Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор современного теории обработки металлов давлением при решении задач моделирования технологических процессов в деформируемой среде 12
1.1.Краткий обзор исследуемых технологических процессов 12
1.2. Теоретический анализ силовых и деформационных параметров при моделировании состояния пластически деформируемой среды при интенсивных деформациях 17
1.2.1.Определяющие соотношения между напряженным и деформируемым состоянием сплошной среды 18
1.2.2. Математическая теория пластичности. Базовые подходы к описанию деформированного состояния 20
1.2.3. Физические и феноменологические модели пластически
1.2.4. Деформирование поликристаллической среды. Механизмы динамической рекристаллизации 31
1.2.6. Выводы 40
1.3. Анализ влияния легирующих элементов и термомеханических режимов деформирования на фазовый состав и параметры 41
1.3.1. Фазовый состав титановых сплавов 41
1.3.2. Особенности структуры ос+Р - сплавов титана. Влияние термообработки на структуру ос+Р сплавов при а <=^ /? превращениях 43
1.3.3. Особенности структуры при Р-деформировании. Влияние степени деформации на структуру и геометрию зерна 45
1.3.4.Зависимость механических свойств от структуры ос+Р титановых сплавов и температурной области деформирования 51
1.3.5. Современные технологии получения ос+Р титановых сплавов с высокими механическими свойствами 52
1.4. Контактное трение в процессах ОМД при деформировании с технологическими смазками 56
1.5. Последующая деформации термическая обработка изделий из бериллиевых бронз 60
1.5.1 Общая характеристика исследуемых сплавов и получаемых изделий 60
1.5.2. Основные особенности фазовых превращений при дисперсионном твердении среднелегированных бериллиевых бронз 62
1.5.3. Влияние способа термообработки на кинетику фазовых переходов 63
1.6. Выводы цель и задачи исследования 70
2. Аналитическое моделирование пластического течения с учетом поликристаллической структуры деформируемой среды при интенсивной деформации 75
2.1. Описание модели пластического течения, учитывающей поликристаллическую структуру деформируемой среды. Основные допущения 75
2.2. Основные уравнения движения деформируемой поликристаллической среды 81
2.2.1 Уравнение непрерывности течения 81
2.2.2. Моменты сил и их материальные производные 89
2.2.3.Принцип сохранения момента. Уравнения движения (равновесия) 90
2.2.4. Первый закон термодинамики для деформируемой поликристаллической среды 92
2.2.5. Второй закон термодинамики для деформируемой 94
поликристаллической среды 94
2.2.6. Функции состояния. Определяющие соотношения 98
2.2.7. Обобщенное уравнение теплопередачи для поликристаллической деформируемой среды 108
2.3. Моделирование динамической рекристаллизации при интенсивной деформации 110
2.3.1. Техническая интерпретация обобщенного уравнения теплопередачи 110
2.3.2.Феноменологическая модель процесса динамической рекристаллизации на основе уравнения теплопередачи и диаграммы динамической рекристаллизации 113
2.3.3. Моделирование динамической рекристаллизации на примере сплава ЭИ437 и титанового сплава ВТ9 117
2.4. . Обобщенная система уравнений движения пластически деформируемой
поликристаллической среды с учетом ее зернограничного строения 120
2.4.1. Параметры анизотропии течения поликристаллической среды,
вызванные динамической рекристаллизацией 120
2.4.2 Уравнения состояния пластически деформируемой поликристаллической среды с учетом ее зернограничного строения 124
2.4.3. Обобщение уравнений состояния пластически деформируемой поликристаллической среды для их моделирования численными методами на ЭВМ 127
2.5. Методика расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) штампуемой заготовки с учетом ее поликристаллического строения на основе минимизации пластического потенциала 129
2.6. Выводы 137
3. Разработка и апробация технологии получения изделий из а + /? титановых сплавов высокоскоростным объемным деформированием в области температуры полиморфных превращений, обеспечивающей повышение их эксплуатационных свойств за счет формирования требуемых параметров микроструктуры 141
3.1. Оптимизация термомеханических режимов горячей штамповки титанового сплава ВТ9 в условиях высокоскоростного нагружения при нагреве исходных заготовок ниже точки полиморфного превращения 141
3.2. Исследование параметров технологического процесса получения мелкозернистых заготовок лопаток из титанового сплава ВТ9 с повышенным ресурсом методом высокоскоростной штамповки в /?- области 154
3.2.1. Постановка задач исследования формирования микроструктуры с требуемыми свойствами при ВСШ лопаток из титанового сплава ВТ9 154
3.2.2. Описание высокоскоростного деформирующего оборудования.. 155
3.2.3. Моделирование динамической рекристаллизации ос+Р титанового сплава ВТ9 при высокоскоростной штамповке лопаток ГТД на основе аналитической модели движения поликристаллической деформируемой среды 158
3.2.4. Экспериментальное обоснование оптимальных параметров штамповки лопаток ГТД высокоскоростным объемным деформированием с индукционным нагревом исходных заготовок выше точки полиморфных превращений 175
3.3. Выводы 197
4. Исследование влияния состава активных технологических смазок на качество поверхности и коэффициент трения при высокоскоростной штамповке изделий из легированных теплостойких и титановых сплавов .201
4.1. Оптимизация состава активных технологических смазок, содержащих эвтэктикообразующие модификаторы, в технологических процессах высокоскоростного объемного деформирования 202
4.1.1. Определение компонентов и оптимизация количественного соотношения состава смазок для формообразования деталей из жаропрочных сталей 203
