Финишная обработка титановых и алюминиевых сплавов

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 621.923.01

ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА ТИТАНОВЫХ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Д. И. Савин, В. А. Левко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: 3608318@mail.ru

Рассмотрены проблемы и особенности, возникающие при обработке титановых и алюминиевых сплавов, особенности процесса финишной обработки титановых и алюминиевых сплавов. Предложено в качестве метода обработки титановых и алюминиевых сплавов применять нетрадиционные методы финишной обработки. Предложено дальнейшее направление исследований.

Ключевые слова: финишная обработка, титановые сплавы, алюминиевые сплавы, абразивный поток.

FINISHING TITANIUM AND ALUMINUM ALLOYS D. I. Savin, V. A. Levko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: 3608318@mail.ru

The article studies features and problems arising in the machining titanium and aluminum alloys. It overviews the process of finish machining titanium and aluminum alloys. It proposes a method of processing titanium and aluminum alloys using nontraditional finishing methods. The future direction of research is defined.

Keywords: finishing, titanium alloys, aluminum alloys, abrasive flow.

Для совершенствования процесса развития ракетно-космической техники (РКТ) появилась необходимость в применении легких и высокопрочных материалов. Такими материалами являются титановые и алюминиевые сплавы. Вместе с тем в производстве ракетной техники существует постоянная тенденция к созданию и использованию более легких деталей более сложной формы. Но применение таких материалов сопровождается рядом физико-химическими особенностей. Так, после различных видов механической и термической обработки появляется измененный поверхностный слой и оксидная пленка.

Возникает необходимость удаления измененного слоя и улучшения качества поверхностного слоя.

Титановые и алюминиевые сплавы на сегодняшний день в производстве РКТ занимают очень весомую долю. Это вызвано отличительными физическими, химическими и другими особенностями материалов.

Титан - наиболее распространенный конструкционный материал, составляющий основную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева [1].

Титан имеет ряд отличительных признаков по сравнению с железом, алюминием и магнием. Плотность титана значительно ниже, чем у железа, а температура и теплота плавления и кипения - выше. Он обладает и более высокой, чем железо, удельной теплоемкостью. Отсюда и высокие затраты энергии для расплавления титана, во много раз превосходящие затраты энергии на расплавление железа. Коэффициент теплопроводности титана почти в 4 раза меньше

чем у железа. Титан - химически активный металл, легко вступает в реакции с газами атмосферы - кислородом, водородом и азотом. С повышением температуры его реакционная способность повышается. Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, как в прочем и алюминий, так как на их поверхностях образуется стойкая оксидная пленка, которая прочно связана с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой.

Механическая обработка деталей из титановых сплавов существенно затруднена из-за высокого отношения предела текучести к пределу прочности, относительно низкой теплопроводности, налипания титана на инструмент, высокой химической активности по отношению к газам при повышенных температурах резания, неоднородности свойств срезаемого слоя вследствие ликвидации легирующих элементов. Существенными недостатками традиционной механической обработки резанием является:

- нарушение целостности волокон металла;

- разрыхление поверхностного слоя;

- образование растягивающих напряжений;

- взаимодействие поверхностного слоя сплава с газами атмосферы, в результате чего происходят химические превращения, снижающие характеристики сплава;

- снижение твердости и создание микрогеометрии.

Особо опасным недостатком можно считать воздействие водорода из атмосферы в виде проникнове-

Решетневскуе чтения. 2017

ния газа в структуру поверхностного слоя и химических взаимодействий с титаном (образованием образование гидридов) которые в значительной мере снижают прочность поверхностного слоя и приводят к образованию трещин. В этой связи электроэрозионная обработка является отличным вариантом обработки в виду того, что обработка ведется в жидком диэлектрике, а значит, доступ газов атмосферы к зоне обработки в значительной мере затруднен. Образование гидридов происходит только в результате химического разрушения рабочей жидкости, однако больная часть обработанного материала с водородом удаляется с поверхности материала после разрушения канала разряда.

