Métodos de mecanizado y tecnología de control de la integridad superficial para aleaciones de titanio aeroespaciales

Análisis de los procesos de mecanizado de aleaciones de titanio basado en las características de mecanizado, herramientas, fijación y parámetros de corte, con una introducción a las técnicas de control de la integridad superficial

Ingeniero Senior Huang Qiang

1. Introducción

En los últimos años, la demanda de aleaciones de titanio en la industria de fabricación aeronáutica ha aumentado significativamente. Las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en aviones grandes. Como un excelente material de fabricación para aviones y motores, las aleaciones de titanio presentan una alta resistencia estructural, ligereza y buena resistencia a la corrosión. La maquinabilidad de los materiales de aleación de titanio a menudo resulta en una baja integridad superficial de la pieza después del mecanizado. A continuación, se presentan los métodos de mecanizado y las tecnologías de control de la integridad superficial para las aleaciones de titanio aeroespaciales desde los aspectos de las características de mecanizado, las herramientas de corte, la selección de fijaciones y los parámetros de corte.

2. Características y aplicaciones de las aleaciones de titanio

En la industria aeronáutica, las aleaciones de titanio se utilizan principalmente para fabricar componentes como discos de compresores de motores, álabes huecos de ventiladores, discos de turbinas y carcasas, así como piezas estructurales como trenes de aterrizaje de aviones grandes, secciones exteriores de alas, revestimientos de fuselajes, puertas, sistemas hidráulicos y secciones traseras del fuselaje. Actualmente, la proporción de uso de aleaciones de titanio en la industria aeronáutica ha aumentado del 6% a más del 15%. El Boeing 777 utiliza entre un 7% y un 9% de piezas de aleación de titanio; para lograr una reducción del 20% en el consumo de combustible, se invirtieron aproximadamente 2 mil millones de RMB en el desarrollo del Boeing 787 específicamente para investigar la sustitución de aleaciones de aluminio por aleaciones de titanio en ciertas partes del avión, lo que resultó en un contenido de aleación de titanio del 15% en el fuselaje del Boeing 787. En los proyectos de aviones grandes nacionales, el uso de aleaciones de titanio ha aumentado gradualmente del 4,8% en el avión regional ARJ21 a más del 9% en el avión de línea C919.

Las demandas de aligeramiento estructural y alta resistencia en el campo de la aviación hacen que dependa cada vez más de las aleaciones de titanio. Según la resistencia y el rendimiento a altas temperaturas, las aleaciones de titanio se pueden clasificar en aleaciones de titanio α, aleaciones de titanio β, aleaciones de titanio α+β y compuestos intermetálicos de titanio-aluminio, entre los cuales las aleaciones de titanio α+β (como Ti6Al4V) son las más utilizadas. Las aleaciones de titanio α tienen buena soldabilidad térmica y fuerte resistencia a la oxidación, pero tenacidad promedio; las aleaciones de titanio β tienen mejor forjabilidad, conformabilidad en frío y capacidad de endurecimiento por tratamiento térmico; las aleaciones de titanio α+β poseen buena tenacidad, son soldables y pueden fortalecerse mediante tratamiento térmico, y tienen buena resistencia a la fatiga.

La composición del material de Ti6Al4V incluye principalmente Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu y pequeñas cantidades de N, H, B e Y. Las aleaciones de titanio tienen excelentes propiedades mecánicas integrales, baja densidad y buena resistencia a la corrosión. Como material de aleación de alta resistencia, se han promovido continuamente para su uso en motores aeronáuticos y en la industria de la aviación. Sin embargo, las altas temperaturas y las altas fuerzas de corte durante el mecanizado de aleaciones de titanio conducen a un severo endurecimiento por trabajo en la superficie mecanizada, lo que exacerba el desgaste de la herramienta y resulta en una baja maquinabilidad. Estos factores son perjudiciales para lograr una buena calidad superficial y afectan la vida útil de los componentes de aleación de titanio y el rendimiento del motor. A continuación, utilizando Ti6Al4V como tema de investigación y combinando la experiencia acumulada en la práctica de producción, se presentan el rendimiento de corte, los métodos de mecanizado y las técnicas de inspección de superficies para piezas de aleación de titanio.

