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El nuevo proceso HPWF se utilizó para formar esta pieza aeroespacial a partir de Ti6Al4V a 520 grados F (270 grados C) ya 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 de la trayectoria de expansión del titanio que impulsa el crecimiento aeroespacial mundial).

Se necesita una forma nueva, más rápida y más efectiva de formar titanio de grado aeroespacial.

Hay una buena razón para el aumento del uso del titanio en la fabricación de aeronaves. 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 estrictamente especializadas en aeronaves, naves espaciales, turbinas, dispositivos médicos y otros componentes sometidos a grandes esfuerzos.

Los grados de titanio 1 a 4, también denominados comercialmente puros, se pueden formar a temperatura ambiente. Sin embargo, el grado 5, titanio/6 por ciento de aluminio/4 por ciento de vanadio (Ti6Al4V), es el grado preferido actualmente en los diseños de aeronaves. Actualmente, el Ti6Al4V requiere métodos de fabricación como procesos de fresado o formado en caliente, que se realizan a temperaturas de 1300 a 1650 grados F (700 a 900 grados C).

El inconveniente inherente a cada uno de estos métodos es su elevado coste. La alta tasa de desperdicio (50 a 70 por ciento) en el fresado, combinada con el alto precio del propio titanio, ha limitado severamente su uso generalizado. Del mismo modo, los procesos de conformado en caliente pueden consumir mucho tiempo y requieren herramientas costosas. Por lo tanto, la adopción del titanio por parte de la industria aeroespacial ha sido más lenta de lo previsto, lo que ha impedido que los fabricantes se den cuenta plenamente de sus beneficios.

Se ha desarrollado una tecnología recientemente introducida, el conformado en caliente a alta presión (HPWF), para formar láminas de titanio de grado aeroespacial a temperaturas más bajas que el conformado en caliente, el estampado en caliente y el conformado superplástico.

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 formación en frío. El aumento de la 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 los costos 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 juego de herramientas a aproximadamente 520 grados F (270 grados C) justo antes de que ingrese a la prensa. Las temperaturas HPWF requeridas son notablemente 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 megapascales (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 de terceros de piezas producidas con el proceso HPWF indica que los parámetros de formación se encuentran 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 Formado Avanzado, Glasgow, Escocia.

Los estudios realizados por el Centro de Investigación de Formado Avanzado (AFRC) de la Universidad de Strathclyde en Glasgow, Escocia, a finales de 2017 y principios de 2018 confirman que las piezas que se han sometido a HPWF tienen una desviación de recuperación elástica posterior a la formación 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 del troquel, por lo que se puede incorporar al proceso una compensación por la recuperación elástica del material. Esto hace que las piezas tengan la forma final como resultado directo. El grado constante de recuperación elástica está relacionado con la forma de la pieza, el grosor del material y los parámetros del proceso que se siguen. El nivel de presión utilizado parece tener un impacto vital.

El proceso HPWF puede marcar el comienzo de algunos beneficios de reducción de costos.

El gas de protección puede eliminarse en el proceso HPWF debido a la temperatura relativamente baja requerida. Para 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 caja alfa. Para evitar la creación de la carcasa alfa dura y quebradiza, la fabricación de conformado en caliente y superplástico requiere 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 de la caja alfa, el proceso no necesita gas de protección.

El tiempo requerido para la limpieza de piezas después de HPWF también se puede reducir. La necesidad de mantenimiento de herramientas y troqueles también se reduce debido a la ausencia de revestimiento en las piezas brutas 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 en horas, por lo general. 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 goma flexible, permite la fabricación de varias piezas en la misma operación de conformado, lo que reduce el paso de conformado por pieza a segundos. Estas eficiencias dan a un sistema HPWF la capacidad teórica para producir hasta 140 000 piezas por año en una operación de dos turnos.

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

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

Las piezas de chapa complejas se forman sobre una sola mitad de herramienta que define la forma, similar a un troquel inferior (consulte la Figura 3). Un diafragma de goma flexible sustituye a la mitad superior del troquel. Se aplica una 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 estirables y retráctiles; ángulos con ambas alas curvas; pequeños ángulos curvos de una sola curva; partes torcidas o irregulares; y paneles con pestañas, formas circulares o irregulares.

El diafragma de goma flexible forma piezas libres de arañazos con formas complejas, incluidas muescas, con diferentes espesores de lámina en todos los materiales. Las presiones de formación uniformes altas y ultra altas 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 para una variedad de aplicaciones.

Cuando se combina 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 formación. Un diafragma de caucho actúa como un troquel superior flexible sobre el cual se aplica la presión del fluido hidráulico.

El proceso de HPWF tiene similitud con el estampado en caliente en que se realiza en etapas y la formación se ejecuta cuando la temperatura del metal se eleva para reducir la recuperación elástica (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, Titanium: A Technical Guide, 2.ª edición, ASM International, 2000.

R. Gaddam et al., 2013 Serie de conferencias IOP: 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 comercial, conformado de metales para Quintus Technologies, [email protected], 46-705-327-241, www.quintustechnologies.com.

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

Cumplir con los nuevos objetivos de rendimiento de entrega 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 desencadena la búsqueda de materiales más ligeros que los utilizados anteriormente y nuevos diseños. Como resultado, están surgiendo nuevos materiales compuestos para desafiar la opción tradicional de aluminio para el diseño y la construcción de fuselajes. El cambio a los compuestos tendrá un impacto significativo en el papel del titanio con su peso ligero, gran resistencia 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 ha sido claramente documentada. En 2015, la industria representó del 45 al 60 por ciento del consumo mundial de titanio. En comparación con tarifas anteriores, el Boeing 787, que se puso en marcha en 2009, utiliza 5,3 veces más titanio que el Boeing 767, que se puso en marcha 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 diseños de aviones nuevos.