автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Механическое поведение слоистого материала из титанового сплава ВТ6 при ударном нагружении

На правах рукописи

Саркеева Айгуль Анваровна

Механическое поведение слоистого материала из титанового сплава ВТ6 при ударном нагружении

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (Машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

3 О МАЯ 2013

Уфа-2013

005060754

005060754

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Уфимском государственном авиационном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный

сотрудник

Лутфуллин Рамиль Яватович

Официальные оппоненты: Глезер Александр Маркович

доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное унитарное предприятие «ЦНИИчермет им. И. П. Бардина», директор Института металловедения и физики металлов им. Г. В. Курдюмова

Утяшев Фарид Зайнуллаевич доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук, главный научный сотрудник

Ведущая организация: ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь

Защита состоится «13» июня 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.080.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук, расположенном по адресу: 450001, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук.

Автореферат разослан « 08 » мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Лутфуллин Рамиль Яватович

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Титановые сплавы благодаря комплексу полезных свойств, таких как малая плотность, высокая удельная прочность и коррозионная стойкость, широко применяются в различных отраслях машиностроения и особенно в тех, где выигрыш по массе изделия является определяющим, например в авиации и ракетостроении. Одним из путей снижения массы летательных аппаратов является использование многослойных полых конструкций повышенной жесткости, изготавливаемых методами сварки давлением (СД) и сверхпластической формовки (СПФ). При эксплуатации многослойные конструкции, например полые лопатки вентилятора авиадвигателя, подвергаются воздействию ударных нагрузок, что может вызвать их разрушение. В этой связи крайне важной является информация о поведении материала многослойных конструкций при ударном нагружении. Механическое поведение материала таких конструкций рационально изучать на более простых объектах, в качестве которых можно использовать образцы из слоистого материала, полученного СД.

Особенностью слоистых материалов является присутствие в них поверхностей твердофазного соединения (ТФС). Поверхности соединения могут быть расположены различным образом относительно направления действия ударной нагрузки и соответственно различным образом влиять на ударную вязкость слоистого материала. Также интерес представляют данные о влиянии пор, которые, как правило, присутствуют в зоне ТФС, на особенности разрушения слоистого материала.

На момент постановки работы поведение при ударном нагружении слоистого материала из титанового сплава ВТ6, полученного сваркой давлением, было практически не изучено. В связи с вышесказанным данная работа представляется актуальной и определяется востребованностью решения научно-технических задач, необходимых для развития отечественного авиационного машиностроения.

Цель работы: экспериментально изучить поведение при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой давлением заготовок из титанового сплава ВТ6.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Оценить влияние расположения поверхностей соединения относительно направления действующей нагрузки на поведение слоистого материала при ударном нагружении.

2. Изучить влияние относительной протяженности пор в зоне твердофазного соединения на механические свойства и особенности ударного разрушения слоистого материала.

3. Определить влияние микроструктуры титанового сплава ВТ6 на характеристики ударного разрушения монолитного и слоистого материалов.

4. Разработать рекомендации по изготовлению и использованию слоистого материала из титанового сплава ВТ6 в конструкциях с повышенным сопротивлением ударному разрушению.

Научная новизна

1. Определено влияние расположения поверхностей соединения относительно направления действующей нагрузки на поведение при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой давлением заготовок из титанового сплава ВТ6. Отмечено, что наибольшее сопротивление ударному разрушению оказывает расположение поверхностей соединения, при котором трещина распространяется одновременно через все слои.

2. Экспериментально установлено, что с увеличением относительной протяженности пор в зоне твердофазного соединения ударная вязкость слоистого материала, полученного сваркой давлением заготовок из титанового сплава ВТ6, при распространении трещины последовательно через каждый слой имеет тенденцию к повышению, а при распространении трещины одновременно через все слои - к понижению.

Практическая значимость

1. Разработана и опробована методика получения слоистого материала с изотропными механическими свойствами сваркой давлением листовых заготовок титанового сплава ВТ6.

2. Для титанового сплава ВТ6 в зависимости от типа микроструктуры определены значения работ зарождения и распространения трещины при ударном нагружении. Полученные данные могут представлять практическую ценность при разработке слоистых материалов и конструкций.

3. Разработаны технологические рекомендации по изготовлению и использованию слоистого материала из титанового сплава ВТ6 в конструкциях с повышенным сопротивлением разрушению при действии ударных нагрузок.

4. Разработан новый способ изготовления сферической оболочки из слоистого материала, защищенный патентом РФ № 2380185.

На защиту выносятся:

1. Результаты механических испытаний, демонстрирующие влияние различным образом расположенных относительно направления действующей нагрузки поверхностей соединения на ударную вязкость слоистого материала из титанового сплава ВТ6, полученного сваркой давлением.

2. Результаты исследования влияния относительной протяженности пор в зоне твердофазного соединения на механические свойства и особенности разрушения слоистого материала из титанового сплава ВТ6, полученного сваркой давлением.

3. Экспериментальные данные по оценке влияния количества слоев на ударную вязкость слоистого материала из титанового сплава ВТ6, полученного сваркой давлением.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Планами НИР Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем сверхпластичности металлов РАН на 2009-2011 гг. по теме: «Разработка научных основ интегральных технологий соединения материалов, основанных на сверхпластической формовке и сварке давлением, в том числе с использованием наноструктурного состояния» (№ гос. per. 01200951801); в рамках Государственного контракта № 02.740.11.0128 по ФЦП «Кадры» по теме: «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области создания и обработки композиционных и керамических материалов»; Федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») в Республике Башкортостан» (проект № 12606 и гос. контракт № 6678р/9220 от 23.03.2009); гранта Республики Башкортостан молодым ученым и молодежным научным коллективам (Договор № 8 от 27.04.2012).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на Открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы», Уфа, 2008, 2010 и

2012 гг.; IV, VI и VIII Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники», Уфа, 2009, 2011 и

2013 гг.; XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2009 г.; Международном форуме по нанотехнологиям «Rusnanotech-09», Москва, 2009 г.; II и III International symposium «Bulk Nanostructured materials: from fundamentals to innovations», Уфа, 2009 и 2011 гг.; VI и IX Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, Москва, 2009 и 2012 гг.; V Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тамбов, 2010 г.; Международной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании», Уфа, 2009, 2010 и 2012 гг.; XI Международной конференции «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», Санкт-Петербург, 2010 г; Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», Уфа, 2009, 2011 и 2012 гг; 52 и 53 Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Уфа, Витебск, 2012 г.; Второй Всероссийской молодежной школе-конференции «Современные проблемы металловедения», Пицунда, 2011г.; JINIOR EUROMAT-2012, Lausanne, Switzerland, 2012.

Вклад автора. Соискатель лично проводил структурные исследования, механические испытания, а также принимал непосредственное участие в интерпретации и обсуждении результатов экспериментов, подготовке и написании научных публикаций.