3. Métodos de mecanizado de aleaciones de titanio

3.1 Selección de herramientas

Los materiales de las herramientas para el mecanizado de aleaciones de titanio deben tener características como buena tenacidad, dureza en caliente, disipación de calor y resistencia al desgaste. Además, las herramientas deben cumplir con requisitos como bordes de corte afilados y una superficie lisa. Al mecanizar materiales de aleación de titanio, se prefieren las herramientas de carburo con buena conductividad térmica y alta resistencia, con un pequeño ángulo de ataque y un gran ángulo de desprendimiento. Para evitar el astillamiento y la rotura de la punta de la herramienta, el filo de corte en la punta debe tener una transición redondeada. El filo de corte debe mantenerse afilado durante el mecanizado para facilitar la eliminación oportuna de las virutas y evitar la adhesión de las mismas.

Al mecanizar aleaciones de titanio, para evitar reacciones de afinidad entre el sustrato/revestimiento de la herramienta y la aleación de titanio, lo que aceleraría el desgaste de la herramienta, generalmente se evitan los carburos que contienen titanio y las herramientas de revestimiento a base de titanio. Años de práctica de producción han demostrado que, aunque las herramientas de carburo que contienen titanio son propensas a la adhesión y al desgaste, poseen una excelente capacidad de resistencia al desgaste por difusión, especialmente durante el corte a alta velocidad, donde su rendimiento es significativamente mejor que el de las herramientas de carburo tipo YG.

Los principales fabricantes mundiales de herramientas han introducido plaquitas de corte específicamente para el mecanizado de piezas de aleación de titanio. Las mejoras continuas en los materiales de las herramientas y los materiales de revestimiento han mejorado la eficiencia de corte de los materiales de aleación de titanio y han promovido el desarrollo de la industria de las aleaciones de titanio. Por ejemplo, las plaquitas IC20 de ISCAR, con bordes de corte afilados, son adecuadas para el acabado de piezas de trabajo de aleación de titanio. Sus plaquitas IC907 mejoran eficazmente la resistencia al desgaste, adecuadas para desbaste y semiacabado. CP200 y CP500 de SECO para el mecanizado de aleaciones de titanio son materiales de plaquitas de grano ultrafino y alta dureza que utilizan tecnología de Deposición Física de Vapor (PVD). WSM30, WSM20 y WAM20 de Walter, que utilizan revestimientos de TiCN, TiAlN, TiN y Al₂O₃, ofrecen una fuerte resistencia a la deformación y al desgaste. Las herramientas y los revestimientos comúnmente utilizados para el mecanizado de aleaciones de titanio se muestran en la Tabla 1.

Según las estadísticas, el sector de fabricación aeronáutica depende en gran medida de las herramientas importadas, y la dependencia es aún mayor para los materiales difíciles de mecanizar como las aleaciones de titanio. Por lo tanto, promover el desarrollo y la aplicación de herramientas y materiales de revestimiento nacionales es una forma eficaz de resolver fundamentalmente el problema del mecanizado de aleaciones de titanio en China.

3.2 Desgaste de la herramienta y soluciones

Al mecanizar aleaciones de titanio a altas velocidades de corte y grandes profundidades de corte, se forma un desgaste por cráter (desgaste de flanco) en la cara de ataque en el punto de mayor temperatura de corte, con una zona distinta entre el cráter y el filo de corte. El ancho y la profundidad del cráter se expanden gradualmente a medida que avanza el desgaste, lo que reduce la rigidez del filo de corte, lo que podría provocar astillamiento si la herramienta continúa utilizándose. En la Figura 1 se muestran microfotografías electrónicas del desgaste de la plaquita.

a) Desgaste por cráter con fenómeno de astillamiento.    b) Desgaste de flanco

c) Borde recrecido

Durante el mecanizado de aleaciones de titanio, la fricción severa entre la plaquita y la pieza de trabajo causa desgaste en la cara de desprendimiento cerca del filo de corte, formando una pequeña zona de desgaste con ángulo de desprendimiento cero, conocida como desgaste de flanco. Además, debido al endurecimiento por trabajo de las aleaciones de titanio, el espesor de corte en la punta de la herramienta en el filo de corte menor disminuye gradualmente, lo que hace que el filo de corte se deslice, lo que también conduce a un desgaste significativo en la cara de desprendimiento.

