Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1. Получение плоских слоистых композиционных материалов из титановых сплавов с прослойками титана и ниобия 6
1.2. Основы промышленных технологий получения многослойных заготовок и листов 7
1.3. Анализ теоретических исследований по установлению силовых и геометрических параметров изготовления плоских СКМ 9
Выводы по литературному обзору 19
Задачи исследования 20
Глава 2. Экспериментальные исследования напряжений и деформаций при получении плоских слоистых композиционных материалов (ПСКМ) 21
2.1. Методика испытаний 21
2.2. Материалы для исследования 22
2.3. Методика изучения механических свойств титановых сплавов 27
2.4. Оборудование и приборы 29
2.5. Экспериментальные исследования качества соединения ниобиевого сплава НбЦУ и титанового сплава ВТ1-00 (технически чистый титан) 32
Глава 3. Условия формирования плотного физического контакта при получении многослойных плоских композиционных материалов 43
3.1, Создание моделей технологических процессов получения слоистых композиционных материалов (СКМ) из неупрочняюгцихся металлов и выбор оборудования для формовки пакетов 43
3.2. Экспериментальная проверка выбора силовых и геометрических параметров формовки моделей двухслойных СКМ на прессах и прокатных станах 50
3.3. Выбор оборудования и разработка моделей технологических процессов получения слоистых композиционных материалов из упрочняющихся металлов 53
3.4. Выбор геометрии пакета и оборудования для изготовления СКМ с заданной прочностью 55
3.5. Отработка технологических режимов и выбор оборудования для изготовления плоских слоистых композиционных материалов с заданной геометрией пакета 58
3.5.1. Получение СКМ из неупрочняющихся материалов 58
3.5.2. Производство СКМ из упрочняющихся металлов для производства СКМ с заданной геометрией 60
3.6. Устойчивость технологических режимов для повышения качества изготовления СКМ со стабильными прочностными и геометрическими характеристиками 67
3.7. Исследование механических и реологических характеристик титановых материалов при диффузионной сварке пакетов для отработки конструкции технологического оборудования и получения качественных плоских СКМ.. 75
3.8. Совершенствование теоретических основ повышения качества диффузионного соединения слоев СКМ и использование ниобия 80
Глава 4. Совершенствование конструкции оборудования и методов получения качественных плоских слоистых пакетов из титановых сплавов 85
4.1. Моделирование кромочного формоизменения получения вакуумплотного двухслойного пакета при одностороннем воздействии инструмента 85
4.2. Моделирование двухстороннего процесса деформирования двухслойного пакета из титана ВТ1-0 и сплава ВТ5 93
4.3. Разработка конструкции оборудования для двухсторонней формовки трехслойного пакета при изготовлении слоистого композиционного материала (СКМ) 100
4.4. Усовершенствование конструкции оборудования с односторонним воздействием инструмента на заготовки для моделирования кромочного эффекта при изготовлении трехслойного пакета 105
4.5. Исследование динамической устойчивости прессового инструмента и оборудования при прессовании слоистых композиционных материалов 112
4.6. Совершенствование прочностного расчета инструмента для прессования плоских многослойных композиционных материалов 117
Глава 5. Методика проектирования конструкции многослойных плоских пакетов из титановых сплавов и технология их изготовления 124
Выводы по работе 131
Список литературы
- Основы промышленных технологий получения многослойных заготовок и листов
- Методика изучения механических свойств титановых сплавов
- Экспериментальная проверка выбора силовых и геометрических параметров формовки моделей двухслойных СКМ на прессах и прокатных станах
- Моделирование двухстороннего процесса деформирования двухслойного пакета из титана ВТ1-0 и сплава ВТ5
Введение к работе
Общие соображения
Развитие специальных отраслей техники вызвало необходимость расширения сортамента новых материалов. Появились разнообразный сплавы титана, и возникла потребность в создании технологии и оборудования для получения многослойных листов из разных титановых сплавов с применением прослоек из титана марки ВТ 1-0 и ниобия. К моменту постановки работ по созданию нового класса многослойных материалов в мировой и отечественной науке и практике был накоплен определенный опыт в области получения высокопрочных соединений из титановых сплавов [1].