Достоверность результатов подтверждается значительным объемом экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов экспериментов,

интерпретацией результатов механических испытаний на основе данных микроструктурных исследований, а также фрактографического анализа, использованием современных приборов и методов измерения.

Публикации. Основное содержание диссертации представлено в 17 научно-технических публикациях, из них 12 научных статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК России, один патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 150 страницах, содержит 48 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 178 наименований.

Автор выражает благодарность к.т.н. A.A. Круглову за помощь при анализе и обсуждении результатов, научную и методическую консультацию при осуществлении экспериментов.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы. Сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1 Обзор литературы

В данной главе рассмотрены особенности слоистых материалов и конструкций. Описаны современные представления о процессе формирования соединения материалов при сварке давлением. Показано, что свойства твердофазных соединений связаны с наличием характерных дефектов, главным образом пор. Отмечено, что одной из механических характеристик, наиболее чувствительных к наличию пор в зоне ТФС, является ударная вязкость. Наиболее существенное влияние на поведение слоистого материала при ударном нагружении оказывает, как показал обзор литературы, расположение поверхностей соединения относительно направления действующей нагрузки. Принято выделять три основных вида расположения поверхностей соединения, при котором трещина распространяется последовательно через каждый слой, одновременно через все слои и вдоль межслойной границы. Отмечено, что имеющиеся данные имеют противоречивый характер, кроме этого они практически не охватывают область слоистых материалов, полученных сваркой давлением. На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Глава 2 Материал и методики исследования

В качестве исходного материала исследований был выбран широко используемый в авиакосмической промышленности двухфазный титановый сплав ВТ6 (ОАО «Корпорация ВСМПО - АВИСМА» г. В. Салда) стандартного химического состава, соответствующего ГОСТ 19807-91. Данный сплав является аналогом применяемого за рубежом известного сплава Ti-6A1-4V.

Материал использовали в виде объемных и листовых заготовок как в состоянии поставки, так и после различных видов деформационно-термической обработки. Плиты толщиной ~ 30 мм и листы толщиной ~ 0,85 и ~ 1,5 мм были получены промышленной прокаткой. Методом всесторонней ковки прутка 0 50 мм были получены объемные заготовки с ультрамелкозернистой структурой (УМЗ), а последующей изотермической прокаткой этих заготовок были получены листы толщиной ~ 0,35 мм.

Микроструктура плит была неоднородной и состояла из областей с равноосными и вытянутыми зернами а-фазы. Размер равноосных зерен а-фазы варьировался от 2 до 16 мкм, средний размер вытянутых зерен а-фазы составлял ~ 35 мкм в продольном и ~ 8 мкм в поперечном направлениях. Для микроструктуры листов характерным были глобулярные (Гл) зерна а-фазы со средним размером ~ 3,6 мкм. В состоянии поставки микроструктура сплава обозначена как микрокристаллическая (МК). Средний размер зерен в УМЗ сплаве в объемной заготовке составлял ~ 0,5 мкм, в листовых заготовках -0,2 мкм. В результате вакуумного отжига при температуре 990 °С в течение 30 мин была сформирована пластинчатая (Пл) микроструктура без видимых границ исходных p-зерен с толщиной а-пластин ~ 3 мкм.

Слоистые материалы в виде плиты с размерами 220x105 мм получали сваркой давлением заготовок, собранных в пакет. Для изготовления трехслойного материала использовали две заготовки, вырезанные из плиты, между. которыми располагали промежуточную листовую заготовку. Все остальные слоистые материалы изготавливали из листовых заготовок. При этом заготовки укладывали друг относительно друга так, что направление прокатки (НП) в них в одном случае совпадало, а в другом - не совпадало, соответственно угол между НП в соседних заготовках составлял 0° и 90°. Заготовки с разной структурой при сборке в пакет чередовали и располагали друг относительно друга так, что угол между НП в них составлял 0°. Количество слоев в изготавливаемых материалах варьировали от трех до тринадцати. Собранный пакет размещали между силовыми плитами пггамповой оснастки. Между пакетом и верхней силовой плитой устанавливали гибкую мембрану, которая представляла собой герметичный пакет, изготовленный из двух листовых заготовок титанового сплава, снабженный штуцером. Сборку фиксировали клиновым прижимом и помещали в нагревательную камеру печи ОКБ-8086. После достижения требуемой температуры к пакету заготовок прикладывали давление посредством мембраны, в полость которой подавали газообразный аргон. Нагрев, выдержку под давлением и охлаждение осуществляли в вакууме 2х10"3 Па. Основные сведения об исследуемых слоистых материалах представлены в таблице 1. Часть образцов из слоистого материала, полученного при температуре 750 °С, дополнительно отжигали в вакууме при температуре 900 °С в течение 15 мин.

Таблица 1 - Основные сведения об исследуемых слоистых материалах

Количество Структура Температура сварки

слоев слоев давлением, °С

3 МК 800

5 МК 900

13 МК 900

13 МК 750

7 МК 900

7 МК 750

7 Пл, Гл 900

11 МК, УМЗ 600

5 МК, УМЗ 750

Механические испытания проводили на образцах, вырезанных из слоистых и монолитных материалов. Для проведения испытаний на ударный изгиб использовали образцы с размерами 10x10x55 мм. Слоистые образцы отличались расположением U-образного надреза относительно поверхностей соединения. В образцах с «разветвляющим» трещину расположением поверхностей соединения (Р-образец) линия надреза была расположена перпендикулярно поверхностям соединений так, что трещина распространялась одновременно через все слои. В образцах с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения (Т-образец), линия надреза была расположена параллельно поверхностям соединений так, что трещина распространялась последовательно через каждый слой. В образцах третьего вида (B-образец) поверхности соединения были расположены вдоль направления распространения трещины. Из трехслойного материала были вырезаны образцы всех трех видов (рисунок 1), из остальных слоистых материалов - Р- и Т-образцы.

(в)___

Рисунок 1 - Вид трехслойных образцов для испытаний на ударный изгиб: (а) - Р-образец, (б) - Т-образец, (в) - В-образец

Испытания на ударный изгиб проводили при комнатной температуре и температуре жидкого азота на копрах Tinius Olsen IT542M и Instron CEAST 9350 с записью диаграмм нагружения в координатах «Нагрузка -перемещение». Разделение полной работы разрушения (А) образца на ее составляющие - работу зарождения трещины (А3) и работу распространения трещины (Ар) осуществляли по методике, согласно которой площадь под восходящей частью кривой ударного нагружения соответствует работе зарождения трещины, а под ниспадающей частью - работе ее распространения.

Для проведения механических испытаний на растяжение использовали плоские и цилиндрические образцы с размерами рабочей части 4x5x25 мм и

0 4x22 мм соответственно. Испытания проводили при комнатной температуре на универсальном динамометре «Instron-1185» со скоростью деформирования

1 мм/мин.

