Применение метода активного эксперимента для определения структуры и пластичности в зависимости от технологических режимов осадки с кручением

THE TECHNIQUE OF DESIGNING THE DRAWING PROCESS WITH WALL THINNING ON THE INNER CONTOUR IN THE PRODUCTION OF HOLLOW FLANGE PRODUCTS

V.A. Lobov, E. V. Zaterukha

The article describes the method for calculating the technological parameters of the drawing process with wall thinning along the internal contour, taking into account the non-uniformity of the distribution of deformation in the cross section. The initial data and the main stages of design are formulated. Calculated dependencies are proposed to determine the dimensions of the workpiece and the tool, the maximum deformation force and the limiting state of the material.

Key words: drawing with thinning, inner contour, strain-effective, unevenness, top die, bottom die, force of deformation.

Lobov Vasiliy Aleksandrovich, senior lecturer, bgtu e4@ mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Baltic State Technical University «VOENMEH»,

Zaterukha Ekaterina Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, bgtu e4@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Baltic State Technical University «VOENMEH»

УДК 621.73.06-52

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АКТИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ И ПЛАСТИЧНОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ОСАДКИ

С КРУЧЕНИЕМ

И.А. Бурлаков, Д.М. Забельян, П. А. Петров, Б. А. Степанов, Бач Ву Чонг

Решается задача снижения массы деталей за счет повышения прочностных характеристик материала деталей, изготавливаемых из титана ВТ1-0 путем формирования ультрамелкозернистой структуры методом комбинированной интенсивной деформации, включающей всестороннюю ковку с последующей осадкой с кручением. Приведены результаты металлографических исследований титана, позволяющие прогнозировать структуру технического титана ВТ1-0 в зависимости от технологических режимов обработки.

Ключевые слова: титан, авиастроение, интенсивная пластическая деформация, ультрамелкозернистая структура, осадка с кручением, технологии ОМД.

Введение. Титан и его сплавы нашли широкое применение в промышленности и, в первую очередь, в авиастроении. Учитывая важность снижения массы летательных аппаратов, наряду с упрочнением титановых сплавов легированием, активно ведутся работы по повышению механических характеристик деформационными методами. Такие методы в России названы методами интенсивной пластической деформации (ИПД), а на Западе - методами severe plastic deformation (SPD) [1] за счет формирования ультрамелкозернистых (УМЗ) структур. Получение таких структур осуществляют, как правило, комбинированными методами, сочетающими

228

такие способы как равноканальное угловое прессование, интенсивную ковку, прокатку и т.п., осуществляемыми с различными температурами, скоростями, степенями деформации, с термическими операциями [2-9]. Одним из интенсивных способов формирования мелкозернистых структур является осадка с кручением [10]. Листовой титан, как правило, получают прокаткой, в результате которой его пластические характеристики поперек прокатки существенно (до 2-х раз) снижаются, что увеличивает анизотропию свойств материала [11].

Учитывая потребность производства в листовых заготовках без анизотропии, нами рассмотрен процесс изготовления листовых заготовок, сочетающих интенсивную ковку прутковых заготовок с последующей осадкой плоскими бойками с кручением верхнего инструмента.

Цель работы - установление зависимостей влияния комбинированной обработки, включающей интенсивную ковку и осадку с кручением при различных технологических параметрах на структуру и свойства технического титана ВТ 1-0.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1) выполнить экспериментальные работы по изготовлению образцов с мелкозернистой структурой;

2) разработать матрицу активного эксперимента по осадке заготовок с кручением с различными технологическими параметрами;

3) осуществить осадку образцов с кручением в соответствии с матрицей активного эксперимента;

4) выполнить металлографические исследования и определить механические характеристики полученных образцов.

В качестве материала исследования выбран технически чистый титановый сплав марки ВТ1-0, химический состав которого (% мас.): Бе -0,25; О - 0,20; 81 - 10; С - 0,07; N - 0,04. Для получения титана в мелкоструктурном состоянии применяли метод интенсивной ковки, изложенный в работе [12]. Изучение свойств и микроструктуры (рис. 1) проводили в состоянии поставки. Величина зерна составляет 30.. .40 мкм.