Después de que se produce el desgaste de la herramienta, los parámetros de corte como la velocidad de corte y la velocidad de avance se pueden ajustar observando la morfología y el color de la viruta, así como la fuerza, el sonido y la vibración de la máquina herramienta, para controlar el desgaste anormal de la cara de ataque. El uso de geometrías de plaquitas con ángulo de ataque positivo, la selección de materiales o revestimientos de plaquitas resistentes al desgaste, puede mejorar la vida útil de la herramienta.

El borde recrecido (BUE) es propenso a formarse durante el mecanizado de aleaciones de titanio. Cuando el BUE es estable, puede proteger la herramienta actuando como el filo de corte. Sin embargo, cuando el BUE crece hasta cierto punto, su parte superior se extiende más allá del filo de corte, lo que aumenta el ángulo de ataque real de trabajo. La acumulación y el desprendimiento del BUE afectan directamente a la precisión del mecanizado. Los fragmentos de BUE que se adhieren a la superficie mecanizada de la aleación de titanio forman puntos duros y rebabas, lo que afecta a la calidad de la superficie. El desprendimiento y la regeneración irregulares del BUE provocan fluctuaciones en la fuerza de corte, lo que provoca vibraciones y afecta a la vida útil de la herramienta. Los métodos comunes en la práctica de producción para reducir o evitar la formación de BUE en el corte de aleaciones de titanio incluyen: aumentar la velocidad de corte, aumentar gradualmente la profundidad de corte hasta la óptima; utilizar materiales de plaquitas recubiertas con PVD; emplear sistemas de refrigeración a alta presión, etc.

En las operaciones de corte, debido a la baja plasticidad de las aleaciones de titanio, el área de contacto entre la viruta y la cara de ataque es pequeña, y el desgaste de la herramienta se produce principalmente en la cara de ataque de la herramienta de torneado. Por lo tanto, las plaquitas de corte deben seleccionarse con un pequeño ángulo de ataque, típicamente de 0° a 5°. Un pequeño ángulo de ataque aumenta eficazmente el área de contacto entre la viruta y la cara de ataque, lo que ayuda a disipar el calor concentrado cerca del filo de corte. La selección de un ángulo de desprendimiento de 5° a 10° puede reducir la fricción entre la herramienta y la pieza. La elección de una combinación de superficie de contacto en forma de V entre la base de la plaquita y el portaherramientas, un diseño de estructura de sujeción robusto, puede mejorar eficazmente la rigidez de sujeción del portaherramientas, eliminar la vibración de la herramienta y mejorar la calidad de la superficie de la pieza de trabajo de aleación de titanio mecanizada.

3.3 Selección de fijaciones

Al posicionar y sujetar piezas de trabajo de aleación de titanio, la interacción entre la fuerza de sujeción de la fijación y la fuerza de soporte sobre la pieza de trabajo puede causar deformación por tensión en el estado libre. La resistencia a la fuerza de corte durante el mecanizado de aleaciones de titanio es significativa, por lo que el sistema de proceso debe tener suficiente rigidez. La estructura de posicionamiento y las dimensiones de la pieza de trabajo deben analizarse, seleccionando puntos de referencia estables y fiables, y añadiendo soportes auxiliares o utilizando sobre-restricción si es necesario para aumentar la rigidez de la pieza. Dado que las aleaciones de titanio son propensas a la deformación, la fuerza de sujeción no debe ser excesiva; se puede utilizar una llave dinamométrica si es necesario para garantizar una fuerza de sujeción estable. Además, al utilizar fijaciones para posicionar y sujetar piezas de aleación de titanio, asegúrese de un buen ajuste entre la superficie de localización de la fijación y la superficie de localización de la pieza de trabajo, y equilibre la fuerza de sujeción de la fijación con la fuerza de soporte de la pieza de trabajo. Para superficies de sujeción relativamente grandes, se debe utilizar en la medida de lo posible un método de sujeción distribuida para evitar la deformación causada por la presión concentrada. Los puntos de sujeción de las abrazaderas de la fijación deben estar lo más cerca posible de la superficie mecanizada de la pieza de trabajo para reducir la vibración generada durante el corte de aleación de titanio.