Для определения механических свойств твердофазного соединения проводили испытания на сдвиг на универсальной испытательной машине Servosis со скоростью передвижения траверсы 0,005 мм/с, используя образцы с размерами 10x10x3 мм.

Измерение микротвердости по Викерсу проводили на приборе Duramin при нагрузке 0,1 кг.

Металлографический анализ осуществляли на оптическом микроскопе «Olimpus» и растровых электронных микроскопах «JEOL JXA-6400», «TESCAN MIRA3 LMU» и «TESCAN VEGA3 SBH». Тонкую структуру сплава исследовали в просвечивающем электронном микроскопе «JEOL-2000EX». Фрактографические исследования проводили на растровых электронных микроскопах «JEOL JXA-6400» и «TESCAN MIRA3 LMÜ».

Относительную протяженность пор (Lp) в зоне ТФС оценивали по формуле:

Lp = (Lp,/L0)x 100%,

где Lpi - суммарная протяженность пор в плоскости шлифа, L0 - длина исследуемого участка вдоль линии соединения в плоскости шлифа.

Кристаллографическую текстуру оценивали по обратным полюсным фигурам, построенным для а-фазы титанового сплава ВТ6. Съемку проводили на дифрактометре ДРОН-4.0 в СиА"а-излучении.

Глава 3 Механические свойства слоистого материала

В данной главе приводятся результаты исследований механических свойств слоистого материала, полученного сваркой давлением заготовок из титанового сплава ВТ6. На примере трехслойных образцов установлено влияние расположения поверхностей соединения относительно направления действующей нагрузки на ударную вязкость, работу зарождения и распространения трещины. Показано влияние относительной протяженности пор на свойства ТФС при сдвиге и на поведение при ударном нагружении слоистых образцов с «разветвляющим» (Р) и «тормозящим» (Т) трещину расположением поверхностей соединения.

Влияние расположения поверхностей соединения относительно направления действующей нагрузки на характеристики ударного разрушения слоистого материала. При микроструктурном анализе зоны ТФС слоистого материала, полученного сваркой давлением двух плит через промежуточный лист, были обнаружены единичные поры сферической формы со средним размером ~ 1 мкм, их относительная протяженность составила ~ 1 %.

Результаты испытаний на растяжение показали, что свойства трехслойных образцов находятся на уровне монолитных (таблица 2), разрушение произошло вне зоны соединения.

Таблица 2 - Механические свойства при растяжении трехслойных и

Образец о^МПа 6,%

слоистый 973±1 18±1 18±1

монолитный 974±7 18±1 19±1

По результатам испытаний на ударный изгиб установлено, что максимальное значение относительной ударной вязкости, определенное как отношение ударной вязкости слоистого материала к ударной вязкости монолитного материала, имеет Р-образец, в котором трещина распространяется одновременно через все слои, минимальное - В-образец, в котором трещина распространяется вдоль поверхности соединения (таблица 3). Ударная вязкость слоистых образцов определяется работой распространения трещины, работа зарождения трещины одинакова для всех видов образцов.

Таблица 3 - Характеристики ударного разрушения трехслойных образцов

Образец ксисм/ксимл1 KCU, МДж/м2 А3, Дж Ар, Дж

Р 1,05 0,57±0,02 21 22

Т 0,93 0,66±0,02 21 30

В 0,7 0,37±0,03 20 7

Влияние пор в зоне ТФС на механические характеристики слоистого материала. Для исследований были изготовлены при температурах 900 и 750 °С слоистые материалы, в которых относительная протяженность пор в зоне ТФС составила менее 1 и ~ 30 % соответственно. Относительная протяженность пор в зоне соединения слоистого материала, полученного при температуре 750 °С, после дополнительного вакуумного отжига при температуре 900 °С составила ~ 15 %.

По результатам испытаний на сдвиг, представленных в таблице 4, видно, что при относительной протяженности пор менее 1 % твердофазные соединения имеют более высокие механические свойства, чем при протяженности пор ~ 30 %. Поры в зоне соединения существенно снижают пластичность и вязкость, и незначительно - прочность ТФС.

Таблица 4 - Механические свойства ТФС при испытаниях на сдвиг_

Lp, % tmax, МПа Ушах, % S, МДж/м2

< 1 502±13 1,34±0,06 0,152±0,012

-30 455±29 0,82±0,05 0,07±0,009

Анализ результатов испытаний на ударный изгиб показал, что дефекты ТФС изменяют механическое поведение слоистого материала (таблица 5). При относительной протяженности пор в зоне соединения менее 1 % более высокое значение ударной вязкости имеет Р-образец по сравнению с Т-образцом. С увеличением относительной протяженности пор в зоне ТФС от 15 до 30% ударная вязкость Р-образца снижается, а Т-образца повышается. При этом Т-образец с относительной протяженностью пор в зоне ТФС ~ 30 % полностью не разрушился. Для его полного разрушения и определения значения ударной вязкости были проведены дополнительные испытания при температуре жидкого азота. В результате испытания образец разрушился, его ударная вязкость составила 2,09 МДж/м2, что почти в шесть раз больше ее значения, равного 0,35 МДж/м2, для образца с протяженностью пор в зоне ТФС ~ 15 %, испытанного при той же температуре.

Таблица 5 - Ударная вязкость образцов с «разветвляющим» (Р) и

Ьр, % КСи, МДж/м2

Р Т

<1 0,66±0,01 0,56±0,01

-15 0,53±0,01 1,19±0,01

-30 0,42±0,01 >3,17±0,01

Изучение диаграмм ударного нагружения (рисунок 2) позволило установить характер разрушения исследуемых образцов в зависимости от относительной протяженности пор в зоне ТФС. На диаграммах нагружения Р-образцов с увеличением протяженности пор в зоне соединения после достижения максимума происходит более резкий спад нагрузки (рисунок 2 а-в), что свидетельствует о быстром характере распространения трещины. Диаграммы ударного нагружения Т-образцов с относительной протяженностью пор в зоне ТФС -15 и ~ 30 %, в отличие от образцов с протяженностью пор менее 1 %, характеризуются наличием нескольких локальных максимумов (рисунок 2 г-е), что свидетельствует о многократности процесса зарождения трещины.

Результаты количественной оценки характеристик ударного разрушения показали (таблица 6), что при относительной протяженности пор менее 1 % работа зарождения трещины одинакова для обоих видов образцов, однако Р-образец по сравнению с Т-образцом имеет более высокое значение работы распространения трещины, что и обуславливает его повышенную ударную вязкость. С увеличением протяженности пор в зоне ТФС работа зарождения трещины в Р-образцах остается неизменной, однако работа распространения трещины снижается, что и объясняет снижение их ударной вязкости. При этом происходит смена соотношения работы зарождения и распространения трещины: последняя становится ниже работы зарождения трещины при протяженности пор в зоне ТФС ~ 15 и ~ 30 %.