4.1.2 Определение компонентов и оптимизация количественного состава смазок для формообразования деталей с развитой поверхностью из титановых сплавов 2144
4.1.3 Сравнение эффективности рекомендованных смазок при высокоскоростной штамповке заготовок с развитой поверхностью 216
4.1.4. Зависимость шероховатости поверхности отштампованной детали от коэффициента эффективности технологической смазки 222
4.1.5. Оценка эффективности рекомендуемых технологических смазок в производственных условиях 223
4.2. . Экспериментальная оценка величины коэффициента контактного трения в процессах штамповки с высокими скоростями поверхностного скольжения в условиях действия активных смазок 225
4.3. Выводы 236
5. Исследование структуры и свойств дисперсионно-твердеющих сплавов на основе меди с низкой и средней степенью легирования Be, Ni, Co при горячей штамповке на оборудовании с различным характером приложения деформирующего усилия . 239
5.1. Сравнительное исследование технологических схем и характеристик трубных заготовок из БрБ2, полученных методом изотермической штамповки (ИЗШ), горячим гидродинамическим выдавливанием (ГГДВ), ротационной ковкой (РК) на радиально-ковочных машинах 239
5.1.1. .. Сравнение схем и термомеханических режимов формообразования трубных заготовок, полученных методами ИЗШ, ГГДВ и РК 239
5.1.2. ... Исследование предельной степени деформации при ротационной ковке трубной заготовки из БрБ2 254
5.1.3.Исследование влияния механизмов пластического деформирования и параметров ОПД на стабильность механических свойств изделий из БрБ2 258
5.1.4. Исследование влияния режимов термообработки трубных заготовок из среднелегированной бронзы БрБ2, полученных методом радиальной ковки, на ее твердость после дисперсионного твердения 267
5.2. Разработка высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) низколегированных дисперсионно-твердеющих сплавов на медной основе, подвергнутых скоростному деформированию 271
5.2.Выводы 283
6. Основные результаты и выводы 285.
Список сокращений и условных обозначений 288
Список литературы
- Теоретический анализ силовых и деформационных параметров при моделировании состояния пластически деформируемой среды при интенсивных деформациях
- Основные уравнения движения деформируемой поликристаллической среды
- Исследование параметров технологического процесса получения мелкозернистых заготовок лопаток из титанового сплава ВТ9 с повышенным ресурсом методом высокоскоростной штамповки в /?- области
- Определение компонентов и оптимизация количественного соотношения состава смазок для формообразования деталей из жаропрочных сталей
Введение к работе
Актуальность темы. Важной проблемой, стоящей перед современным машиностроением, является повышение эффективности и конкурентоспособности производства, связанное с технологией структурообразования изделий из металлов и сплавов в процессах их формообразования горячей штамповкой при интенсивных пластических деформациях, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики изделий.
Повышенные требования предъявляются к прочностным характеристикам изделий, которые работают при повышенных нагрузках. К таким изделиям можно отнести лопатки компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) из титановых и жаропрочных сплавов, а также трубные заготовки опор скольжения из дисперсионно-твердеющих сплавов на медной основе. Использование в заготовительном производстве этих изделий технологических процессов обработки давлением с высокой управляемой интенсивностью деформаций обеспечивает формообразование, которое максимально приближает геометрию заготовки к готовой детали, что увеличивает коэффициент использования материала, снижает долю механической обработки, обеспечивает формирование структуры с требуемыми эксплуатационными характеристиками.
Известно, что изготовление лопаток, занимающих особое место в производстве ГТД, трудоемко и составляет до 35% от трудоемкости изготовления всего изделия, а их КИМ не превышает 0,15 – 0,22. В этой связи, НПО «Труд», КМПО им. М.В. Фрунзе совместно с Куйбышевским филиалом НИИД (сейчас все предприятия входят в состав ОАО «Кузнецов») под руководством академика Н.Д. Кузнецова, используя преимущества специально созданных высокоскоростных молотов - ВСМ (ВСМ 2, ВСМ 4 и др.), разработали, освоили и внедрили в производство технологические процессы изготовления точных заготовок различной номенклатуры. Применение высокоскоростной штамповки (ВСШ) позволило повысить КИМ до 0,4-0,6 при повышении механических свойств на 15% и более.
Область рациональных и оптимальных технологических режимов, позволяющих получить структуру заготовок с прогнозируемыми механическими свойствами при высоких температурах и скоростях деформации, требует своего теоретического и экспериментального обоснования. Однако в настоящее время в рамках математической теории пластичности для поликристаллической среды нет единого подхода, который позволил бы в виде замкнутой системы полевых уравнений увязать термодинамические процессы, термомеханические параметры и параметры микроструктуры.
Теория и практика, учитывающие ряд особенностей отмеченных технологических процессов, позволяют определить область рациональных термомеханических режимов деформирования, обеспечивающих повышение качества и эксплуатационных свойств изделий за счет применения научно обоснованных методов управления струк-турообразованием, что обуславливает актуальность темы исследования.
Разработанные теоретические основы и математические модели, отражающие термомеханические взаимодействия в интенсивно деформируемой поликристаллической среде, также могут быть применимы для анализа других высокоэнергетических технологических операций заготовительного производства.