Основы промышленных технологий получения многослойных заготовок и листов
Из литературы известно довольно много методов, применяемых при производстве многослойных листовых материалов из легкоокисляющихся металлов и сплавов. Эти методы, в основном, отличаются способами получения герметичных вакуумированных пакетов, что связано в первую очередь с тем, что в России и за рубежом отсутствуют вакуумные прокатные станы, позволяющие изготавливать многослойные крупногабаритные листовые полуфабрикаты.
Авторами ряда исследований предлагаются различные методы защиты контактных поверхностей заготовок, входящих в пакет, от окисления. Например, для пакетов применяются специальные обмазки [4] и производят герметичную заварку пакетов электросваркой [5]. Имели место попытки получить герметичные вакуумированные пакеты путем помещения в их внутренние полости небольшого количества активных пирофорных металлов (геттеров) - кальция, магния, церия и других, способных поглощать при нагреве пакетов под обработку давлением оставшиеся в пакете газы [3]. Однако эти эксперименты успеха не имели из-за попадания окислов геттеров на контактные поверхности заготовок [4].
Одним из перспективных направлений получения трехслойных заготовок из титанового сплава ОТ4-1, ниобия и титана ВТ1-0 является сварка взрывом [6]. Этим методом в институте Гидродинамики СО АН СССР под руководством А.А. Дерибаса и Ф.И. Матвиенкова было освоено изготовление трехслойных заготовок. Сваренные взрывом заготовки потом нагревали до температуры горячей деформации и прокатывали на листы. Из-за сложности управления процессом сварки взрывом в сплаве ОТ4-1 появлялись трещины, в слое ниобиевого сплава выявлялись участки с разрывами и значительными утонениями слоя. Выход годного при изготовлении листов был низким.
Нестабильность процесса получения трехслойной заготовки сваркой взрывом, низкие качество многослойного материала и выход годного потребовали дальнейших исследований по созданию более совершенной технологии.
Данная проблема получила развитие в работах Короля В.К., Кондакова Б.П., Перлина И.Л., Лукашкина Н.Д. [7]. Осуществлялось холодное, а в последствие горячее вакуумирование герметичного композиционного пакета. С созданием промышленного вакуумного пресса диффузионной сварки технология получения таких пакетов получила новое развитие.
Однако пресс не лишен конструктивных недостатков и требует доработки узла распределения давления но контактной поверхности соединяемых металлов и устройства для устранения упругого релаксационного последействия после завершения процесса диффузионного соединения титановых сплавов с титаном и другими металлами.
Плоские многослойные композиционные материалы (ПСКМ) нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Состоящие из двух и более слоев, как правило, разнородных материалов, они не только проявляют свойства составляющих их исходных материалов, но и обладают новыми качествами, определяемыми композиционным сочетанием объединенных слоев.
Достоинством слоистых композиционных материалов является не только повышение надежности, долговечности, эксплуатационных характеристик изделий, изготовленных из этих материалов, но и существенная экономия расходов за счет удешевления производства, уменьшения использования дорогостоящих металлов, значительное упрощение тяжелых конструкций, уменьшение энергетических затрат и улучшения условий службы изделия.
Методика изучения механических свойств титановых сплавов
Для экспериментальной части работы использовалось экспериментальное и промышленное оборудование ВИЛСа и оборудование кафедры обработки металлов давлением МГВМИ.