0 1 2 3 4 5 Перемещение, мм

5 10 15 20 25 30 35 Перемещение, мм

10 15 20 Перемещение, I

Рисунок 2 — Диаграммы ударного нагружения Р-образцов (а - в) и . Т-образцов (г - е). (а, г)- Ьр< 1 %, (б, д)-Ьр~ 15 %, (в, е)- Ьр~ 30 %

Таблица 6 - Полная работа разрушения (А), работа зарождения (А3) и распространения (Ар) трещины в образцах с «разветвляющим» (Р) и «тормозящим» (Т) трещину расположением поверхностей соединения

Ьр,% А,Дж А3,Дж Ар, Дж

Р Т Р Т Р Т

<1 54,3 41 19,5 19,6 34,8 21,4

-15 42,8 98,4/28,4* 24,4 - 18,4 -

-30 32,5 >240,8/167,7* 20,1 - 12,4 -

*В числителе - значения работы разрушения, полученные при комнатной температуре испытания, в знаменателе - при температуре жидкого азота

На основе фрактографических исследований было установлено, что при относительной протяженности пор в зоне ТФС менее 1 % характер разрушения образцов слоистого материала подобен монолитному материалу (рисунок 3 а, в). Особенностью природы ударного разрушения слоистых образцов с протяженностью пор в зоне ТФС ~15 и ~30% является образование по поверхностям соединений расслоений, которые расположены перпендикулярно направлению распространения магистральной трещины (рисунок 3 б, г). Способность образцов к появлению расслоений возрастает с увеличением относительной протяженности пор в зоне соединения. Все образцы испытанные как при комнатной температуре, так и при температуре жидкого азота разрушаются с образованием вязкого излома ямочного строения.

Рисунок 3 - Изломы Р-образцов (а, б) и Т-образцов (в, г) после испытаний на ударный изгиб при комнатной температуре, (а, в) - Ьр < 1 %, (б, г) - Ьр ~ 30 %

Анализ механического поведения Т-образцов с повышенной протяженностью пор в зоне ТФС позволил установить, что расслоения затормаживают распространение трещины в магистральном направлении за счет ее отклонения. Для дальнейшего развития разрушения необходимо зарождение трещины на новой поверхности. На диаграммах ударного нагружения этому моменту отвечает достижение второго максимума. Плато на диаграмме соответствует распространению трещины в образце до появления в нем следующего расслоения, при котором опять происходит некоторый спад нагрузки. Необходимость многократного зарождения новой трещины и повышенная диссипация энергии разрушения вследствие образования расслоений обуславливают высокое сопротивление ударному разрушению образцов, в которых трещина распространяется последовательно через каждый слой.

Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что максимальное сопротивление ударному разрушению слоистого материала, полученного сваркой давлением заготовок из титанового сплава ВТ6, при относительной протяженности пор в зоне ТФС ~ 1 % оказывает расположение поверхностей соединения, при котором трещина распространяется одновременно через все слои, а минимальное - при котором трещина распространяется вдоль поверхности соединения. С увеличением относительной протяженности пор в зоне ТФС сопротивление ударному разрушению при распространении трещины последовательно через каждый слой имеет тенденцию к повышению, а при распространении трещины одновременно через все слои — к понижению.

Глава 4 Влияние структуры на механическое поведение слоистого материала в условиях ударного нагружения

В данной главе исследовано влияние структуры титанового сплава ВТ6 на ударную вязкость, работу зарождения и распространения трещины. Изучено механическое поведение слоистых материалов, состоящих из чередующихся заготовок с пластинчатой и глобулярной микрокристаллической структурами (слоистый материал обозначен как Пл/Гл), а также состоящих из МК и УМЗ заготовок (слоистый материал обозначен как МК/УМЗ), в сравнении со

слоистым материалом, состоящем только из МК заготовок (слоистый материал обозначен как МК/МК).

Влияние структуры титанового сплава ВТб на характеристики ударного разрушения. Результаты механических испытаний показали (таблица 7), что наибольшую ударную вязкость имеет сплав с пластинчатой структурой без видимых границ исходных р-зерен, что обусловлено максимальной работой зарождения трещины, равной 44 Дж, наименьшую - с УМЗ структурой, что обусловлено минимальной работой распространения трещины, равной 9 Дж. Согласно литературным данным снижение работы распространения трещины при уменьшении размера зерен происходит как за счет менее извилистого пути, так и за счет меньшего объема зоны пластической деформации в вершине трещины.

Таблица 7 - Ударная вязкость (КС1Г), работа зарождения (А3) и распространения (Ар) трещины в титановом сплаве ВТ6

Структура КСи, МДж/м2 А3,Дж Ар, Дж

пластинчатая 0,76±0,02 44 16

глобулярная МК 0,64±0,01 27 24

УМЗ 0,47±0,03 27 9

Механическое поведение при ударном погружении слоистого материала, состоящего из заготовок с разной структурой. В зоне ТФС слоистого материала, состоящего из заготовок с пластинчатой и глобулярной МК структурами, присутствовали единичные поры размером ~ 1 мкм, их относительная протяженность составила ~ 1 %. В зоне соединения слоистого материала, состоящего из МК и УМЗ заготовок, присутствовали поры размером до 10 мкм, а также цепочки более мелких пор, их относительная протяженность составила ~ 18 %. Механическое поведение данных материалов сравнивали с поведением слоистого материала, состоящего только из МК заготовок, в котором относительная протяженность пор составила ~ 1 %.

В Пл/Гл слоистом материале, также как и в МК/МК слоистом материале, Р-образец по сравнению с Т-образцом имеет более высокую ударную вязкость (таблица 8). При распространении трещины одновременно через все слои ударная вязкость слоистых материалов, состоящих из заготовок с разной структурой, является более низкой по сравнению со слоистым материалом, состоящем только из МК заготовок. Данное обстоятельство обусловлено пониженной работой распространения трещины в этих материалах вследствие использования заготовок с пластинчатой и ультрамелкозернистой структурами, характеризующимися более низкой работой распространения трещины, чем МК структура. В Р-образце МК/УМЗ слоистого материала пониженное значение работы распространения трещины также связано с присутствием в зоне ТФС пор относительной протяженностью ~ 18 %. В то же время наличие пор большой протяженности в зоне ТФС обуславливает повышение ударной вязкости МК/УМЗ слоистого материала при распространении трещины

последовательно через каждый слой (Т-образец). Процесс разрушения образцов МК/УМЗ слоистого материала, в отличие от образцов Пл/Гл и МК/МК слоистых материалов, сопровождается образованием расслоений по поверхностям соединений.