Работа выполнялась в соответствии с Федеральной целевой программой «Создание линейки газотурбинных двигателей на базе универсального газогенератора высокой энергетической эффективности» (шифр «2010-218-001», шифр темы: 001Х-342029г).
Область исследования (по паспорту специальности):
1. Закономерности деформирования материалов и повышения их качества при различных термомеханических режимах, установление оптимальных режимов обработки.
2. Новые методы пластического формоизменения и изменения свойств заготовок сжатием, ударом, магнитно-импульсным и иными воздействиями.
К объектам исследования относятся высокоскоростная штамповка (ВСШ) титановых лопаток ГТД на высокоскоростных молотах (ВСМ), горячее гидродинамическое выдавливание (ГГДВ) трубных заготовок опор скольжения из дисперсионно-твердеющих сплавов на медной основе, радиальная ковка (РК) этих заготовок на ради-ально-обжимных машинах (РОМ).
Предметом исследования является деформирование с высокой для данного материала, напряженного состояния и температуры интенсивностью скорости деформации, превышение которой может привести к внутренним дефектам структуры и поверхности заготовки, а область её рациональных значений обеспечивает получение структуры изделий с требуемыми свойствами.
Цель работы - разработка методов управления структурой в технологических процессах объемной штамповки на основе развития теории деформирования поликристаллической среды в условиях интенсивной пластической деформации и динамической рекристаллизации, создании на ее базе научно обоснованных термомеханических режимов операций.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований:
-
Разработка теоретических основ структурообразования деформируемой поликристаллической среды. Создание математической модели связи между континуальной деформируемой средой в пластической области и её зернограничной структурой на основе полевых уравнений напряженно-деформированного состояния (НДС) в условиях фазового равновесия. Определение параметров и коэффициентов, характеризующих состояние интенсивно деформируемой поликристаллической среды в рамках континуальной теории.
-
Разработка феноменологической модели динамической рекристаллизации, устанавливающей связь между размерами рекристаллизуемых зерен (по диаграмме рекристаллизации) и параметрами и коэффициентами, характеризующими состояние деформируемой поликристаллической среды.
-
Прогнозирование структурообразования (изменение размеров зерен в динамике) и апробация разработанной методики прогнозирования при моделировании структуры заготовок лопаток ГТД из а + (5 -титанового сплава, изготовленных методом высокоскоростной штамповки с нагревом ниже точки полиморфных превращений.
-
Определение рациональных термомеханических режимов высокоскоростной штамповки и последующей термообработки с целью формирования структуры заготовки с заданными свойствами по критерию увеличенного предела выносливости для заготовок лопаток ГТД из а + (5 -титанового сплава ВТ9 с нагревом исходных заготовок выше точки полиморфных превращений на основе комплексных экспериментальных исследований.
-
Управление структурой поверхности штампуемой заготовки в условиях интенсивного трения. Исследование влияния состава активных (с добавлением различных модифицирующих структуру деформируемого материала компонентов) технологических смазок на пластичность поверхностного слоя с целью обеспечения улучшенного качества поверхности и снижения коэффициента трения при высокоскоростной штамповке изделий из легированных жаропрочных и титановых сплавов.
-
Сравнительные исследования влияния скорости, температуры и степени деформации на механизмы пластического деформирования при формообразовании трубных заготовок из среднелегированных бериллиевых бронз в технологических процессах изотермической штамповки, ГГДВ, РК на оправке. Определение предельных параметров формообразования для РК трубных заготовок.
7. Разработка основных технологических параметров скоростного выдавливания пруткового полуфабриката с повышенной твердостью из низколегированной бе-риллиевой бронзы в режимах ВТМО методом ГГДВ.
Методы исследования. Теоретические исследования процессов пластического деформирования поликристаллической среды выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и математической теории пластичности и содержат уравнения движения с учетом термомеханического взаимодействия дискретной зернограничной и континуальной (внутри зерна) компонентов среды. Определяющие соотношения, связывающие деформированное и напряженное состояние компонентов среды, получены на основе модели их вязкопластического взаимодействия с использованием методов термодинамики необратимых процессов. Феноменологическая модель процесса динамической рекристаллизации определяет способ, с помощью которого тепловое и напряженно-деформированное состояние рассчитывается из полученных полевых уравнений движения поликристаллической среды и экспериментальных диаграмм динамической рекристаллизации. Апробация модели произведена на примере жаростойкого сплава ЭИ437 и a+j3 титанового сплава ВТ9. Аналитически смоделировано изменение размеров зерна (по ог-фазе) для титанового сплава ВТ9 при высокоскоростной штамповке заготовок лопаток ГТД. Исследование влияния состава активных технологических смазок выполнено с использованием нелинейного регрессионного анализа. Оптимизация состава смазок по компонентному и количественному составу произведена методом поиска глобального экстремума у критерия эффективности смазки.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных средств оптической металлографии (Neophot 30 и др.), рентгеноструктурного анализа (Дрон-5М), универсальных испытательных машин, с применением специализированного оборудования - высокоскоростных молотов ВСМ-2, ВСМ-4 со скоростью падающих частей 20-40 м/с, модернизированного под горячее гидродинамическое выдавливание кривошипного пресса К8540, установки радиальной ковки GFM SХ16. Обработка опытных данных осуществлялась с применением статистических методов обработки.
Достоверность положений диссертации обеспечивается корректным использованием математического аппарата, соответствием результатов экспериментов и выдвигаемых в диссертации положений и выводов качественного характера, статистическими методами обработки результатов экспериментов и практической апробацией результатов в производственных условиях.