1. Лабораторный вакуумный пресс диффузионной сварки (ВПДС-1): Объем водоохлаждаемой рабочей камеры, м3 0,5 Вакуумметрическое давление, Па 6,67-И3,7-10 3 Натекание (не более), л-мкм/сек 3 Температура, макс, С 1000 Рабочее пространство, мм 70х100х200 Максимальное усилие, кН 3 00 Нагреватели ленточные нихром Нагрев радиационный Потребляемая мощность, кВт Масса садки, макс, кг 20
2. Промышленный вакуумный пресс диффузионной сварки (БПДС-2): Объем водоохлаждаемой рабочей камеры, м 3 Вакуумметрическое давление, Па 6,67 13,7-10"3 Натекание (не более), л-мкм/сек 20 Температура, макс, С 1000 Рабочее пространство, мм 550x1200x250 Максимальное усилие, кН 2500 Нагреватели ленточные молибденовые (3 зоны) Нагрев радиационный Потребляемая мощность, кВт 250 Масса садки, макс, кг 1000
3. Лабораторный стан «дуо-260» Количество валков, шт , 2 Размеры валков, мм 0260-300 Материал валков сталь 9X2 Максимальное усилие, МН 1,2 Прокатываемый диапазон толщин, мм 1-К25 Скорость прокатки, м/с 0,5 Потребляемая мощность, кВт 40
4. Промышленный стан «трио» Количество валков, шт 3 Размеры валков, мм 0750-1750 Материал валков сталь 9X2 Максимальное усилие, МН 8 Прокатываемый диапазон толщин, мм 5-450 Скорость прокатки, м/с 0,73-И ,47 Потребляемая мощность, кВт 690
5. Лабораторный газостат. Рабочее пространство, мм 0 90 150 Температура макс, С 1300 Рабочий газ аргон Давление аргона при Т=950С, макс, МПа 130 Давление аргона при Т=20С, макс, МПа 70 Материал нагревателей молибден Потребляемая мощность, кВт 150
6. Промышленный газостат КП-379. Рабочее пространство, мм 0 600x1500 Температура макс, С 1300 Рабочий газ аргон Давление аргона при Т-950С, макс, МПа 120 Давление аргона при Т=20С, макс., МПа 70 Материал нагревателей нихром Потребляемая мощность, кВт 800
7. Электрическая методическая печь с принудительной циркуляцией воздуха Применяется для нагрева заготовок под прокатку. Рабочее пространство, мм 1000х 1400x3000 Температура макс, С 550
Потребляемая мощность, кВт 360 Печь снабжена стационарными и переносными КИП и автоматикой поддержания рабочей температуры в диапазоне ±10 С. Загрузочное устройство - выкатная тележка грузоподъемностью 3,5т.
8. Вакуумная печь для отжига подката. Рабочее пространство, мм 0 1000x1700 Температура макс, С 800 Потребляемая мощность, кВт 270 Вакуумметрическое давление, Па 6,67-10"3 Исполнение вертикальное с загрузочной корзиной грузоподъемностью 1,0т, снабжена стационарными и переносными КИП и автоматикой поддержания рабочей температуры в диапазоне ±10 "С.
Экспериментальная проверка выбора силовых и геометрических параметров формовки моделей двухслойных СКМ на прессах и прокатных станах
Проверка теоретических положений проводилась при типовом технологическом процессе после подготовки контактных поверхностей, нагрева заготовок и осадке их на гидравлическом 100-тонном прессе,
Испытание осуществлялось с применением титана марок ВТ 1-0 и ОТ4 при температуре 800С. Для первого материала упрочнение описывается зависимостью сг.п=51 + 6-е0,]П . При деформации до 50% сопротивление пластической деформации изменяется от 51 до 54,7 МПа (в среднем сгТ1=53МПа ). Для второго слоя а.п =89+ 5-є0,24 и при том же диапазоне деформаций изменяется от 89 до 93 МПа (в среднем 92 МПа). Данные получены обработкой результатов исследований [28-31].
Низкий уровень изменения ат (до 4%) позволяет считать данные материалы неупрочняющимися, у которых соответственно тл = ЬЪМПа и а,Г2 = 92МПа и их отношение п- = 0,565.
Как это описано в технологическом разделе, сборка и обработка пакета осуществляется в процессе горячей формовки. Ниже в таблице 11 приведены результаты исследования процесса осадки СКМ в лаборатории кафедры ОМД МГВМИ на 100-тонном прессе.
Анализ результатов показывает, что для четырех пакетов различие теоретической зависимости, определяющей толщины слоев по формуле _ = _ } от экспериментальной не превышает 7,5%. К а,,
Такие же различия установлены при расчете относительных деформаций твердого ет и мягкого м слоев, что подтверждает принятые теоретические допущения.