El uso de fijaciones, herramientas de medición o diversas herramientas temporales que contengan plomo, zinc, cobre, estaño, cadmio o metales de bajo punto de fusión está estrictamente prohibido para el mecanizado de aleaciones de titanio. Los equipos, fijaciones y herramientas utilizados para la aleación de titanio deben mantenerse limpios y sin contaminación. Las piezas de trabajo de aleación de titanio deben limpiarse inmediatamente después del mecanizado, y no se permiten residuos de plomo, zinc, cobre, estaño, cadmio, metales de bajo punto de fusión, etc., en las superficies de aleación de titanio. Se deben utilizar contenedores de transferencia especiales al mover y manipular piezas de trabajo de aleación de titanio para evitar mezclarlas y almacenarlas con piezas de trabajo de otros materiales. Al inspeccionar y limpiar superficies de aleación de titanio finamente mecanizadas, use guantes limpios para evitar la contaminación por aceite y las huellas dactilares, lo que podría causar agrietamiento por corrosión bajo tensión y afectar el rendimiento de servicio de la pieza de trabajo de aleación de titanio.

3.4 Parámetros de corte

Los principales parámetros de corte para las aleaciones de titanio son la velocidad de corte, la velocidad de avance y la profundidad de corte, siendo la velocidad de corte el factor principal que afecta a su maquinabilidad. Las pruebas comparativas entre el corte a velocidad de rotación constante y el corte a velocidad superficial constante de piezas de trabajo de aleación de titanio indican que el corte a velocidad de rotación constante tiene un rendimiento peor que el corte a velocidad superficial constante. Cuando la velocidad de corte vc = 60 m/min, la velocidad de avance f = 0,127 mm/rev y la profundidad de corte ap = 0,05–0,1 mm para las aleaciones de titanio, rara vez se encuentra una capa endurecida en la superficie de la aleación de titanio.

Dado que la capa endurecida aparece principalmente en la superficie de la pieza de trabajo después del acabado, la profundidad de corte durante el acabado no debe ser demasiado grande, de lo contrario generará un calor de corte significativo. La acumulación de calor de corte puede causar cambios en la estructura metalográfica de la superficie de la aleación de titanio, generando fácilmente una capa endurecida en la superficie de la pieza. Una profundidad de corte excesivamente pequeña puede causar fricción y extrusión en la superficie de la pieza de trabajo, lo que lleva al endurecimiento por trabajo. Por lo tanto, durante el mecanizado de piezas de trabajo de aleación de titanio, la profundidad de corte para el acabado debe ser mayor que el tamaño del afilado de la herramienta (preparación del filo).

La selección de la velocidad de avance para las aleaciones de titanio debe ser moderada. Si la velocidad de avance es demasiado pequeña, la herramienta corta dentro de la capa endurecida durante el mecanizado, lo que lleva a un desgaste más rápido. La velocidad de avance se puede seleccionar en función de diferentes radios de punta de herramienta. El acabado generalmente selecciona una velocidad de avance más pequeña porque una velocidad de avance grande aumenta las fuerzas de corte, lo que hace que la herramienta se caliente y se doble o se astille. La Tabla 2 muestra los parámetros comunes para el corte de aleaciones de titanio con diferentes tipos y materiales de herramientas.