Таблица 8 - Ударная вязкость (КОД), работа зарождения (А3) и распространения (Ар) трещины в образцах с «разветвляющим» (Р) и «тормозящим» (Т) трещину расположением поверхностей соединения_

Слоистый материал КСи, МДж/м2 А3, Дж Ар, Дж

Р Т Р Т Р Т

МК/МК 0,86±0,04 0,59±0,03 20 23 50 27

Пл/Гл 0,77±0,01 0,59±0,02 21 22 38 24

МК/УМЗ 0,70±0,02 >1,74±0,01 21 - 33 -

Таким образом, поведение при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой давлением заготовок из титанового сплава ВТ6, при протяженности пор в зоне ТФС, не приводящей к образованию расслоений, определяется структурой слоев. При протяженности пор, обуславливающей образование расслоений в процессе ударного разрушения, влияние структуры слоев ослабевает.

Анизотропия ударной вязкости слоистого материала. Для исследований были изготовлены слоистые материалы, состоящие из тринадцати листовых заготовок, расположенных друг относительно друга так, что направление прокатки в них в одном случае совпадало, а в другом - не совпадало, соответственно угол между НП составлял 0° и 90°. Для проведения испытаний на ударный изгиб использовали Р-образцы. Результаты испытаний показали (таблица 9), что при укладке листовых заготовок без изменения НП в них слоистый материал характеризуется анизотропными свойствами, а при укладке листовых заготовок со сменой НП в них слоистый материал характеризуется изотропными свойствами.

Таблица 9 - Ударная вязкость слоистого материала в зависимости от угла

Угол между НП в листовых заготовках КСи, МДж/м2

Направление вырезки

поперек НП вдоль НП

0° 0,76 0,59

90° 0,67 0,67

В результате текстурных исследований установлено, что в исходных листах титанового сплава ВТ6 присутствует текстура призматического типа (11 20) [10 10]. В слоистом материале, состоящем из листовых заготовок, расположенных друг относительно друга так, что направление прокатки в них совпадает, сформировалась также текстура призматического типа:

повышенную полюсную плотность в плоскости прокатки имеет плоскость призмы (11 20), в НП - направление [10 10], в ПН - базисное направление [0001]. При этом полюсная плотность соответственно равна 5,2, 3,7 и 8,01. Призматическая текстура приводит к анизотропии механических свойств данного материала (таблица 9). В слоистом материале, состоящем из листовых заготовок, расположенных друг относительно друга так, что НП в соседних заготовках не совпадает, повышенную полюсную плотность в плоскости прокатки имеет плоскость призмы (11 20), в НП и ПН - направление [0001]. При этом полюсная плотность базиса в НП равна 5,41, в ПН - 4,84. Практически одинаковое распределение полюсной плотности базиса в НП и ПН определяет изотропность свойств в данном слоистом материале.

Глава 5 Примеры изготовления многослойных конструкций из титанового

сплава ВТ6

В данной главе рассмотрены примеры изготовления с использованием сварки давлением многослойных конструкций из титанового сплава ВТ6, которые при эксплуатации испытывают ударные нагрузки: броневые элементы, трехслойные гофрированные конструкции, сферические оболочки. Разработаны рекомендации по изготовлению таких конструкций с повышенным сопротивлением ударному разрушению.

Для броневых элементов в виде многослойной конструкции важно оценить влияние количества слоев на ударную вязкость. С этой целью были проведены сравнительные механические испытания образцов слоистых материалов, состоящих из семи и 13 слоев. Выявлено, что с увеличением количества слоев ударная вязкость слоистого материала при распространении трещины последовательно через каждый слой имеет тенденцию к повышению, а при распространении трещины одновременно через все слои — к понижению.

При изготовлении сферических оболочек, используемых в качестве сосудов давления, возникает ряд проблем, связанных с анизотропией механических свойств используемого материала. Анизотропия напряжений течения приводит к различным отклонениям от заданной геометрии оболочки, обусловленным неравномерной деформацией в меридианных сечениях. Качество сферической оболочки во многом определяется ее соответствием требуемым геометрическим параметрам. Сущность разработанного способа заключалась в изготовлении оболочки сверхпластической формовкой пакета, каждая половина которого представляла собой слоистый материал с изотропными свойствами, полученный сваркой давлением листовых заготовок титанового сплава ВТ6. Использование такого материала обеспечило в процессе свободной формовки равномерную деформацию по меридианным сечениям. В результате была достигнута равнопрочность в различных меридианных сечениях оболочки, которая служит гарантией ее надежности. Оболочка отформовалась без отклонения от заданной геометрии. Расчетное напряжение, установленное по результатам натурных испытаний на

разрушение внутренним давлением газа, составило 1000 МПа при толщине стенки 2 мм оболочки 0 180 мм.

Некоторые многослойные конструкции, например полая лопатка вентилятора авиадвигателя, в целом содержат все три вида расположения поверхностей соединения относительно направления действия ударной нагрузки. Поэтому при проектировании и прочностных расчетах таких конструкций следует учитывать, что их сопротивление разрушению при ударном нагружении в зависимости от сечения будет различным.

Общие выводы

1. Изучено поведение при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой давлением заготовок из титанового сплава ВТ6, в зависимости от расположения поверхностей соединения относительно направления действующей нагрузки, относительной протяженности пор в зоне твердофазного соединения, структуры и количества слоев.

2. Установлено, что механическое поведение при ударном нагружении исследованного слоистого материала из титанового сплава ВТ6 определяется расположением поверхностей твердофазного соединения относительно направления действующей нагрузки. Максимальное сопротивление ударному разрушению слоистого материала оказывает расположение поверхностей соединения, при котором трещина распространяется одновременно через все слои, а минимальное - при котором трещина распространяется вдоль поверхности соединения.

3. Выявлено влияние пор в зоне твердофазного соединения на механическое поведение слоистого материала при ударном нагружении. С повышением относительной протяженности пор в зоне соединения ударная вязкость слоистого материала при распространении трещины последовательно через каждый слой имеет тенденцию к повышению за счет многократного зарождения трещины вследствие образования расслоений, а при распространении трещины одновременно через все слои имеет тенденцию к понижению за счет снижения работы распространения трещины.

4. Механическое поведение слоистого материала при ударном нагружении определяется структурой слоев при протяженности пор, не приводящей к образованию расслоений в процессе разрушения. Наибольшую ударную вязкость имеет титановый сплав ВТ6 с пластинчатой структурой без видимых границ исходных Р-зерен, что обусловлено максимальной работой зарождения трещины, равной 44 Дж, наименьшую - с ультрамслкозсрнистой структурой, что обусловлено минимальной работой распространения трещины, равной 9 Дж. Сплав с микрокристаллической структурой имеет промежуточное значение ударной вязкости и практически одинаковую работу зарождения и распространения трещины. С увеличением относительной протяженности пор в зоне твердофазного соединения влияние структуры слоев на поведение слоистого материала при ударном нагружении ослабевает.