Проверка теоретических зависимостей получения трехкомпонентного плоского СКМ проводилась при температуре 800С на пакете из малоупрочняющихся материалов при обжатии менее 35%. Для верхнего слоя использовался титановый сплав ВТЗ-1 со средним сопротивлением пластической деформации тп=210М7а, для среднего слоя сталь 12X18Н9Т с аТ2 250МПа и для третьего слоя титановый сплав ВТ8 с а.п = 22ШПа.
Согласно предложенной теории общая: толщина пакета Ко после деформации уменьшилась на Ahn. Первый слой с начальной толщиной h}0 деформировался на величину Ahj. Слой стали толщиной h2o уменьшился на I\h2. Слой титанового сплава ВТ8 (нижний) толщиной h3o получил деформацию Ah3. Общая деформация пакета составила Ahn= ДА/+ А/г2+ А/г3. Умножим и поделим каждую составляющую на свою начальную толщину А/г., и О h = AV + + Ai. откуда Єя = еЛ + + е f«o и О К (43) По нашим исследованиям без упрочнения материала слоев отношения К = -J-,- = -і. Перемножив эти два равенства, получим = - І h2l аг h "ЗА 3
Для стабилизации толщин слоев при горячей прокатке должно быть выполнено условие равенства давлений на контакте аТср1 = тТ2 пср2 = aTi пф ,
По исследованиям Королева АЛ. [41] коэффициент усреднения Б-д 0,5-S {1-е) , где 5 - параметр прокатки, равный S - , / а коэффициент трения, а- угол захвата. По нашим исследованиям коэффициент усреднения может быть представлен в виде пср=1 + Ъв{, где І - обжатие данного слоя. Подставим полученные зависимости в условие устойчивого равновесия слоев сгл (1 + is,) = атг (1 + Зє2) = стгз (1 + 3є3), откуда = аТ1 (І + Зє,) 1 а,.2 З 3 _ , (1 + 3gi) 1 стуз З З (44) Используем относительные деформации слоев для уравнения (43): Vr2 Ъ = і К h ап (1 + Зе,) ф fVn (1 + 35,) Лй,0 "л о V Ті (45)
Уравнение (45) позволяет на основе наших теоретических исследований определить деформации слоев пакета и выбрать исходные заготовки.
Проверка предложенной методики проводилась при прокатке указанных выше материалов на стане Дуо 500. Были выбраны размеры пакета: hn0=l 1,5мм, h/g=2,45мм, /22(j=4,8мм и /7 4,2 5 мм. После прокатки толщина пакета и слоев стали равными: /г„=10мм, hj /=2,0мм, /г2/=4,5мм и /гз./ 3,5мм.
Моделирование двухстороннего процесса деформирования двухслойного пакета из титана ВТ1-0 и сплава ВТ5
Двухслойный СКМ 3 размещен в штампе (контейнере) 2. Верхний плунжер 1 воздействует на верхний торец заготовки пакета на площади a0 х а0.
Нижний плунжер 4 деформирует нижний торец пакета в размер baxb0. В процессе деформации происходит высотное обжатие пакета и одновременная раздача полос до размеров а0 х а0.
В этом случае деформированное состояние двухслойного СКМ является плоским: в горизонтальной плоскости действует растяжение, а по вертикальной плоскости сжатие при h0i« а0.
Это позволяет использовать при расчетах нормального напряжения схему плоской задачи, когда нормальное давление будет равно ан1-ит К С, 1 + { „Л 4hn(l-e;) 7l С, (I- ,) пГКЕІ-КфГК (85) где Ksi - коэффициент упрочнения, определяемый реологической кривой упрочнения; Ki = КЩ1І =А + В-є? Кфі - коэффициент формы, влияющий на распределения давления и приводящие его к среднему значению Кфі = 1 + Крі - коэффициент увеличения площади контакта, KFl , Со - параметр, для верхнего плунжера С0 = д0, для нижнего Cu = bv,.
При установившемся и стабильном процессе по границе раздела верхнего и нижнего слоев пакета устанавливается равновесие усилий на кромках
В данном равенстве начальное усилие ро определяется зависимостью Рп. = ат СІ . Здесь aTQj - сопротивление пластической деформации без упрочнения.