продольное сечение поперечное сечение

Рис.1. Микроструктура материала исследуемого образца

Для осадки с кручением применяли модернизированный гидравлический пресс модели ДБ-2432 силой 1,6 МН. Круглые в плане заготовки нагружали одновременным воздействием осевой силы и крутящего момен-

та за счет вращения деформирующего инструмента [10]. Осадка заготовок осуществлялась в соответствии с матрицей активного эксперимента (таблица). Температура заготовок при осадке составляла 20 и 300 °С, температура штампа - 200 и 300 °С и угол поворота верхнего инструмента 360 и 720°.

Образцы на растяжение изготавливались в соответствии со стандартами предприятия методом электроэррозии общей длиной 42 мм и длиной рабочей части 10 мм. Испытание на растяжение осуществляли на испытательной машине мод. LFM50 со скоростью 2 мм/мин.

Металлографические исследования осуществляли на бинокулярном микроскопе "Olympus Delta" c увеличениями 100, 500 и 2500. Для определения размеров нанокристаллических зерен после осадки с кручением был применен сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000 в режиме сканирующей туннельной микроскопии.

Исследование микроструктуры заготовок после осадки с кручением показало наличие следов интенсивного течения металла (рис. 2).

Следы течения металла в поперечном сечении заготовки

Увеличение х50 Увеличение х500 Увеличение х10000

Рис. 2. Характерный вид линий течения заготовок после осадки с кручением

Образец № 1 Образец № 2

5иэ2ЭВ?"- - -

Образец № 4

Образец № 5 Образец № 6 Образец № 7 Образец № 8 Рис. 3. Микроструктура образцов после осадки в соответствии с матрицей

230

Матрица активного эксперимента для осадки с кручением

титана ВТ1-0

Температура Температура Угол поворота Предел текуче- Средняя ве-

№ образца заготовки при штампа, верхнего ин- сти, os , личина зерна,

осадке, оС оС струмента j, о МПа мкм

1 300 300 360 608 2,263

2 300 300 720 571,5 1,649

3 20 300 360 594 2,547

4 20 300 720 575 1,681

5 300 200 360 609 1,496

6 300 200 720 565,5 1,362

7 20 200 360 583,5 1,512

8 20 200 720 623,5 1,680

Микроструктура всех восьми образцов отличается незначительно, и средний размер зерен находится в пределах 1,362...2,547 мкм (рис.3 и таблица) и характеризуется равномерным хаотическим распределением ориентации зерен. Такая структура является идеальным состоянием, обеспечивающим высокие механические свойства материалов [1]. Величина логарифмической деформации, определяемая по изменению величины зерен, составила 2,25 - 3,57. Исследование тонкой структуры методом сканирующей туннельной микроскопии позволило установить средний размер зерен, который приведен в таблице. Несмотря на относительно незначительное различие в размере зерен, математическая обработка матрицы экспериментов позволила выявить зависимость размера зерен от технологических режимов (рис. 4) и прочности титана ВТ 1-0 от величины зерна (рис. 6).

Ф=720°

а б

Рис. 4. Зависимость размера зерен титана ВТ 1-0 от режимов формообразования

1. Размер зерна; средняя погрешность 5.3%

d=1,889-0,00185T3 + 0,609е~2Тш - 0,517e j-0,288e~4T3 Тш - 0,623e~5T3 j-0,854е~5Тш j + 5,496e~8T3T„ j

2. Предел текучести; средняя погрешность 3.467%

о = 607,15+0,241Т +9,643е-3Т +9,425е->-0,173е-2ТзТ- 0,138е-2Тф-0,450е-3Тф+0,655е-5ТТ ф

о ^ ^ 3 ^ ^ Т ^ 3 ^ 3 Т ^ Т ^ 3 Т

Как видно из приведенных на рис. 4 и 5 данных, влияние технологических режимов формообразования на напряжения течения титана идентичны влиянию на размер зерна, что характеризует их взаимосвязь.

а б

Рис. 5. Зависимость напряжения текучести титана ВТ1-0 от режимов формообразования

л С

вГ О

Е* О

О Г

5

П. С

£ ф

о.