Наличие в жидком диэлектрике растворенного кислорода способствует образованию защитной оксидной пленки из ТЮ2. А как показано в [1] при повышенных температурах в зоне обработки скорость поглощения водорода титана значительно падает при наличии оксидной пленки на поверхности титана. Локальный характер обработки, а также низкая теплопроводность титана и наличие рабочей жидкости в качестве охлаждающего средства исключает возможные температурные изменения в металле, поэтому расслоения металла не происходит, как не происходит и возникновение разного рода побочных напряжений в виду отсутствия контакта инструмента и заготовки при обработке.

Алюминий - легкий, пластичный металл, один из наиболее распространённых химических элементов, содержащихся в земной коре. Алюминий очень удобен в использовании, поскольку имеет высокую устойчивость к коррозии, обладает электропроводимостью и устойчив к резким перепадам температур.

Алюминиевые сплавы имеют значительную коррозийную стойкость, обладают высокой теплопроводностью, не токсичны в соединениях, поэтому стали популярным конструкционным материалом. Области применения алюминиевых сплавов чрезвычайно обширны. В частности, это первый материал для изготовления конструкций в авиастроении и ракетостроении. Также стоит отметить, что изделия и конструкции получаются легче из алюминиевых сплавов, чем из стали на 50 % [2].

При взаимодействии с воздухом на поверхности алюминиевых сплавов образуется оксидная пленка, замедляющая естественное старение и изменяющая свойства поверхности материала.

Удаление оксидной пленки с поверхности алюминия механическим путем практически невозможно, так как мгновенно после удаления пленки чистый металл вновь покрывается новой оксидной пленкой. Оксидная пленка, значительно более хрупкая, чем основной металл, растрескивается и вытесняется с частью металла [2].

Предлагается метод нетрадиционной финишной обработки титановых и алюминиевых сплавов, для удаления оксидной пленки и изучения свойств поверхностного слоя после данной обработки. В качест-

ве нетрадиционного метода предлагается применять абразивно-экструзионную обработка, это процесс, заключающийся в экструзии вдоль обрабатываемых поверхностей вязкоупругих рабочих сред, наполненных абразивными зернами, который позволил существенно расширить технологические возможности обработки труднодоступных поверхностей сложно профильных деталей [3]. Известно, что при этом виде обработки могут быть реализованы все виды контактных процессов, от упругой и пластической деформации до микрорезания [4]. Возможна обработка различных материалов, начиная от разного вида пластмасс и заканчивая труднообрабатываемыми поверхностями, например литьевой коркой нержавеющих сталей.

Обзор Российских и зарубежных публикаций не выявил статей, описывающих практическое применение финишной обработки титановых сплавов и определения свойств поверхностного слоя после обработки титановых и алюминиевых сплавов.

Задачей дальнейших исследований является планирование и разработка экспериментов по финишной обработке титановых и алюминиевых сплавов и изучение свойств поверхностного слоя.

Библиографические ссылки

1. Обеспечение надежности конструкций из титановых сплавов / В. И. Муравьев, П. В. Бахматов, Б. И. Долотов и др. М., 2009. 752 с.

2. Алиева С. Г., Альтман М. Б., Амбарцумян С. М. Промышленные алюминиевые сплавы. М. : Металлургия, 1984. 266 с.

3. Левко В. А. Абразивно-экструзионная обработка: современный уровень и теоретические основы процесса : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007. 228 с.

4. Левко В. А. Контактные процессы при абразив-но-экструзионной обработке // Металлообработка. 2008. № 2. С. 7-10.

References

1. Obespechenie nadezhnosti konstrukcii iz titanovikh splavov / V. I. Muraviev, P. V. Bakhmatov, B. I. Dolotov i dr. M. : Econ, 2009. 752 с.

2. Alieva S. G., Altman M. B., Ambarcymyan S. M. Promyshlennye alyuminievye splavy. M. : Metallurgia, 1984. 266 c.

3. Levko V. A. Abrazivno-extruzionnaya obrabotka: sovremennyi yroven i teoreticheskye osnovy processa : monogr. [Abrasive flow machining: modern level and theoretical bases of the process]. Sib. gos. aerocosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2007 228 p.

4. Levko V. A. Kontaktnye processy pri abrazivno-extruzionnoi obrabotke. Metalloobrabotka. [The Contact processes under abrasive flow machining // Metalworking]. 2008. № 2. P. 7-10.

© Савин Д. И., Левко В. А., 2017