Положения, выносимые на защиту:
модель поликристаллической деформируемой среды, состоящую из дискретной зернограничной и континуальной структур и выраженную через соотношения между 32-мя её характеризующими параметрами;
основные уравнения и соотношения для анализа изменения размеров зерна пластически деформируемой заготовки по феноменологическим моделям динамической рекристаллизации;
обобщенные уравнения движения интенсивно деформируемой поликристаллической среды, выраженные через кинематические параметры континуальной составляющей и коэффициенты структурообразования, связанные с миграцией границ зернограничной составляющей;
результаты теоретических и экспериментальных исследований рациональных режимов операций ВСШ высокоточных заготовок лопаток из а+fi титановых сплавов с предварительным нагревом исходных заготовок токами высокой частоты до и выше температуры полиморфных превращений с последующим последеформационным отжигом для получения микроструктуры заготовки с требуемым комплексом механиче-
ских свойств (повышенные кратковременные характеристики либо повышенную длительную прочность);
результаты исследований влияния компонентного и количественного состава активных смазок, содержащих эвтектойдные стабилизаторы, на повышение качества поверхности и эффективность формообразования за счет формирования микролегированной структуры по контактным поверхностям в технологических процессах высокоскоростной штамповки заготовок лопаток из титановых и жаропрочных сплавов;
сравнительные экспериментальные исследования предельных параметров деформирования по критериям качества формообразования и структурообразования в зависимости от схемы, энергосиловых и скоростных параметров деформирования в технологических процессах формообразования тонкостенных трубных заготовок из дисперсионно-твердеющих сплавов на медной основе - изотермической штамповке (ИЗШ) на гидравлическом прессе, ГГДВ на кривошипном прессе, РК на оправке на радиально-обжимной машине;
- экспериментально подтвержденные оптимизированные составы активных
технологических смазок, обеспечивающих повышение качества поверхности и сниже
ние энергоемкости процесса деформирования титановых сплавов типа ВТ9, ВТ20 и
жаропрочных сплавов типа ЭП517Ш за счет микролегирования поверхности заготов
ки в области интенсивного контактного трения;
- технологические режимы деформирования и промежуточных и окончательных
термообработок в операциях радиальной ковки трубных заготовок на оправке из сред-
нелегированной бериллиевой бронзы БрБ2 и операциях горячего гидродинамического
выдавливания прутковых полуфабрикатов повышенной твердости из низколегирован
ной бронзы БрНБТ.
Научная новизна работы состоит в развитии теории деформирования гетерогенных сплошных сред применительно к поликристаллической среде в условиях интенсивной деформации и заключается в следующем:
предложена и аналитически получена в виде полевых уравнений модель термомеханического взаимодействия двух структурных составляющих поликристаллической среды - континуальной компоненты (среды внутри зерен) и зернограничной дискретной компоненты;
выявлены закономерности изменения кинематики течения материала в зависимости от параметров поликристаллической структуры - объемного коэффициента количества зернограничной структуры, матрицы коэффициентов образования текстуры, характеризующих динамику изменения размеров зерен;
- определен способ, с помощью которого тепловое и напряженно-
деформированное состояние рассчитывается из полевых уравнений и эксперименталь
ных диаграмм динамической рекристаллизации. Полученные закономерности позво
лили выявить рациональные режимы деформирования.
Научная значимость работы состоит:
- в развитии теории деформирования применительно к поликристаллической
среде в условиях интенсивной пластической деформации, что позволяет установить
аналитическую связь между деформированным состоянием и микроструктурой при
динамической рекристаллизации;
- в установлении подходов к получению титановых заготовок лопаток ГТД мето
дами ВСШ, обладающих либо повышенным комплексом кратковременных механи
ческих свойств, либо повышенным пределом выносливости при требуемом уровне ос
тальных эксплуатационных характеристик в зависимости от параметров структуры
исходной заготовки, времени и температуры ТВЧ-нагрева заготовки под высокоскоро
стную штамповку, режимов штамповки и последующей термообработки;
- в разработке методики определения состава активных технологических смазок,
пластифицирующих поверхностный слой титановых и жаропрочных сплавов в усло
виях интенсивной пластической деформации за счет микролегирования контактной
поверхности.
Практическая ценность. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны термомеханические режимы деформирования в технологических процессах с импульсным приложением деформирующего усилия, обеспечивающие повышение эксплуатационных свойств изделий ответственного назначения. По сравнению с традиционной объемной штамповкой обеспечивается повышение на 15% кратковременных механических характеристик лопаток ГТД изготовленных методом ВСШ при нагреве заготовок ниже точки а+Р превращения и повышение предела выносливости до 40% при нагреве выше точки а+Р превращения. Обеспечивается повышение качества тонкостенных трубных заготовок из дисперси-онно-твердеющих медесодержащих сплавов ковкой на радиально-обжимных машинах (брак - менее 1%), снижение трудоемкости и металлоемкости (КИМ более 75%) за счет получения заготовок изделий, приближенных по форме к готовым изделиям, сокращения сроков подготовки производства новых изделий за счет уменьшения доли механической обработки.
