автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Теоретические положения и технология управления структурообразованием в процессах горячей обработки давлением с интенсивной деформацией

На правах рукописи

Хаймович Александр Исаакович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕМ В ПРОЦЕССАХ ГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ С ИНТЕНСИВНОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 7 АПР 2014

Самара - 2014

005547259

005547259

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» на кафедрах производства двигателей летательных аппаратов и обработки металлов давлением.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Шитарев Игорь Леонидович.

Официальные оппоненты:

Елисеев Юрий Сергеевич, доктор технических наук, профессор, открытое акционерное общество «Металлист-Самара», исполнительный директор;

Кокорин Валерий Николаевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновский государственный технический университет», кафедра «Материаловедение и обработка металлов давлением», заведующий кафедрой;

Яковлев Сергей Сергеевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет», кафедра «Механика пластического формоизменения», заведующий кафедрой.

Ведущая организация: федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации (г. Москва).

Защита состоится 30 мая 2014 г. в 10-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.215.03, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.ПКоролева (национальный исследовательский университет)».

Автореферат разослан «_» _2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Я. А. Ерисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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-342-029г).

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:

1. 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.

2. Разработка феноменологической модели динамической рекристаллизации, устанавливающей связь между размерами рекристаллизуемых зерен (по диаграмме рекристаллизации) и параметрами и коэффициентами, характеризующими состояние деформируемой поликристаллической среды.

3. Прогнозирование структурообразования (изменение размеров зерен в динамике) и апробация разработанной методики прогнозирования при моделировании структуры заготовок лопаток ГТД из а+0 -титанового сплава, изготовленных методом высокоскоростной штамповки с нагревом ниже точки полиморфных превращений.

4. 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+Р -титанового сплава ВТ9 с нагревом исходных заготовок выше точки полиморфных превращений на основе комплексных экспериментальных исследований.

5. 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.

6. 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 ГТДВ.

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 а+р титанового сплава ВТ9. Аналитически смоделировано изменение размеров зерна (по а-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 (ИеорИо! 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 вРМ 8X16. 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+р 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 снижение энергоемкости процесса деформирования титановых сплавов типа ВТ9, ВТ20 и жаропрочных сплавов типа ЭП517Ш за счет микролегирования поверхности заготовки 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 низколегированной 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 экспериментальных диаграмм динамической рекристаллизации. Полученные закономерности позволили 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 методами ВСШ, обладающих либо повышенным комплексом кратковременных механических свойств, либо повышенным пределом выносливости при требуемом уровне остальных эксплуатационных характеристик в зависимости от параметров структуры исходной заготовки, времени и температуры ТВЧ-нагрева заготовки под высокоскоростную штамповку, режимов штамповки и последующей термообработки;

- в разработке методики определения состава активных технологических смазок, пластифицирующих поверхностный слой титановых и жаропрочных сплавов в условиях 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㱄, а также по технологии с нагревом заготовок выше температуры 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 Ка-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 СЛ. 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 «Проблемы и перспективы развития двига-

телестроения» (Самара, 2011 г.). VI Международной научно-техническои 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-техническии форуме, посвященном 100-летию ОАСГКузнецов" 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой научно-технической проблемы, сформулированы цель работы, научная новизна, изложены положения, выносимые на защиту, методы исследования, практическая значимость и реализация работы, приводятся сведения об апробации работы, о публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, дано краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе приведен краткий обзор исследуемых технологий с высокой интенсивностью пластической деформации, дано понятие интенсивной пластической деформации. Рассмотрены базовые подходы к описанию деформированного состояния с позиции математической теории пластичности, изложен современный подход к теории деформирования и существующие методы анализа процессов обработки металлов давлением. Изложены основные используемые в настоящее время феноменологические модели, связывающие напряженное и деформированное состояние при высоких скоростях деформаций. С точки зрения изменения поликристаллической структуры описаны механизмы динамической рекристаллизации. Обоснована постановка задач исследований. Приведены основные свойства а + ß титановых сплавов и бронз в зависимости от термомеханических режимов (TMP) деформирования и последующей термообработки.

Значительный вклад в развитие теории пластичности, методов анализа процессов обработки металлов давлением изотропных и анизотропных материалов внесли Б. Авицур, Ю.М. Арышенский, В.Д. Головлев, Ф.В. Гречников, С.И. Губкин, Г.Я. Гун, Г.Д. Дель, А.М. Дмитриев, Д. Друкер, A.A. Ильюшин, Е.И. Исаченков, Л.М. Качанов, В.Л. Колмогоров, H.H. Малинин, А.Г. Овчинников, Ю.Н. Работнов, Е.И. Семенов, Л.Г.Степанский, А.Д. Томленое, Е.П. Унксов, Р. Хилл, С.П. Яковлев и др.