2500

Величина зерна, нм

Рис. 6. График зависимости прочности титана ВТ1-0 от величины зерна

Выводы

1. Установлена зависимость, определяющая влияние комбинированной обработки, включающей интенсивную ковку и осадку с кручением при различных технологических параметрах, на структуру и свойства технического титана ВТ1-0.

2. Величина деформации титана ВТ1-0 после комплексной обработки по схеме «интенсивная ковка - осадка с кручением» достигает е = 2,25 -3,57, что приводит к уменьшению среднего размера зерен с 30...40 мкм до 1,362...2,547 мкм.

3. Найденная зависимость прочности титана ВТ 1-0 от величины зерна позволяет по результатам металлографических исследований прогнозировать механические характеристики титана ВТ 1-0.

Список литературы

1. Утяшев Ф.З., Рааб Г.И. Деформационные методы получения и обработки ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов. Уфа, 2013. 376 с.

2. Сверхпластичность ультрамелкозернистых сплавов: эксперимент, теория, технологии / Р.Р. Мулюков [и др.]. М.: Наука. 2014. 286 с.

3. Microstructure development of steel during severe plastic deformation / Setsuo Takaki, Toshihiro Tsuchiyama, Koichi Nakashima, Hideyuki Hidaka, Kenji Kawasaki, Yuichi Futamura // Metals and Materials International. 2004. Vol. 10. Р. 533 - 539.

4. Семенова И.П. Формирование ультрамелкозернистых структур и повышенных механических свойств в малолегированных титановых сплавах комбинированными методами интенсивной пластической деформации: дис. ... д-ра техн. наук. Уфа, 2011. 273 с.

5. Modeling the Structure Formation during Hot Deforming the Billets of the Parts of Gas-Turbine Engines Made of Heat-Resistant Nickel Alloy / I.A. Burlakov, V.A. Valitov, A.A. Ganeev, D.M. Zabel'yan, S.V. Morozov, R.Yu. Sukhorukov, F.Z. Utyashev // Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2016, No. 5. Р. 95 - 102.

6. Ф.З. Утяшев, Г.И. Рааб. Деформационные методы получения и обработки ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов. Уфа: Ги-лем, 2013. 375 с.

7. Кандаров И.В. Формирование регламентированной структуры в сплаве ВТ6 для повышения эксплуатационных свойств лопаток газотурбинного двигателя: дис. ... канд. техн. наук. Набережные Челны, 2016. 148 с.

8. Эволюция структуры и механических свойств ультрамелкозернистого титана / Курзина И.А., Божко И.А., Калашников М.П., Ерошенко А.Ю., Шаркеев Ю.П. Томск: Материаловедение, № 5, 2010. С. 48 - 55.

9. Sakai T., Belyakov A., Miura H. Ultrafine grain formation in ferritic stainless steel during severe plastic deformation // Metallurgical and Materials Transactions A. 2008. Vol. 3, № 9. Р. 2206 - 2214.

10. Штамповка с кручением: монография / В.Н. Субич [и др.]. М.: МГИУ, 2008. 389 с.

11. Гуляев А.П. Металловедение. Москва, 1986. 342 с.

12. Повышение прочности технического титана ВТ1-0 методом интенсивной пластической деформации / В.В. Латыш, И.А. Бурлаков, Д.М. Забельян, А.И. Алимов, П.А. Петров, Б.А. Степанов, Бач Ву Чонг // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2018. № 6. С. 54 - 60.

13. Миронов С.Ю., Салищев ГА. Влияние размера зерна и однородности микроструктуры на равномерность деформации технически чистого титана II // Физика металлов и металловедение. 2001. Т. 92. № 5. С. 81 - 88.

14. Влияние размера зерна на механическое поведение титана ВТ1-00 / С.Ю. Миронов, С.П. Малышева, P.M. Галеев, Г.А. Салищев, М.М. Мышляев // Физика металлов и металловедение. 1999. Т. 87. № 3. С. 80 - 85.

15. Салищев Г. А., Фархутдинов К.Г., Афанасьев В. Д. Влияние субмикрокристаллической структуры на механическое поведение ферритной стали 15Х25Т // Металлы. 1993. №2. С. 116 - 120.