3.5 Sistema de refrigeración

El requisito de fluido de corte en el corte de aleaciones de titanio es una baja nebulización. Se deben seleccionar herramientas de refrigeración a alta presión para el mecanizado de aleaciones de titanio, 配合机床高压泵, 冷却压力可达(60–150) × 10⁵ Pa (aproximadamente 60–150 bar). El uso de herramientas de refrigeración a alta presión para mecanizar aleaciones de titanio puede aumentar la velocidad de corte de 2 a 3 veces, prolongar la vida útil de la herramienta y mejorar la morfología de la viruta de aleación de titanio. Al aplicar fluido de corte durante el mecanizado de aleaciones de titanio, la fuerza de corte se reduce en un 5%–15% en comparación con el corte en seco de aleación de titanio, la fuerza radial se reduce en un 10%–15%, la temperatura de corte se reduce en un 5%–10%, y la morfología de la superficie de la aleación de titanio mecanizada es mejor con menos adhesión masiva, lo que es propicio para obtener una mayor calidad superficial.

La emulsión química Trim E206 actualmente utilizada, mezclada a partir de un 8% de concentrado y un 92% de agua pura, con una concentración del 7%–9%, logra buenos resultados de mecanizado en el procesamiento de materiales de aleación de titanio y se puede utilizar en operaciones de torneado, fresado y rectificado. Trim E206 contiene aditivos especiales que controlan eficazmente la formación de borde recrecido. El fluido de corte contiene pequeñas moléculas emulsionadas, lo que mejora la estabilidad del fluido de corte y reduce el arrastre durante el mecanizado, lo que facilita la entrada del fluido de corte en la zona de corte. Además, Trim E206 tiene una fuerte resistencia a la contaminación por aceite, y los residuos del fluido de corte son fácilmente solubles en agua y en el fluido de trabajo, lo que ayuda a mantener la limpieza de los equipos y las superficies de las piezas mecanizadas.

4. Integridad superficial de la aleación de titanio

4.1 Inspección de la microestructura de las piezas forjadas de aleación de titanio

La inspección de la microestructura de la aleación de titanio implica examinar la superficie de una pieza de aleación de titanio grabada bajo un microscopio electrónico para observar las características morfológicas, la distribución, etc., de la microestructura del material, utilizada para comprobar si la estructura metalográfica de la aleación de titanio cumple con las normas y especificaciones de los dibujos pertinentes. Los pasos para la inspección de la microestructura de las piezas forjadas de aleación de titanio son: mecanizado en bruto de la pieza forjada → pulido de la superficie → grabado de la superficie → limpieza → secado → inspección microscópica. La inspección microscópica de la aleación de titanio Ti6Al4V se muestra en la Figura 2.

a) Pulido de la superficie    b) Grabado de la superficie

c) Enjuague con agua    d) Examen microscópico

El propósito del mecanizado en bruto de la pieza forjada es eliminar por completo la capa α. La superficie de la aleación de titanio se pule con papel de lija de alúmina con tamaños de grano 400#–800#, y la rugosidad de la superficie debe alcanzar Ra = 0,025 μm o requisitos de grado superior. El grabado utiliza el reactivo de Kroll, preparado como una solución acuosa de 2% HF, 4% HNO₃. Se aplica una cantidad adecuada del reactivo de Kroll a la superficie pulida de la aleación de titanio hasta obtener la estructura clara deseada, luego se enjuaga con agua y se seca. Se utiliza un microscopio electrónico portátil para inspeccionar la superficie de la aleación de titanio. La estructura debe contener entre un 10% y un 50% de α primaria. La morfología microestructural de la aleación de titanio Ti6Al4V que se muestra en la Figura 3 representa una estructura metalográfica calificada.

a) α primaria en matriz transformada β     b) α discontinua en los límites de grano β

c) α laminar en granos β

4.2 Inspección de corrosión por anodizado azul para aleaciones de titanio

Durante el mecanizado de aleaciones de titanio, cuando se produce el desgaste del flanco de la herramienta, la resistencia al impacto de la herramienta disminuye gradualmente, lo que lleva al endurecimiento por trabajo en la superficie mecanizada de la aleación de titanio debido a la extrusión y el sobrecalentamiento. El método de corrosión por anodizado azul se utiliza comúnmente para detectar el endurecimiento y otros defectos. La superficie de una pieza de trabajo de aleación de titanio después de la corrosión por anodizado azul se muestra en la Figura 4. Después de la disolución posterior al tratamiento de la pieza de trabajo de aleación de titanio anodizada, el color de una película de óxido calificada debe ser un azul claro uniforme (ver Figura 4a). Las piezas de trabajo de aleación de titanio endurecidas por trabajo, después de la inspección de corrosión, muestran una superficie azul oscuro (ver Figura 4b) o áreas más oscuras localizadas (ver Figura 4c), con una distribución de color desigual en diferentes áreas.