5. Анизотропия ударной вязкости слоистого материала, состоящего из листовых заготовок, расположенных друг относительно друга так, что направление прокатки в них совпадает, определяется призматической текстурой. Изотропность свойств слоистого материала, состоящего из заготовок, расположенных друг относительно друга так, что направление прокатки в соседних заготовках не совпадает, обусловлена практически одинаковым распределением полюсной плотности базиса в направлении прокатай и поперечным ему направлении.

6. На основе полученных научных результатов разработаны технологические рекомендации по изготовлению и использованию слоистого материала из титанового сплава ВТ6 в конструкциях с повышенным сопротивлением ударному разрушению, а также способ изготовления сферической оболочки, защищенный патентом РФ № 2380185.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Танеева (Саркеева), А. А. Ударная вязкость слоистых полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6 / А. А. Танеева (Саркеева), А. А. Круглов, Р. Я. Лутфуллин // Деформация и разрушение материалов. - 2009. - № 12. - С. 36-40.

2. Танеева (Саркеева), А. А. Слоистый композит из титанового сплава ВТ6 / А. А. Танеева (Саркеева), А. А. Круглов, Р. Я. Лутфуллин // Перспективные материалы. Специальный выпуск. - 2009. - № 7. - С. 79-82,

3. Танеева (Саркеева), А. А. Слоистый материал и его применение для изготовления сосудов давления / А. А. Танеева (Саркеева) // Вестник ТГУ. -

2010.-Т. 15, Вып. 3,-С. 1165-1168.

4. Ganeeva (Sarkeeva), A. A. Layered material manufactured from titanium alloy TÍ-6A1-4V / A. A. Ganeeva (Sarkeeva), A. A. Kruglov, R. Ya. Lutfùllin // Rev. Adv. Mater. Sei.-2010.-Vol. 25.-P. 136-141.

5. Танеева (Саркеева), А. А. Свойства слоистого композиционного материала и перспективы его использования / A. A. Танеева (Саркеева),

A. А. Круглов, Р. Я. Лутфуллин // Деформация и разрушение материалов. -

2011.-№7.-С. 38-40.

6. Танеева (Саркеева), А. А. Разрушение слоистого материала с различным расположением поверхностей соединения / А. А. Танеева (Саркеева), А. А. Круглов, Р. Я. Лутфуллин // Перспективные материалы. Специальный выпуск,-2011.-№ 12.-С. 92-96.

7. Саркеева, А. А. Сопротивление разрушению слоистых образцов с разным расположением поверхностей соединения / А. А. Саркеева // Металлургия машиностроения. - 2012. - № 1. - С. 20-23.

8. Влияние структуры на механическое поведение титанового сплава ВТ6 при ударном нагружении / А. А. Саркеева, А. А. Круглов, Р. Я. Лутфуллин,

B. В. Астанин // Письма о материалах. - 2012. - Т. 2, вып. 2. - С. 99-102.

9. Поведение при ударном нагружении слоистого материала из титанового сплава / А. А. Саркеева, А. А. Круглов, Е. М. Бородин, С. В.

Гладковский, Р. Я. Лутфуллин // Физическая мезомеханика. - 2012. - Т. 15, №5.-С. 51-57.

10. Саркеева, А. А. Механическое поведение при ударном нагружении структурного композита из титанового сплава ВТ6 / А. А. Саркеева // Письма о материалах. - 2012. - Т. 2, вып. 3. - С. 166-169.

11. Influence of interfacial defects on the impact toughness of solid state diffusion bonded TÍ-6A1-4V alloy based multilayer composites / С. M. Cepeda-Jimenez, F. Carrefio, O. A. Ruano, A. A. Sarkeeva, A. A. Kruglov, R. Ya. Lutfullin // Mater. Sei. Eng. - 2013. - Vol. A 563. - P. 28-35.

12. Круглов, А. А. Влияние пор на механические свойства слоистого материала из титанового сплава ВТ6 / А. А. Круглов, M. X. Мухаметрахимов, А. А. Саркёева // Письма о материалах. - 2013. - Т. 3, вып. 1. — С. 12-15.

Прочие публикации:

13. Танеева (Саркеева), А. А. Сверхпластическая формовка сферической оболочки из многослойного полуфабриката / А. А. Танеева (Саркеева), А. А. Круглов, Р. Я. Лутфуллин // Актуальные проблемы естественных и технических наук : сборник научных трудов по материалам межрегиональной науч.-техн. конф. памяти профессора К. А. Валеева. - Уфа : РИЦ БашГУ, 2009. -С. 108-112.

14. Саркеева, А. А. Механическое поведение при ударном нагружении структурного композита на основе титанового сплава ВТ6 / А. А. Саркеева // Актуальные проблемы прочности : сборник материалов 53 Международной научн. конф. Ч. 2. - Витебск : УО «ВГТУ», 2012. - С. 185-188.

15. Саркеева, A.A. Влияние дефектов на механические характеристики твердофазного соединения и ударную вязкость слоистого материала из титанового сплава ВТ6 / А. А. Саркеева // Актуальные проблемы науки и техники. Т. 2. Машиностроение, электроника, приборостроение: сборник научных трудов Восьмой Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых. - Уфа : УГАТУ, 2013. - С. 257-260.

16. Технологические рекомендации. Слоистый материал в конструкциях из титанового сплава ВТ6 с повышенным сопротивлением ударному разрушению / Лутфуллин Р. Я., Круглов А. А., Сафиуллин Р. В., Саркеева А. А. // Уфа, 2013. - 21 с. - Инв. № ТР. 45 ИНЕБ-13.

Патентные документы:

17. Пат. 2380185, Российская Федерация, МПК51 В 21 D 26/02, В 23 К 20/14. Способ изготовления оболочки / Танеева (Саркеева) А. А., Круглов А. А., Афанасьева Н. А., Лутфуллин Р. Я.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт проблем сверхпластичности металлов РАН. -№ 2008114143/02 ; заявл. 02.04.08 ; опубл. 27.01.10, Бюл. № 3. - 13 с.