Реализация работы. С применением рекомендаций разработаны операции высокоскоростной штамповки точных заготовок лопаток компрессора ГТД из а+Р титановых сплавов типа ВТ9 для получения мелкодисперсной структуры, обеспечивающей повышение кратковременных механических свойств по технологии с предварительным нагревом заготовок ТВЧ под штамповку до температуры полиморфных превращений та_±р, а также по технологии с нагревом заготовок выше температуры та_±р для
обеспечения повышения предела выносливости. Разработаны составы активных технологических смазок СОЖ-1 и СОЖ-2, содержащие эвтектойдные стабилизаторы, обеспечивающие повышение качества поверхности отштампованных заготовок лопаток на Ra=10 и снижающие энергоемкость процесса деформирования до 30%. Технологические процессы и смазки внедрены при производстве лопаток ГТД на ОАО «Кузнецов». Разработанные термомеханические режимы радиальной ковки тонкостенных трубных заготовок из дисперсионно-твердеющих сплавов на медной основе типа БрБ2 используются для изготовления опор скольжения буровых долот на ОАО «Волгабурмаш», которые в зависимости от типоразмера обеспечивают повышение КИМ до 1,3-2 раза. Полуфабрикаты с повышенным ресурсом (до 30… 40% по сравнению с аналогами) из низколегированных дисперсионно-упрочняемых электропроводных бронз типа БрНБТ, изготовленные из литых слитков методом ГГДВ и радиальной ковки, применяются для изготовления электродов контактной сварки более чем на 10 предприятиях - ООО «Верхневолжский СМЦ», ДЗЖБИ «Лепсе» и др.
Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедре «Производство двигателей летательных аппаратов» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика СП. Королева (национальный исследовательский университет)»:
при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий, при подготовке специалистов и бакалавров направления 151001.65 - «Технология машиностроения», а также в научно-исследовательской работе студентов;
при подготовке магистерских диссертаций, исследовательских курсовых и дипломных проектов, выпускных квалификационных работ бакалавров.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на международной научно-технической конференции «Металлофизика, механика материалов, наноструктуры и процессы деформирования «Металлдеформ-2009» (Самара, 2009 г.), международной научно-технической конференции
телестроения» (Самара, 2011 г.), VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011» (Казань, 2011г.), международном симпозиуме «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (Самара, 2012), международном научно-технический форуме, посвященном 100-летию ОАО"Кузнецов" и 70-летию СГАУ (Самара, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 работы, в том числе 1 монография; 19 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 14 статей в других изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 198 наименований, содержит 295 страниц, включает 98 рисунков и 70 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность коллективу совместного конструктор-ско-технологического бюро ВСШ (СНТК им. Н.Д. Кузнецова - ОАО «Моторостроитель» - СФ НИИД), а также докторам технических наук, профессорам В.А. Костыше-ву и В.Р. Каргину за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания, рекомендации и предложения.
Теоретический анализ силовых и деформационных параметров при моделировании состояния пластически деформируемой среды при интенсивных деформациях
Ввиду того что в данной работе рассматриваются режимы ВТМО при скоростном интенсивном деформировании, рассмотрим эти методы более подробно. Современный процесс изготовления полуфабрикатов из литых заготовок а+Р и «бетированных» сплавов [180,184,168,158] для получения круглого и плоского проката обычно включает в себя первоначальную деформацию исходного материала выше точки Р -полиморфного превращения с целью измельчения литой структуры путем последующего охлаждения ниже точки полиморфного превращения, когда выделение ос-фазы происходит внутри деформированного Р-зерна. Далее сплав обычно подвергают промежуточной деформации при температуре ниже первоначального деформирования в ос+Р области для получения помимо фазового наклепа внутриструктурных остаточных напряжений, индуцируемых за счет механического искажения кристаллической решетки. После рекристаллизации полуфабрикат из сплава может быть подвергнут дополнительной обработке, например штамповке при температурах ниже Р-полиморфного превращения для придания изделию из сплава окончательной формы.
Промежуточная деформация в ос+Р температурном диапазоне, главным образом, требуется для того, чтобы привнести в структуру сплава неоднородную энергию деформации с целью направленного воздействия на рекристаллизацию при окончательном пластическом формообразовании либо отжиге (нормализации). Вместе с тем, промежуточная деформация может внести целый ряд дефектов. Например, может развиться распределенная по объему микроскопическая пористость, известная как «деформационно-индуцированная пористость» (ДИП), английская аббревиатура «SIP» [173]. Наличие ДИП сказывается на ухудшении механических свойств, в особенности отрицательному воздействию подвергается пластичность сплава. Для предотвращения ДИП вводят дополнительные дорогостоящие технологические операции, в частности, изотермическое прессование. Тем не менее, из-за ограниченной технологичности в ос+Р области ниже точки Р-полиморфного превращения, с одной стороны, вследствие превышения предельной деформации может произойти либо потеря пластичности, сопровождаемая большим количеством поверхностных дефектов, либо недостаточная проработка зерна материала сплава, с другой стороны. В последнее время основные усилия исследователей по оптимизации микроструктуры титановых сплавов сосредоточились на управлении термомеханическими операциями обработки. Например, патент США №3489617 [177] раскрывает методы термомеханической обработки исходных слитков а, а+Р-сплавов , предназначенные улучшить Р-размер зерна сплава. Предложенные методы включают в себя операции по ковке слитка при температуре выше Та_±р, отжига при температуре, не меньше ковочной температуры с целью перекристаллизации материала (или одновременная обработка давлением и рекристаллизация при температуре выше Т _ ). Далее, согласно патенту [177], после рекристаллизации Р-зерна, сплав может подвергаться пластическому деформированию выше температуры Та_±р, при условии, что основная часть обжатия с целью дробления первичной ос-фазы происходит в ос+Р области.
