Определение показателей состояния сверхпластичности титанового сплава ОТ4-1

УДК 621.7.04

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ОТ4-1

1 л 4

© А.В. Колесников', А.А. Чеславская2, А.К. Шмаков3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены результаты работ по определению значений показателей состояния сверхпластичности титанового сплава ОТ4-1, полученных путем технологических проб на двухосное растяжение. Представлена последовательность выполнения испытаний по определению значений показателей сверхпластичности. Испытания проведены на многокупольной матрице, позволяющей исследовать диапазон скоростей деформации сплава за одну формовку.

Ключевые слова: сверхпластичность; испытания на двухосное растяжение; показатели сверхпластичности; титановый сплав.

DETERMINATION OF ОТ4-1 TITANIUM ALLOY SUPERPLASTICITY STATE INDICES A.V. Kolesnikov, A.A. Cheslavskaya, A.K. Shmakov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article discusses the results of the determination of values of superplasticity state indices of OT4-1 titanium alloy obtained through technological samples for biaxial stretching. The sequence of tests on the determination of superplasticity index values is given. The tests have been carried out on a multi-domed matrix that allows to explore the range of alloy strain rates in a single molding.

Keywords: superplasticity; biaxial stretching tests; superplasticity indices; titanium alloy.

В настоящее время расширяется применение технологии сверхпластической формовки труднодефор-мируемых сплавов, в том числе титановых. Особенностью этой технологии является необходимость поддержания режима сверхпластического деформирования в течение всего процесса формовки. Для этого необходимо довольно точно знать значения показателей состояния сверхпластичности сплава, к которым относятся: напряжение течения, скорость деформации, параметр скоростного упрочнения.

Связь между показателями состояния сверхпластичности может быть описана в виде математической модели [1]

е5 = А^т,

где о5 - напряжение течения, МПа; А - константа материала в режиме сверхпластичности, МПа-с; m - параметр скоростного упрочнения; ё - скорость дефор-

-1

мации, с .

Численные значения этих показателей определяются с помощью серии специальных испытаний образцов из листовых заготовок исследуемого материала.

Известно несколько методик определения показателей состояния сверхпластичности, в частности наиболее распространенные: испытания на одноосное растяжение [2, 3] и технологические пробы на двухосное растяжение [4].

Одноосное растяжение - наиболее часто применяемый метод, который достаточно прост и во многом похож на стандартные методы испытания материалов на растяжение. Двухосное растяжение ближе к реальному процессу деформирования металла при формовке листовых заготовок. Поэтому в производственных условиях его применение предпочтительно в случае проведения технологических проб для оценки величин характеристик сверхпластичности партии листовых заготовок.

В целях сокращения количества опытов целесообразно проведение технологических проб на двухосное растяжение с помощью формовки в многокупольную матрицу, аналогичную представленной на рис. 1. Использование многокупольной матрицы позволяет исследовать диапазон скоростей деформации материала в нескольких куполах, отформованных с различной относительной высотой за одну формовку.

1Колесников Алексей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: 89025787277, e-mail: Avk@istu.edu

Kolesnikov Alexey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: 89025787277, e-mail: Avk@istu.edu

2Чеславская Агния Альбертовна, младший научный сотрудник научно-исследовательской части, тел.: 89086463061, e-mail: Chaa@istu.edu

Cheslavskaya Agnia, Junior Researcher of the Research Division, tel.: 89086463061, e-mail: Chaa@istu.edu

3Шмаков Андрей Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры самолетостроения и авиационной техники,

тел.: 89140074508, e-mail: Shmakov@istu.edu

Shmakov Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aircraft Engineering and Aeronautical Equipment Operation, tel.: 89140074508, e-mail: Shmakov@istu.edu

Технологические пробы по определению показателей состояния сверхпластичности титанового сплава ОТ4-1 ОСТ 1.90013-81 проводились на прессе сверхпластичного формования и диффузионной сварки АС В Loire SPF 60T (Франция) (рис. 2).