Подписано к печати 06 мая 2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. Печ. л. 1,0. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж ЮОэкз. Заказ №1058 ИП Назметдинов P.P. Копировальные салоны «A3» 450000,Уфа-центр, ул.Ленина, 16

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет

На правах рукописи

и<?201359403

Саркеева Айгуль Анваровна

Механическое поведение слоистого материала из титанового сплава ВТ6

при ударном нагружении

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (Машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, Лутфуллин Рамиль Яватович

Уфа-2013

Оглавление

Введение..............................................................4

Глава 1 Обзор литературы...............................................8

1.1 Полая лопатка вентилятора авиадвигателя: ее конструкция и технологическая схема изготовления.....................................................8

1.2 Природа образования соединения металлических материалов в твердом состоянии............................................................15

1.3 Характеристики процесса сварки давлением. Сверхпластичность и твердофазное соединение титановых сплавов..............................17

1.4 Особенности микроструктуры зоны соединений, полученных сваркой давлением. Методы контроля качества твердофазных соединений.............23

1.5 Влияние различных факторов на ударную вязкость......................26

1.6 Особенности слоистых материалов. Механическое поведение слоистых материалов при ударном нагружении.....................................33

1.7 Постановка задачи исследования......................................41

Глава 2 Материал и методики исследований...............................43

2.1 Выбор материала и характеристика....................................43

2.2 Методика изготовления слоистого материала...........................44

2.3 Электронно-микроскопические исследования...........................48

2.4 Механические испытания............................................49

2.4.1 Испытания на ударный изгиб.......................................49

2.4.2 Испытания на сдвиг...............................................51

2.4.3 Испытания на растяжение..........................................52

2.4.4 Методика определения микротвердости..............................53

2.4.5 Рентгенографические исследования..................................53

Глава 3 Механические свойства слоистого материала.......................55

3.1 Влияние расположения поверхностей соединения относительно направления действующей нагрузки на характеристики ударного разрушения слоистого материала............................................................55

3.2 Влияние пор в зоне ТФС на механические характеристики слоистого материала............................................................67

3.3 Выводы...........................................................91

Глава 4 Влияние структуры на механическое поведение слоистого материала в условиях ударного нагружения..........................................93

4.1 Влияние структуры титанового сплава ВТ6 на характеристики ударного разрушения...........................................................94

4.2 Механическое поведение при ударном нагружении слоистого материала, состоящего из заготовок с разной структурой.............................102

4.3 Анизотропия ударной вязкости слоистого материала....................110

4.4 Выводы..........................................................116

Глава 5 Примеры изготовления многослойных конструкций из титанового сплава ВТ6................................................................118

5.1 Влияние количества слоев на ударную вязкость слоистых материалов.....118

5.2 Примеры многослойных конструкций................................121

Общие выводы.......................................................131

Список литературы...................................................133

Бведение

Важное место среди современных конструкционных материалов занимают титановые сплавы. Сплавы типа ВТ6 (Ть6А1-4У) благодаря комплексу полезных свойств широко используются для изготовления многослойных полых конструкций методами сварки давлением (СД) и сверхпластической формовки (СПФ). В целом, создавая изделие в виде многослойной конструкции, появляются дополнительные возможности улучшения его свойств.

В процессе эксплуатации многослойные конструкции подвергаются воздействию ударных нагрузок, в результате которых могут произойти значительные повреждения. Например, в результате случайного попадания в вентилятор авиадвигателя посторонних предметов: камней, птиц, - может произойти разрушение полой лопатки вентилятора и обрыв. Для ряда изделий, например головки клюшки для игры в гольф, изготавливаемой также в виде многослойной конструкции, действие ударной нагрузки носит не случайный характер. Повреждения и разрушение многослойных конструкций могут привести к серьезным авариям и материальным потерям. В этой связи крайне важной является информация о поведении материала многослойных конструкций при действии ударных нагрузок для обеспечения их долговечности и надежности, которые определяются главным образом сопротивлением материала развитию трещин. Механическое поведение материала таких конструкций рационально изучать на более простых объектах, в качестве которых можно использовать образцы из слоистого материала.

Существенное отличие между слоистым и монолитным материалами заключается в присутствии в первом материале поверхностей твердофазного соединения (ТФС) большой протяженности. В литературе принято выделять три основных вида расположения поверхностей соединения относительно направления действующей нагрузки: когда трещина распространяется

последовательно через каждый слой, одновременно через все слои и вдоль межслойной границы. При этом сопротивление ударному разрушению слоистого материала является различным. В работах, посвященных исследованию данного вопроса, изложены противоречивые мнения и, кроме этого, они практически не охватывают область материалов, полученных СД титановых заготовок.

В результате сварки давлением титана и его сплавов в зоне контакта соединяемых поверхностей могут присутствовать характерные дефекты, такие как окислы и поры. При этом поры являются наиболее наглядными и легко выявляемыми дефектами. В реальных конструкциях в зоне соединения всегда присутствует остаточное количество пор. Эти поры, как правило, единичны и имеют сферическую форму. При оценке ТФС металлографическими методами исследований в качестве критерия принято использовать относительную протяженность пор. Поры оказывают влияние на механические свойства ТФС. При этом в меньшей степени отрицательное влияние пор наблюдается при испытаниях на растяжение. Наиболее объективным методом испытания является испытание на ударный изгиб. Поскольку ударная вязкость зависит от совокупности факторов, необходимо строго регламентировать условия испытания, оставляя переменным только тот фактор, влияние которого изучается.

Анализ механического поведения слоистого материала при ударном нагружении важно проводить, оценивая не только ударную вязкость, а также работу зарождения и распространения трещины, которые составляют общую работу разрушения. Работа распространения трещины определяет надежность материала, с ее увеличением уменьшается вероятность внезапного хрупкого разрушения. К сожалению, в литературе данному вопросу не уделено должного внимания, что, вероятно, связано с отсутствием современных испытательных машин, позволяющих записывать диаграмму ударного нагружения в процессе испытания.

К моменту постановки настоящей работы была очевидна необходимость проведения исследований механического поведения при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой давлением титановых заготовок,

поскольку они имитируют поведение многослойных конструкций, в частности поведение полой лопатки вентилятора авиадвигателя. В то же время полученные экспериментальные данные могут быть использованы для целенаправленного получения сваркой давлением слоистого материала и многослойных конструкций с повышенным сопротивлением ударному разрушению.

В связи с этим целью данной работы является экспериментально изучить поведение при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой давлением заготовок из титанового сплава ВТ6.

Для достижения поставленной цели были выполнены исследования на слоистых образцах, в которых поверхности соединения были расположены по типу торможения трещины (Т-образец, трещина распространяется последовательно через каждый слой), разветвления трещины (Р-образец, трещина распространяется одновременно через все слои) и вдоль направления распространения трещины (В-образец).

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:

Определено влияние расположения поверхностей соединения относительно направления действующей нагрузки на поведение при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой давлением заготовок из титанового сплава ВТ6. Отмечено, что наибольшее сопротивление ударному разрушению оказывает расположение поверхностей соединения, при котором трещина распространяется одновременно через все слои.

Экспериментально установлено, что с увеличением относительной протяженности пор в зоне твердофазного соединения ударная вязкость слоистого материала, полученного сваркой давлением заготовок из титанового сплава ВТ6, при распространении трещины последовательно через каждый слой имеет тенденцию к повышению, а при распространении трещины одновременно через все слои - к понижению.

Разработана и опробована методика получения слоистого материала с изотропными механическими свойствами сваркой давлением листовых заготовок титанового сплава ВТ6.