В Патенте США № 5026520 [178] описывается метод формирования мелкодисперсной ос+Р структуры сплава титана путем его изотермической штамповки с обжатием при температуре от 10 С до 40 С выше точки Р-полиморфных превращений с последующей изотермической выдержкой в области ковочных температур для предотвращения интенсивного роста зерна. В статье [173] Тамирсакандала (Tamirlsakandala) и др. всесторонне исследовал условия образования SIP во время промежуточной обработки деформированием сплава "ELI" Ti-6Al-4V, прокатанного в диапазонах выше и ниже точки Р-полиморфного превращения. Целью исследования было получение пластинчатой ос-фазы (трансформированного Р-зерна). Основываясь на этой работе, авторы предлагают обеспечить дифференцированный нагрев заготовки, обеспечив более высокую температуру поверхности и пониженную температуру сердцевины заготовки с целью избежать появления SIP.
Предложенный способ открывает большой выбор способов термомеханической обработки ос+Р и "бетированных" титановых сплавов. Например, в работе [180] предложен способ, включающий деформирование при первой температуре (T.sub.1), которая выше температуры [З-полиморфного превращения, далее следует один из 2-х вариантов: либо деформирование при температуре (T.sub.2), которая больше чем T.sub.1, с целью рекристаллизации части сплава, либо выдерживание титанового сплава при температуре T.sub.2 в течение некоторого времени, достаточного для его частичной рекристаллизации. Окончательное деформирование сплава производится при третьей температуре (T.sub.3), которая выбирается из условия T.sub.1 T.sub.3 бета T.sub.
Изложенное показывает, что требуемую структуру полуфабриката из а + р титанового сплава, обеспечивающего в ходе дальнейшей термообработки необходимый комплекс механических свойств можно получить сочетанием последовательных операций деформирования заготовки до и выше температурной области фазовых превращений.
Основные уравнения движения деформируемой поликристаллической среды
Развитие теории и совершенствование технологии процессов ОМД в существенной мере сдерживается недостаточным уровнем знаний о механике контактного взаимодействия между деформируемой заготовкой и инструментом, которое связано с действием сил внешнего трения. Силовое воздействие на обрабатываемый материал, осуществляемое прежде всего через контактную поверхность, в зависимости от величины сил трения, определяет характер напряженного и деформированного состояния. В ряде случаев необходима более точная формулировка закона трения, связывающего напряжения трения с условиями на поверхности контакта инструмента с металлом [44]. Контактное трение является едва ли не определяющим фактором и в значительной мере обуславливает усилия контактирования, качество изделия, силовые и экономические показатели процесса, надежность и ресурс технологического оборудования [102]. В классической постановке вопроса величиной, позволяющей оценить силовое воздействие двух контактирующих тел при их перемещении относительно друг друга (или стремлении к перемещению) и находящихся под действием сжимающей нагрузки, является коэффициент трения, который в первом приближении представляет собой отношение усилия смещения одного тела по другому к нормальной нагрузке, сжимающей эти тела [15].
Однако, закон Амонтона - Кулона завышает напряжения трения при высоких контактных давлениях, например, в условиях, когда одно из тел пары трения деформируется пластически.
В условиях пластических деформаций металлов широко используется закон трения Зибеля: где /ns - коэффициент трения; rs - интенсивность напряжений. Обычно на практике в результате обобщения опытов предлагается формулировка закона трения и инженерные методы расчета напряженно-деформированного состояния и в том числе эпюр сил трения и нормальных давлений для различных условий деформации.
Закон трения А.Н. Леванова является обобщением законов Амонтона -Кулона и Зибеля. При низких контактных давлениях напряжения трения по А.Н. Леванову близки к напряжениям трения по Амонтону - Кулону, а при высоких контактных давлениях - по Зибелю [24].
Ряд теорий трения в ОМД учитывает состояние контактирующих поверхностей. Одной из принятых гипотез является теория сухого трения при пластических деформациях. Существующие предложения отдельных исследователей основаны на опытных работах по обработке металлов давлением.
Наиболее полно теория сухого трения (молекулярно-механическая теория И.В. Крагельского) разработана применительно к трению сухих поверхностей пластически не деформируемых тел. Согласно этой теории: F = (а + Pq)S ф , где и — константы трения, определяемые молекулярным и механическим сцеплением поверхностей; q — фактическое давление между поверхностями; Sф — фактическая площадь контакта.
Эта теория, в отличие от закона трения Амонтова—Кулона и молекулярной теории (двучленного закона) трения Б.В. Дерягина [27], достаточно хорошо отражает закономерности внешнего трения сухих поверхностей. Модель трения Б.В. Дерягина приближается к схеме сложного скольжения при граничной смазке, не учитывая упрочнения и износа поверхностей. Основы теории граничного трения, разработанные Б.В.Дерягиным и др. [27,62], базируются на свойствах тончайших (молекулярных) слоев пленок, на способности целого ряда углеводородов образовывать на поверхностях твердого тела прочно связанные с этими поверхностями адсорбционные слои, обладающие высокой скользкостью и способные удерживаться, не разрушаясь при очень высоких давлениях между ними.
К веществам, обладающим высокой адсорбционной способностью, относятся углеводороды, содержащие так называемые активные группы (гидроксилы ОН, карбоксилы СООН, аминогруппы и т. д.).