На основе проведенного обзора работ установлено, что формирование структуры многих поликристаллических сред, в том числе металлов и сплавов при деформации, обеспечивается TMP деформирования и во многом определяется процессом динамической рекристаллизации. Её условием помимо высокой скорости деформации (>10 с ) являются значительные вытяжки (>4) и температуры (>0,4 температуры плавления), что следует учитывать при расчетах технологических параметров процессов обработки

металлов давлением.

Несмотря на большое количество работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям операций формообразования гетерогенных анизотропных сред методами математической теории пластичности, вопросы теории формиро-

вания структуры и анализа напряженно-деформированного состояния поликристаллических сред в условиях динамической рекристаллизации в настоящее время практически не разработаны.

Второй раздел посвящен выводу новой системы уравнений движения деформируемой среды с учетом её зернограничной структуры, в процессе которого был определен способ расчета теплового и напряженно-деформированного состояния исходя из полевых уравнений и экспериментальных диаграмм динамической рекристаллизации. Данные уравнения необходимы для анализа, влияния напряженно-деформированного состояния на динамику изменения структуры в рассматриваемых технологических процессах.

Физическая модель деформируемого поликристаллического объекта представляет собой изотропную по фазовому составу среду в виде локальных конечных объемов (зерен), разделенных границами. Процесс пластического формоизменения зёрен и их границ моделируется как течение 2-компонентной гетерогенной среды с активным взаимодействием 2-х структур - континуальной (внутри зерна) и дискретной (граница зерна). В этой связи, уравнения движения среды должны учитывать термомеханическое взаимодействие структуры зерна и его границы в процессе деформирования. Последнее требование обуславливает применяемые в исследовании подходы при моделировании:

• Анализ фунщий состояния деформируемой среды, которые определяются с помощью термодинамики необратимых процессов и связывают напряжения и скорости деформации.

' Переход от континуальной среды зерна к его дискретной границе с помощью введения операций дискретизации.

' Установление функциональной связи между кинематическими параметрами течения и параметрами микроструктуры.

Обозначим 1, к - индексы узлов координатной сетки (у,к), охватывающей зерно в момент времени I = 0, щ, п, р — индексы узлов второй сетки (ш,п,р), перемещаемой вместе с границами зерна.

Для любой материальной точки, лежащей на границе зерна, применим принцип аддитивности пластического течения, согласно которому скорость й массопереноса поликристаллической структуры происходит как суперпозиция поля скорости у„ 1 = 1,],к массопереноса локального объема внутри зерна и поля скорости Ди>х,5 = т,п,р миграции границы зерна, которое вызывает изменение его формы и размеров (рисунок 1).

= . =(!-/>, , (1) где коэффициент структурообразования / для каждой точки среды с координатами определяет, какой удельный объем С!1"" в этой точке перемещается подобно континуальной составляющей, а какой -П(ш)) мигрирует вместе с границами зерна. Если миграция (перемещение) границ зерна отсутствует, то / = о (как в центре зерна), соответственно, на границе зерна /р стремится к некоторому максимальному значению /„->/„". Для того чтобы сохранить локальную непрерывную топологию

уа-/„> - ¡РНЛ

[__3.fi'"-"

Рисунок 1 - Папе скоростей материальной частицы н положение узлов координатных сеток П.¡-к) и ("т.п.о) в момент времени Н-бг

среды как континуума, введем параметр дискретизации 8. такой, что 5' ->1 - в точке на границе зерен, <5„ 0- в точках внутри зерен. В этом случае:

Н.р)

М-г ®

Очевидно, что / является статистической величиной. Принимая во внимание принятые обозначения, условия динамического равновесия системы континуальная среда - зернограничная структура запишутся в следующей форме:

Чу -Р[0"/>« -С/, +ЯС"")Ли',]/ =0. (3)

где аЦ и а-"- соответственно компоненты тензоров напряжений, относящихся к континуальной и зернограничной составляющим деформируемой среды; - изменение локального объема, вызванного миграцией границы зерна; сила взаимодействия между 2-мя составляющими деформируемой среды; р - плотность деформируемой среды (принята инвариантной). Здесь и далее в нижнем индексе при переменных принято обозначение оператора , так что, для компонентов тензора ач в пространстве О, с учетом соглашения Эйнштейна для повторяющихся индексов обозначаеТСя ^.,=¿(1^

Неизвестную величину взаимодействия Ра в (3) определим, пользуясь методами термодинамики необратимых процессов. Общая энтропия в в объеме О'"-""' среды распадается на энтропию 5,, изменяемую окружением через поверхность , ограничивающую рассматриваемый объем, и необратимо возрастающую энтропию По неравенству Клаузиуса - Дьюхема:

¿1 =5-5,20-

Неравенство (4), преобразованное к локальной форме на границе зерна, приводит к неравенству:

ао. (5>

где д -удельный поток тепла, с - теплоемкость.