a) Azul claro uniforme    b) Azul oscuro    c) Azul oscuro localizado

Después de la corrosión por anodizado azul, para las piezas que exhiben endurecimiento por trabajo, se pueden utilizar métodos como el ajuste del material de la herramienta de corte, el revestimiento y los ángulos de corte para el mecanizado de aleación de titanio, la optimización de las trayectorias de la herramienta y los parámetros de corte, para controlar y eliminar el endurecimiento por trabajo.

4.3 Acabado superficial de aleaciones de titanio

Para eliminar los defectos de la superficie de los discos de compresores, cubos, impulsores, ejes y espaciadores de rotor de aleación de titanio, y mejorar la vida útil de las piezas, después de completar todas las operaciones de mecanizado mecánico en la pieza de trabajo de aleación de titanio, se puede utilizar el acabado manual con discos de solapa para el acabado superficial. El acabado con discos de solapa requiere el uso de herramientas de acabado que se muestran en la Figura 5: una herramienta neumática rotativa (velocidad 18.000 rpm), un mandril de pulido y tela abrasiva de óxido de aluminio o carburo de silicio (especificación 10 mm × 20 mm, grano 120#).

a) Herramienta neumática rotativa     b) Mandril de pulido     c) Tela abrasiva

El acabado de la ranura interna de una pieza de trabajo de aleación de titanio se muestra en la Figura 6. Para lograr buenos resultados de acabado, se pueden utilizar los siguientes métodos:

1. Doble la tela abrasiva de óxido de aluminio longitudinalmente e insértela firmemente en la ranura de sujeción en el extremo frontal del mandril de pulido. Apriétela en la dirección opuesta a la dirección de rotación del mandril. Cambie a una nueva tela abrasiva después de terminar cada área de la superficie de la pieza de trabajo (ver Figura 6a).

2. La tela abrasiva giratoria debe moverse hacia adelante y hacia atrás sobre la superficie de la aleación de titanio durante uno o dos ciclos, cada ciclo dura entre 10 y 30 segundos, con una velocidad de movimiento de aproximadamente 1,57 mm/s (ver Figura 6b).

3. Al terminar diferentes superficies de la pieza de trabajo de aleación de titanio, cambie la tela abrasiva entre ciclos. Durante el acabado manual, utilice una llave de tope adecuada o un dispositivo de tope de profundidad mecánico para controlar el paso de la tela abrasiva giratoria.a) Instalación de la tela abrasiva     b) Pulido rotativo

5. Conclusión

La aleación de titanio es un material típico difícil de mecanizar. Debido a las altas fuerzas de corte, las altas temperaturas de corte y el severo desgaste de la herramienta durante el mecanizado, la selección de materiales de herramientas y geometrías de plaquitas razonables es el principal desafío en el mecanizado de aleaciones de titanio. Las herramientas de carburo que contienen Ti tienen un buen rendimiento de resistencia al desgaste por difusión. Durante el corte, se forma una capa de adhesión de aleación de titanio estable en la superficie de la herramienta, lo que puede inhibir el desgaste. Con el desarrollo de herramientas nacionales, la eficiencia de mecanizado de las aleaciones de titanio ha mejorado gradualmente, lo que ha permitido ahorrar costes de mecanizado y desempeñar un papel positivo en la realización de la localización general de los motores. En la práctica de producción, el mecanizado de aleaciones de titanio debe basarse en las condiciones existentes de la empresa en cuanto a tecnología, equipos, gestión y costes. Se deben seleccionar fijaciones de posicionamiento razonables y los parámetros de corte deben optimizarse utilizando la plataforma de datos de información de la empresa, alejándose gradualmente del concepto de mecanizado extensivo de seleccionar parámetros basándose únicamente en la experiencia y la analogía.