Попытка опереться на основы теории сухого трения, описываемые законом Амонтона—Кулона, при точном анализе процессов обработки металлов давлением приводит в ряде случаев к неудовлетворительным результатам, особенно при анализе объемных процессов деформирования [25]. У большинства специалистов по обработке металлов давлением и физике твердого тела, а также у специалистов по трению и смазкам [27, 96] установилось мнение, что в условиях обработки металлов давлением при пластических деформациях в условиях трения смазанных поверхностей благодаря наличию относительно высоких давлений в очаге трения возможна адсорбционная смазка.
Другими же исследователями установлено, что физическую сущность трения смазанных поверхностей при обработке металлов давлением наиболее полно отражает гипотеза жидкостного трения (основы гидродинамической теории трения, разработанные Н.И. Петровым, Н.Е.Жуковским и С.А. Чаплыгиным), считавшаяся ранее неприемлемой для условий обработки металлов давлением. Экспериментальные и теоретические исследования [33] (а также результаты производственного опыта в области листовой штамповки) подтверждают правильность этой гипотезы.
Немаловажен факт, что проблема контактного трения при пластических деформациях усложняется в связи с постоянным обновлением поверхности трения деформируемого металла и контактной поверхности. Кроме того, очевидно, что технологическая смазка, предназначенная для выполнения роли разделителя контактирующих поверхностей, вносит дополнительно ряд неопределенностей в физическую картину протекания процесса контактного трения. В условиях высоких скоростей деформирования и больших контактных давлений часть смазки может вытесняться из зоны контакта и процесс трения в этих зонах может происходить по модели сухого трения.
Таким образом, в настоящее время единой общепринятой теории внешнего трения при пластической деформации не существует. Созданы и функционируют теории и гипотезы внешнего трения, каждая из которых, очевидно, в наибольшей степени достоверна для условий, при которых происходило изучение тех или иных закономерностей контактного трения. Существующие теории, главным образом, базируются на экспериментальном материале. В этой связи применительно к рассматриваемым процессам штамповки при высоких скоростях для изделий с развитой поверхностью актуальным является вопрос оценки величины силы трения в условиях статистически предполагаемого наличия разделительного смазочного слоя на основе моделей, устанавливающих связь между параметрами очага пластической деформации, состоянием контактирующих поверхностей и антифрикционными свойствами технологических смазок. Кроме того, необходима методика, которая количественно позволила бы оценить антифрикционные свойства различных смазок исходя из их влияния на коэффициент контактного трения.
Исследование параметров технологического процесса получения мелкозернистых заготовок лопаток из титанового сплава ВТ9 с повышенным ресурсом методом высокоскоростной штамповки в /?- области
В настоящем разделе излагается описание последовательности действий при определении напряженно-деформированного состояния поликристаллической деформируемой среды на основе обобщенной системы уравнений ее движения. Приводится методика определения модулей сдвига и объемной деформации поликристаллической среды на примере титанового сплава ВТ9 при высокоскоростном деформировании (v0=20-40м/c), значения модулей сдвига используются далее при анализе процесса высокоскоростной штамповки заготовок лопаток газотурбинных двигателей.
Рассматриваемая методика расчета базируется на принципе минимизации мощности пластической деформации, рассчитанной на основе кинематически допустимого поля скоростей (КДПС).
Согласно экстремальным принципам механики сплошных сред, мощность внешних активных сил (сил, совершающих работу пластической деформации) и реактивных сил (сил трения) будет минимальной на заданном КДПС, если КДПС приближается к действительному.
Под КДПС понимается поле скоростей, в котором нормальные составляющие скорости равны граничным значениям скорости: vini=vs, (2.127) где vs- скорость на границе (инструмент-заготовка, свободная поверхность), кроме того, выполняется условие неразрывности:
Сформулируем основные этапы расчета НДС. 1. Задаем КДПС для континуальной компоненты поликристаллической среды V; =vl(xl,blp) l = ij,k; р = 1....Р, которое тождественно удовлетворяет граничным условиям (2.127) и условиям неразрывности (2.128), где неизвестные параметры blp определяются из условия минимума мощности пластической деформации.
В соответствии с принципом минимума мощности пластической деформации среди всех КДПС Уг =vl(xl,blp) действительным будет то поле скоростей, которое минимизирует функционал [27]: где первое слагаемое в (2.129) представляет собой мощность пластической деформации для непрерывных полей скоростей V; =vl(xl,blp) по объему Q, второе слагаемое - мощность сдвига на поверхностях A при разрыве скоростей
Определяем неизвестные коэффициенты образования текстуры fu, устанавливающие связь между кинематическими параметрами течения континуальной и зернограничной составляющих(2.109), раздел 2.3.2: /и=/0ке. (2.130) Для их определения, в частности для нахождения коэффициентов чувствительности к виду НДС кєі, входящих в fu, можно воспользоваться кубическим инвариантом тензора скоростей деформации T w : є =\\є\\. Считаем, что направления осей i,j,k совпадают с главными осями Т тогда є =є є є произведение диагональных компонентов тензора. В диаграммах рекристаллизации обычно используют усредненное значение размеров зерен, инвариантная по отношению к виду напряженного состояния, т.е. ksi =1, ftt=f0, l = i,j,k, в силу этого правомерна зависимость: коэффициента fcp, найденного из уравнения динамической рекристаллизации по среднему размеру зерна. Разделив обе части уравнения (2.131) на соответствующую степень произведения awmdT, получим зависимость, которая совместно с (2.109), (2.122) устанавливает связь между коэффициентами кєіи
Определяем (оцениваем) модули сдвига и объемные модули деформации, входящие в определяющие уравнения, связывающие напряжения и деформации:
В качестве примера рассмотрим оценку коэффициентов жесткости для титанового сплава ВТ9. Значение модуля сдвига LIVZ для континуальной компоненты можно найти по справочным либо определить по экспериментальным данным. В нашем случае для определения LIVZ были получены экспериментальные данные для значений предела текучести JS В зависимости от температурного и 131 скоростного факторов при осадке цилиндрических образцов высотой h=30мм на высокоскоростном молоте ВСМ2 с начальными скоростями осадки 20м/c и 35м/c. Разница в значениях для JS в температурном диапазоне деформирования 950 Г0 10500С для скоростей 20м/c и 35м/c составила в рассматриваемом диапазоне не более 10%, поэтому с целью упрощения выкладок скоростным фактором при определении JS пренебрегли.