Для титанового сплава ВТ6 в зависимости от типа микроструктуры определены значения работ зарождения и распространения трещины при ударном нагружении. Полученные данные могут представлять практическую ценность при разработке слоистых материалов и конструкций.

Разработаны технологические рекомендации по изготовлению и использованию слоистого материала из титанового сплава ВТ6 в конструкциях с повышенным сопротивлением разрушению при действии ударных нагрузках.

Разработан новый способ изготовления сферической оболочки из слоистого материала, защищенный патентом РФ № 2380185.

Глава 1 Обзор литературы

Титановые сплавы благодаря высокой удельной прочности и коррозионной стойкости широко применяются в различных отраслях машиностроения, особенно в тех, где выигрыш по массе изделия является определяющим, например в авиации и ракетостроении. Одним из путей снижения массы летательных аппаратов является использование многослойных полых конструкций повышенной жесткости, изготавливаемых методами сварки давлением и сверхпластической формовки, например полой лопатки вентилятора авиадвигателя. Ярко выраженная тенденция к повышению надежности и безопасности авиационных судов отражается на требованиях стойкости лопаток вентилятора к повреждению в результате удара посторонними предметами.

1.1 Полая лопатка вентилятора авиадвигателя: ее конструкция и технологическая схема изготовления

К вентиляторам современных авиационных двигателей предъявляют высокие требования по уровню аэродинамических характеристик в широком диапазоне условий эксплуатации, по общей массе, допустимому уровню шума. Известно, что вентилятор вносит существенный вклад в суммарную тягу, топливную эффективность силовой установки и массу двигателя [1-6]. К числу основных деталей авиационных двигателей относятся рабочие лопатки вентилятора. Учитывая тяжелые условия работы лопаток вентилятора и их роль в двигателе (надежность и ресурс лопаток обычно являются определяющими надежность и ресурс двигателя), к конструктивным формам лопаток, способу их

крепления в диске, материалам, технологии изготовления и контролю в эксплуатации предъявляют особо жесткие требования.

Большое количество исследований, проводимых ведущими зарубежными двигателестроительными фирмами (General Electric, Pratt&Whitney и Rolls-Royce) подтверждает перспективность и целесообразность изготовления лопаток в виде облегченных широкохордных и их использование в современных двигателях как гражданской, так и военной авиации [7-12]. Несмотря на то, что масса широкохордной лопатки превышает массу удлиненной лопатки с антивибрационной полкой, общая масса комплекта широкохордных рабочих лопаток оказывается меньше, и их использование позволяет применить целый комплекс конструкторских и технологических мероприятий, приводящих к дополнительному снижению их массы. Обобщение мирового опыта показало, что широкохордные лопатки обладают большей жесткостью в сравнении с лопатками большого удлинения с антивибрационными полками. Это позволяет повысить упругий потенциал поглощения энергии лопатками при ударе посторонним предметом и ударную стойкость колеса при попадании в тракт двигателя посторонних предметов, в том числе птиц. При использовании колеса вентилятора с облегченными по массе на 30...40 % широкохордными лопатками дополнительно выявляется их конструктивное и прочностное преимущество: практически решается проблема удержания корпусом вентилятора разрушенных от повреждения лопаток или их фрагментов.

Разработки полых широкохордных лопаток вентиляторов каждой из ведущих мировых разработчиков современных двигателей имеют свои принципиальные отличия. В нашей стране, по существу, работы по созданию широкохордных облегченных лопаток вентиляторов находятся на стадии научно-исследовательских работ. В настоящее время ОАО «Авиадвигатель» совместно с Институтом проблем сверхпластичности металлов (ИПСМ) РАН и ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» проводят отработку конструкции и технологии изготовления полых титановых лопаток вентилятора [13-16].

Фирма Rolls-Royce является единственным разработчиком полых широкохордных лопаток вентиляторов из титанового сплава Ti-6A1-4V, являющегося аналогом отечественного сплава ВТ6, находящихся в эксплуатации с восьмидесятых годов прошлого века. Метод изготовления базируется на процессах диффузионной сварки (ДС) и сверхпластической формовки [7]. Лопатка изготавливается из трех заготовок, две из которых в готовом изделии образуют обшивку (спинку и корыто), третья заготовка, являясь наполнителем, образует ребра жесткости (рисунок 1.1, 1.2). Конструкция лопатки включает в качестве основных элементов перо и замковую часть.

Рисунок 1.1 - Вентилятор дрмгателя фирмы Rolls-Royce (а), полая лопатка вентилятора авиадвигателч (б), поперечное сечение полой лопатки (в)

и

Рисунок 1.2 - Схема соединения заготовок: 1,2- заготовки обшивки,

3 - заготовка наполнителя

Технологическая схема, применяемая фирмой Rolls-Royce, включает следующие основные операции |7]:

а) обозначение на заготовках обшивок участков, подвергаемых и не подвергаемых соединению с заготовкой наполнителя, путем нанесения на поверхность заготовок покрытия, препятствующего образованию соединения, на основе окиси иттрия;

б) сборку заготовок в пакет и его герметизацию по контуру с помощью сварки;

в) ДС заготовок друг с другом путем нагрева пакета и приложения давления (выполняется в газостате);

г) создание во внутренней полости полученного полуфабриката давления рабочей среды для разрыва адгезионной связи между заготовками и покрытием, при этом разрыв адгезионной связи осуществляют при комнатной температуре фиксированным давлением рабочей среды, подаваемой во внутреннюю полость полуфабриката;

д) придание полуфабрикату аэродинамического профиля путем гибки замковой части и скручивания пера;

е) СПФ заготовок путем установки полуфабриката в штамп и создание в его внутренней полости давления рабочей среды (аргон).

Перспективным направлением представляется изготовление методом сварки давлением полой слоистой широкохордной лопатки из титановых сплавов [5, 6, 17]. Конструкция такой лопатки обладает дополнительными конструктивными и эксплуатационными преимуществами, которые обеспечивают возможность: повышения и управления демпфирующими способностями материала лопатки; проведения частотной отстройки лопатки без изменения параметров наружного контура лопатки; повышения живучести (за счет торможения роста трещин в пластичных слоях) и сопротивляемости повреждаемости лопаток при попадании посторонних предметов, в том числе птиц; регулирования механическими свойствами материала лопаток; повышения стабильности прочностных свойств лопатки в целом и управления свойствами материала лопаток в заданных сечениях.

Справедливость приведенных качеств подтверждают результаты испытаний на усталость лопаток, изготовленных из сплава Тл-6А1-4У штамповкой, и моделей слоистых лопаток, полученных диффузионной сваркой листовых заготовок [5, 6]. Оба типа лопаток несли концентраторы напряжений. Результаты испытаний на усталость показали, что при асимметричном изгибе и долговечности более 106 циклов предел выносливости модели слоистой лопатки в два раза выше, чем у штампованно