Уравнение равновесия определяет методом итерации определение Pt кр с учетом изменения относительные высотные деформации h высоты слоев hn, величины обжатия каждого слоя %;, жесткости слоев МІ, и упругой раздачи УРІ каждого слоя. Данный алгоритм ниже иллюстрируется составлением модельного решения задачи получения пакета из титановых сплавов ВТ5-1 и ВТ1-0 при 800С, имеющих соответственно начальные размеры: верхнего слоя 100-100-10мм и нижнего слоя 80-80-10мм. Реологические коэффициенты соответственно равны; Кє1=0;8 0,86ь9,88 и K Ofi+l i 76. Для верхнего , для нижнего плунжера 100 4.10(1- ,) плунжера коэффициент формы Кф1 = 1 + 1 &F2 " Коэффициент площади Кп = 4 4-10(1- ) 1 а- ,) а- )
Сопротивление пластической деформации без упрочнения при температуре 900С для титанового сплава ВТ5-1 сгтоі=140МПа и для титана марки ВТ1-0 сопротивление пластической деформации аТо2 80МПа.
По данным величинам определяется начальное усилие на верхнюю плоскость верхнего слоя Рої.в ІОО-100-14=14-104Щ на нижнюю плоскость верхнего слоя Роі.и=80-80-14=8,96-104Н; на верхнюю плоскость нижнего слоя от нижнего пуансона Р .в ЮО-100-8=8-104Н и на нижнюю плоскость нижнего слоя Ро2.н=80-80-8=5,12-104Н. Остальные расчетные данные приведены в табличной форме для различных деформаций Sj (табл. 21) и є2 (табл, 22).
С точностью до — — 100% = 0;96% можно в дальнейшем ограничится 3,65 полученным графическим расчетом относительных стабилизирующих деформаций Sj=0,2 и є2=0,3.
Исследуем качественные технологические параметры рассматриваемой системы. Рассчитаем технологическую жесткость полосы из ВТ5-1: М1 =1,805 -10s Щ . Для определения упругой раздачи полосы определяем усилие сдавливания кромки в начальный момент с упрочнения металла. Определяем кромочное усилие для К х Ке =1 АР01 =Р0,Я-Р0,Я = 2,74-104Яи АРт=РтшВ-Р1М=3,02Л&Н. Упругая раздача определяется по зависимости Р 2 74-Ю4 У„.= —=—! г = 0,158лш для слоя из ВТ5-1. Для слоя из ВТ1-0 " М, 1,805.105 м Р Х А 1 П М, =- ш - = — = 1,217 Л05Н/ и упругая раздача нижней полосы из титана 2 \1-е1 10-0,3 /мм г и З 02-Ю4 марки ВТ-1 равна Уп = - = 0,248мм, Общая разгрузка пакета составит 0,406 Уйй= 0,158 + 0,248 = 0,406 лш , ЧТО соответствует - — = 0,0812 при всей деформации пакета Акп=2+3=5мм.
В заключение отметим, что у предложенной модели раздача составит примерно 8,1% от пластического обжатия. Такая раздача в ,7% 407 = 4,32Раза меньше, чем при модели с однокромочным обжатием при одностороннем приводе, что значительно снижает опасность разрыва на контактной плоскости между слоями. Однако усилие на формирование предложенной модели на данном переходе повышается пропорционально увеличению площади давления 100-100 в - = 2,77 раза. 100 400-80-80
Также следует иметь в виду, что для модели с технологическим обжатием в первом проходе только по кромкам, на втором переходе обжатие будет уже по всей площади полосы. Это приведет к тем же суммарным энергосиловым затратам, но с существенно более низким уровнем раздачи.
Следующей задачей для уменьшения раздачи является совершенствование конструкции пресса с целью регулирования обратного хода верхнего и нижнего рабочих плунжеров.
Ниже на рис. 27 представлена конструкция пресса с двухсторонним гибким приводом прессования. Предложенная конструкция прошла макетную апробацию на кафедре ОМД и МО МГВМИ.