Матрица для проведения технологических проб имеет 6 отверстий со следующим рядом диаметров: 90, 80, 70, 60, 50 и 40 мм. Габаритные размеры матрицы составляют 260*188*35 мм. При этом обеспечено получение относительных высот (Я = отформованных куполов в диапазоне (Я = 0,78 - 1,75) (рис. 3).

Технологические пробы выполнялись в следующей последовательности:

1. Нагрев оснастки до температуры сверхпластичности ТСП и поддержание ее в течение всего процесса формовки.

ТСП-0,5Тпл [5],

где Тпл - температура плавления титанового сплава ОТ4-1.

Температура при формовке сплава ОТ4-1 была установлена на 890°С;

Рис. 2. Пресс Loire FSP 60T и оснастка для проведения испытаний

Рис. 3. Матрица для многокупольной формовки

2. Формовка образцов при фиксированной температуре 890°С постоянным давлением газа.

Образец формуется постоянным давлением до касания дна оснастки одного из куполов. Для первого образца давление р1, обеспечивающее формовку куполов с диапазоном относительных высот Нк = 0,3 -1, рассчитывается по формуле

Pt =

где а - напряжение течения при температуре 890°С для сплава ОТ4-1, МПа (а « 25 МПа при скорости деформации ё = 0,01 с-1 [6]); 50 - исходная толщина заготовки, мм; Ятах - максимальный радиус основания купола, мм.

Последующие образцы формуются давлением других значений.

3. Измерение высоты отформованных куполов Нк. и толщины в вершине куполов.

Измерение осуществлялось по схеме, представленной на рис. 4. Значения параметров, полученных в результате измерения, занесены в табл. 1.

4. Расчет показателей сверхпластичности сплава по зависимостям, приведенным в работе [7]:

- напряжение течения а8 в вершинах куполов на каждом этапе определяется по формуле

Ч 1+{йч)2

ski 4nSk.

где Як - радиус основания к-го купола, мм; Бк, - толщина листа в вершине к-го купола на /-м этапе формовки, мм;

- скорость деформации в вершине купола на эта-

пе формовки определяется по формуле

А

где II - время формовки на /-этапе;

- параметр скоростного упрочнения т определяется по формуле [2]

1од

т: =

1од

%

5. Подбор давления формовки для последующих образцов, обеспечивающего скорость деформации в диапазоне £ = 10-4 - 10~2 с-1.

В такой же последовательности проведены повторные опыты с диапазоном давлений шагом около 0,4 МПа и последующий расчет скорости деформации и параметра скоростного упрочнения, которые сведены в табл. 1.

По описанному алгоритму выполнены технологические пробы для листовых заготовок из сплава ОТ4-1 и определены значения показателей, обеспечивающих состояние сверхпластичности. Образец, отформованный в многокупольную матрицу, показан на рис. 5.

По результатам технологических проб с помощью ПК МаШсаС построены аппроксимированные графики зависимостей напряжения течения а5 и коэффициента скоростного упрочнения т от скорости деформации ё сплава ОТ4-1 в логарифмической системе координат (рис. 6, 7).

D

k

Рис. 4. Схема измерения отформованных куполов

Рис. 5. Образец формовки в многокупольную матрицу

к

к

i-i

i-i

Таблица 1

Результаты технологических проб сплава ОТ4-1_

№ п/п Задаваемые параметры Результаты измерений Результаты расчета

Vi ,МПа г;,с Rk, мм Sk., мм Нк., мм як1 %, МПа 4г  10-3,с-1

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1.1 0,3 570 25 0,815 8,20 0,330 7,82 0,085