Бурлаков Игорь Андреевич, д-р техн. наук, главный специалист, burlakov-ia@Mecrus.com, Россия, Москва, УГТПК «САЛЮТ.» АО «ОДК»,

Забельян Дмитрий Михайлович, главный технолог, burlakov-iaa uecru.s.com, Россия, Москва, ПК «САЛЮТ.» АО «ОДК»,

Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, зав. кафедрой, p. a.petrov@mospolytech. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,

Степанов Борис Алексеевич, д-р техн. наук, проф., sba40@yandex.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,

Бач Ву Чонг, аспирант, hvktbach@,gmail. com, Россия, Москва, Московский политехнический университет

APPLICA TION OF ACTIVE EXPERIMENT METHOD FOR DETERMINA TION OF THE STRUCTURE AND PLASTICITY IN DEPENDENCE WITH THE TECHNOLOGICAL REGIMES OF FORGING WITH TORSION

I.A. Burlakov, D.M. Zabelian, P.A. Petrov, B.A. Stepanov, Bach Wu Chong

The paper solves the problem of reducing the mass of parts by increasing the strength characteristics of the material of parts manufactured from titanium VT1-0 by forming an ultrafine-grained structure by the method of combined intensive deformation, including comprehensive forging, followed by torsional draft. The results of metallographic studies of titanium are given, which make it possible to predict the structure of technical titanium VT1-0, depending on the technological processing conditions.

Key words: titanium, aircraft industry, severe plastic deformation, ultrafine-grained structure, compression with torsion, forming technologies.

Burlakov Igor Andreevich, doctor of technical sciences, chief specialist, burlakov-ia@uecrus.com, Russia, Moscow, UGTPK «Salut» JSC «ODK»,

Zabelian Dmitry Mikhailovich, chief technologist, burlakov-iaauecrus. com, Russia, Moscow, PK «Salut» JSC «ODK»,

Petrov Pavel Aleksandrovich, candidate of technical sciences, head of chair, p.a.petrova mospolytech.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,

Stepanov Boris Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, sba40@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,

Bach Wu Chong, postgraduate, hvktbachagmail. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University

УДК 621.833

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА ИЗ СПЛАВА СИСТЕМЫ «АЬ-МС-Ь1», СОПРОВОЖДАЕМЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ СТРУКТУРЫ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ГРАНИЦ ТЕМПЕРАТУРНОГО

ИНТЕРВАЛА

Д.В. Агафонова, В. А. Михеев

Выполнен оптимальный подбор значений указанных параметров, обеспечивающих цикличность пластической деформации при холодной прокатке образца. Результаты исследований включают минимальную степень обжатия прохода, скорость прокатки, температуру и время выдержки ИДС нагрева.

Ключевые слова: система «А1-Ы^-Ы», сплав 1420, температура, скорость прокатки, степень обжатия, время нагрева, ИДС, пластичность.

Создание авиационной техники с меньшей массой - главная задача развития аэрокосмической отрасли на сегодняшний день. Наиболее перспективным материалом с этой точки зрения являются сплавы систем «А1-М^-Ы» (1420) и «А1-Ь1-Си-М£» (1441). Они являются аналогами, но система «А1-М£-Ы» (1420) является наиболее технологичной по пластичности среди алюминий-литиевых сплавов при холодной прокатке и уже разработана технология получения листов толщиной до 0,3 мм. Сплав 1420 перспективный авиакосмический материал (оригинальный сплав 1420 -самый лёгкий (плотность 2,47 г/см 3[1]), коррозионностойкий), который за счёт сочетания высоких удельной прочности и удельного модуля упругости, способен обеспечивать высокие эксплуатационные характеристики авиакосмических узлов. Они определили переход к новому технологическому укладу в области интеллектуальных металлополимерных композиционных материалов, алюмостеклопластики.

Для дальнейшего рассмотрения было проведено исследование структуры и механических свойств листов из алюминий-литиевых сплавов 1420 различных состояний поставки.

Исследовали карточки из алюминий-литиевого сплава 1420 стандартного химического состава. Карточки отобраны от листов и плит, произведенных по стандартной промышленной технологии. Листы тоньше 6 мм получены холодной прокаткой, листы толщиной 6 мм и более - горячей прокаткой. Состояние после окончательной термообработки и исходные размеры карточек указаны в табл. 1.

235