Зависимость предела текучести от температуры деформирования, полученная при осадке цилиндрических образцов со скоростью деформирования v0= 35м/с и степенью деформации =80% Вследствие того, что в нашем случае деформирование происходит при высоких температурах T0=1223К, где предел текучести определяется температурным фактором, то іі =—=18,3МПа (рис. 2.13). Используя найденное значение для /л , а также закон Холла-Пэтча, дадим оценку модуля сдвига для зернограничной компоненты /л .
Локальная мощность пластической деформации определяется выражением (1-fp) r2El+fр т"є, при этом в процессе деформации в условиях всестороннего неравномерного сжатия обычно происходит измельчение зерна, что означает, что мощность деформирования частично расходуется на увеличение суммарной площади границ зерен, что энергетически более выгодно, чем диссипация мощности только на деформирование. Рассматривая локальный объем вблизи границы зерна, в соответствии с изложенным, запишем:
Определение компонентов и оптимизация количественного соотношения состава смазок для формообразования деталей из жаропрочных сталей
Проведенные исследования по определению характера трения и оптимизации состава активных технологических смазок в условиях высокоскоростного нагружения при штамповке заготовок с развитой поверхностью позволяют подвести итоги и сделать следующие выводы.
Если состав смазки обеспечивает наличие разделительного слоя при течении металла по контактным поверхностям, то процесс трения при формообразовании носит комбинированный характер с преобладающим влиянием механизмов гидродинамического и адсорбционного трения. Действие механизмов трения носит аддитивный характер, который зависит от термомеханических параметров формообразования и формы очага пластической деформации.
Экспериментально доказано, что при высокоскоростной штамповке заготовок из жаропрочных сталей и титановых сплавов с развитой поверхностью при использовании обычных не активных смазок процесс контактного трения носит неустойчивый характер, приводящий к дефектам поверхности штамповки.
По результатам анализа применяемых и рекомендуемых смазок (более 70 наименований) для штамповки изделий с развитой поверхностью были отобраны 20 вариантов состава для дальнейшего исследования. В состав смазок дополнительно вводились легирующие компоненты, которые в условиях действия высоких температур и давлений обеспечивали повышенную пластичность поверхностных слоев штампуемой заготовки за счет образования структур внедрения в кристаллическую структуру материала заготовки.
Для оптимизации состава и определения количественного соотношения компонентов активных смазок была разработана методика проведения и анализа экспериментов по высокоскоростной штамповке заготовок с развитой поверхностью – лопаток ГТД и экспериментальных ступиц с радиальными плоскими отростками.
В ходе исследований: 1. Получена статистическая модель эффективности технологических смазок (по параметрам энергоемкости формообразования и шероховатости поверхности) в зависимости от состава технологических смазок и количественного соотношения их компонентов. 2. На основании статистической модели определены оптимальные составы технологических смазок для штамповки заготовок из жаропрочных сталей и титановых сплавов с развитой поверхностью. Наиболее эффективными для условий высокоскоростного формообразования являются безграфитовые смазки на основе водорастворимых поверхностно-активных веществ, с наличием в составе смазки для обеспечения устойчивого разделительного слоя наполнителей, способных к стеклообразованию при температуре деформации и ультрадисперсных антифрикционных наполнителей типа нитрид бора, образующих пластифицирующие эвтектики с материалом поверхности заготовки.
Оптимизированные по составу технологические смазки были рекомендованы для внедрения в производство. Высокоскоростная штамповка с применением оптимизированных смазок сопровождается: - снижением удельной энергоемкости; - снижением шероховатости поверхности и повышением точности деталей; - повышением стойкости штамповой оснастки. 3. Исследована зависимость шероховатости поверхности от коэффициента эффективности технологических смазок. Показано, что коэффициент эффективности и шероховатость поверхности отштампованных деталей находятся в обратно пропорциональных отношениях.
На основе статистического анализа результатов экспериментов по штамповке ступиц с радиальными плоскими отростками с разным углом схождения образующих была получена обобщенная регрессионная модель процесса трения при штамповке импульсными нагрузками, которая позволила получить численную оценку коэффициента трения для различных составов смазок.
В ходе проведения экспериментов было выявлено, что при штамповке заготовок с развитой поверхностью в условиях действия активных смазок степень заполнения ОПД как характеристика антифрикционной эффективности смазки пропорциональна коэффициенту трения и в меньшей степени зависит от формы ОПД.
