma, similar a un troquel inferior (consulte la Figura 3). Un diafragma de goma flexible sustituye la mitad superior del troquel. Se aplica alta presión hidráulica al diafragma desde arriba.

Figura 2 El proceso HPWF es muy adecuado para formar formas poco profundas, como marcos en forma de C con pestañas tanto elásticas como retráctiles; ángulos con ambas alas curvadas; pequeños ángulos curvos de una sola curvatura; partes torcidas o irregulares; y paneles con pestañas, de formas circulares o irregulares.

La membrana de goma flexible forma piezas sin rayones con formas complejas, incluidas socavaduras, con diferentes espesores de chapa en todos los materiales. Las presiones de formación uniformes altas y ultraaltas garantizan piezas de alta calidad con tolerancias estrechas directamente desde la prensa. Los bajos costos de herramientas y los cortos plazos de entrega hacen que la tecnología sea ideal para la producción de bajo volumen de piezas de chapa metálica para una variedad de aplicaciones.

Combinado con calefacción, este proceso ahora también es viable para Ti6Al4V.

La tecnología de prensa de celda fluida permite formar varias piezas en la misma operación de formado. Un diafragma de goma actúa como una matriz superior flexible sobre la que se aplica presión de fluido hidráulico.

El proceso HPWF tiene similitud con el estampado en caliente en el sentido de que se realiza en etapas y el conformado se ejecuta cuando la temperatura del metal se eleva para deprimir el resorte (consulte la Figura 4).

Referencias

Matthew J. Donachie Jr., Proceso de tratamiento térmico, junio/julio de 2001.

Matthew J. Donachie Jr., ed., “Heat Treating”, Capítulo 8, Titanio: Una guía técnica, segunda edición, ASM International, 2000.

R. Gaddam et al., Serie de conferencias IOP 2013: Ciencia e ingeniería de materiales, 48 ​​012002.

Olivier Jarrault, Alcoa Inc., American Metal Market, Sección especial sobre titanio, octubre de 2015.

Sture Olsson dirige el desarrollo empresarial de conformado de metales para Quintus Technologies, [email protected], 46-705-327-241, www.quintustechnologies.com.

Los principales fabricantes de aviones predicen que en los próximos 20 años habrá una demanda de más de 30.000 nuevos aviones de pasajeros y de carga. Esta proyección está impulsada no sólo por los volúmenes de tráfico en constante aumento, sino también por la necesidad de reemplazar la flota existente con modelos que sean más eficientes en el consumo de combustible para tener un menor impacto ambiental.

Cumplir los nuevos objetivos de rendimiento en entregas y menor consumo de combustible requiere la producción de motores más eficientes y una aerodinámica mejorada. La reducción de peso es un factor clave en el éxito de este progreso, lo que ha provocado la búsqueda de materiales más ligeros que los utilizados antes y de nuevos diseños. Como resultado, están surgiendo nuevos materiales compuestos que desafian la elección tradicional del aluminio para el diseño y la construcción de fuselajes. El cambio hacia los compuestos tendrá un impacto significativo en el papel del titanio, con su peso ligero, gran solidez y resistencia a la corrosión que lo convierten en una alternativa atractiva a las aleaciones de aluminio.

La creciente preferencia por el titanio en el sector aeroespacial está claramente documentada. En 2015, la industria representó entre el 45 y el 60 por ciento del consumo mundial de titanio. En comparación con tarifas anteriores, el Boeing 787, que se puso en servicio en 2009, utiliza 5,3 veces más titanio que el Boeing 767, que se puso en servicio 27 años antes. El Airbus 350, que entra en servicio este año, utiliza 4,5 veces más que el A330, que voló por primera vez en 1992.

La diferencia representa un aumento de aproximadamente 15 toneladas de titanio en aviones más antiguos a 100 toneladas de titanio en aviones nuevos.