1.2 30 0,800 9,15 0,310 10,08 0,110

1.3 35 0,788 11,60 0,330 11,16 0,130

1.4 40 0,775 13,40 0,335 12,85 0,160

1.5 45 0,770 16,80 0,370 13,38 0,170

2.1 0,3 5990 20 0,760 10,00 0,500 4,93 0,019

2.2 25 0,725 13,10 0,520 6,29 0,027

2.3 30 0,720 17,70 0,590 7,14 0,028

2.4 35 0,657 21,60 0,617 8,94 0,043

2.5 40 0,600 27,20 0,680 10,75 0,058

2.6 45 0,530 34,65 0,770 13,17 0,079

3.1 0,8 1830 20 0,680 9,50 0,475 15,18 0,120

3.2 25 0,630 14,90 0,596 18,05 0,160

3.3 30 0,6 21,30 0,710 21,18 0,190

3.4 35 0,505 28,30 0,810 28,35 0,280

3.5 40 0,36 39,57 0,990 44,45 0,470

4.1 1,2 360 20 0,74 11,40 0,570 18,85 0,385

4.2 25 0,71 14,90 0,590 24,02 0,500

4.3 30 0,66 18,60 0,620 30,45 0,700

4.4 35 0,59 24,90 0,710 37,68 1,010

4.5 40 0,45 32,05 0,800 54,65 1,770

5.1 1,6 230 20 0,78 9,35 0,470 26,73 0,370

5.2 25 0,76 12,00 0,480 33,73 0,490

5.3 30 0,72 13,85 0,460 43,80 0,720

5.4 35 0,65 19,80 0,560 50,26 1,200

5.5 40 0,59 26,55 0,660 58,86 1,600

50

W

b

5

0,00001

Л

д )

Лу А S с

с < у  п

о о

0,0001

О

-Аппроксимация

p=0.3 МПа, т= 570

о с' p=0.3 МПа, т= 5990

д с' p=0.8 МПа, т= 1830

о с' p=1.2 МПа, т= 360

X с' p=1.6 МПа, т= 230

0,001'

£С-1

Рис. 6. Зависимость напряжения течения материала от скорости деформации

1

0,1

0,00001 0,0001 0,001

£ , С-1

Рис. 7. Зависимость параметра скоростного упрочения от скорости деформации

Максимум показателя т на графике зависимости т = [(ё^) соответствует режиму сверхпластической формовки данного сплава. Значения показателей, обеспечивающих состояние сверхпластичности сплава ОТ4-1, на основе данных (см. рис. 6, 7) представлены в табл. 2.

Таблица2

Показатели состояния сверхпластичности сплава ОТ4-1

Таким образом, полученные показатели состояния сверхпластичности партии листовых заготовок из титанового сплава ОТ4-1 могут использоваться для рас-

чета технологических режимов и моделирования процессов формовки деталей при разработке технологического процесса их изготовления методом сверхпластического формования.

В статье использованы результаты исследований, которые проводились при финансовой поддержке правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно постановлению правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.

Статья поступила 20.08.2015 г.

Материал t, °C a,, МПа £-10-3, с-1 т

ОТ4-1 890 28 0,4 0,64

1. Смирнов О.М. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1979. 184 с.

2. Гош А.К. Определение сверхпластичности металлов // Сверхпластическая формовка конструкционных материалов / под. ред. Н. Пейнтона, К. Гамильтона; пер. с англ. М.: Металлургия, 1985. С. 89-106.

3. Мазурский М.И., Еникеев Ф.У. К вопросу определения оптимальных условий сверхпластической формовки // Изв. РАН. Металлы. 1998. № 4. С. 65-71.

4. Панченко Е.В. Определение параметров уравнения сверхпластического состояния листовых материалов из

ский список

опыта на двухосное растяжение // Проблемы прочности 197., № 8. С. 31-35.

5. Новиков И.И., Портной В.К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. М.: Металлургия, 1981. 168 с.

6. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1976. 488 с.

7. Пашкевич А.Г., Орехов A.B., Архангельская Л.В. Технологические параметры процесса пневмотермической формовки куполообразных деталей // ИВУЗ, Авиационная техника. 1984. № 1. С. 90-93.