Дифференцируя второй член в (5), приходим к соотношению:

¿Г = X'" +[<?,, - - рсЩЬ.туЛ'л

Множитель [?/)—рсДи^ЛГ,] в (6) представляет собой дифференциальное уравнение теплопередачи, которое мы определим из первого закона термодинамики.

Опуская вывод уравнения баланса энергии, приведем первое качало термодинамики для локального объема, решая его относительно внутренней энергии £У: и = +<¿,7/,)+^ДЛА^, -(1 -/>,]-(?,., + рсАТМ) (?)

8й(т"р) =р<5П(07Р,[Аи.,^+сЛГ] где {<51; =0 при _/, 5^=1 при«= ]} - символ Кронекера.

Из (7) видно, что изменение внутренней энергии вызывается работой, производимой внешними силами (слагаемое в первых скобках), внутренним трением, вызванным перемещением границ зерен (второе слагаемое), а также теплом, проводимым и

передаваемым (последнее слагаемое). Второе уравнение в (7) связано с изменением внутренней энергии ей"*', вызванным переносом тепла при миграции границ зерен, и изменением массы «5П<™-"-'", локализованной у границы зерна. Из (6) и (7) следует:

~~+1<г;с;(\~/р)+а^/р+-о-/„>,]]!-[?,-рсд^дпд^ ± ^0.(8)

Второе слагаемое — в (8) определим через свободную энергию Гельмгольца:

^ = которую представим в виде функционала ^ = ), такого, что

существует линейная комбинация ^ = В этом случае изме-

нение свободной энергии Б будет равно:

дг

№

где ¿. = е:( -з. ё - компоненты девиатора скорости деформации, ¿=-¿¿8 С учетом (9) неравенство (8) примет вид:

ВС "

3 ■

+5- , (9)

О-Л)

IV

{"'•-Щ^кп}'

Поскольку, как следует из (10), справедливы определяющие соотношения

(10)

-+—г5,,, о, =

а/" а*-*. I

+ « и неРавенство

* ^.'-«.О а*' <

влечет за собой выполнение закона теплопередачи

д, = -АДГ,+/>с4и>,АГ, (Л)

то зависимость (10) выполняется тождественно, если

^ = ^ [/рА^,-(!-/>,] 2 0, (12)

где - функция диссипации мощности, связанная с затратой энергии на структурооб-разование, вызванное относительным (по полю скоростей Дм;) движением границ зерен. Учитывая выполнение неравенства (12), можно записать разложение /"„ в ряд:

= X - 0 - /„>, « е Л/, откуда, принимая во внимание первый член ряда при

п=1, имеем:

Ра=Ьи, ДИ-,-(1-/„)У(], (13)

где Ь - коэффициент, учитывающий сопротивление внутреннему трению, будет определен далее из обобщенного уравнения теплопередачи.

Свободная энергия Б есть скалярная величина инварианта состояния скоростей деформации и температуры. В общем случае: = /;,/;,/;,г,о, в частном:

где инварианты: Г2 -3„П-

Разложим Рв ряд Тейлора в окрестности естественного состояния по отношению к кинетическим переменным и времени деформирования и пренебрегая членами выше второго порядка для кинетических переменных и членами выше первого порядка для времени Ь

, гГ0.0,0,Т) /р 5г^"(0,0,0,0,л1,.Л . * ^(о,о,о,о,7>(1-/,)|[ ^-^-

_ ,, г(а^чо,О.О.О.Г), Л а'Г(0,0,а,0,п)л.^, , </д2/"" (0.0.0.0. Г) .....Л Г5^(0,0,0.0,т) /, а^"(0,0,0,0,Г)У|„.г ,

-5=5 ;1 Т[ ее/,-)2 а-/,) ЭД')2 (15)

/„ э'гчо.о.о.о.г),^,

Определим

где ц, гГ - коэффициенты свойств материала.

Первое слагаемое в (16) зависит от параметров течения среды в области, локализованной у границы зерен, второе слагаемое определяет степень влияния континуальной компоненты на зернограничную составляющую, а третье - характеризует вязкоте-кучесть приграничного слоя.

Определив значения частных производных от И в (15) в точке (0,0,0,0, Г) как характеристики свойств материала и произведя действия над (15) и (16) аналогичные действиям (8) - (11), получим определяющие соотношения для деформируемой поликристаллической среды:

I

а"» а' =|<т £2

' (17)

где ¿1,е; - интенсивности скоростей деформаций для континуальной и зерногранич-ной компонент, ¿; ¿; 4- 4 " м°ДУли сДвига Д™ континуальной и

3 3 £2 Ег

, Г (0,0,0,0„ (г>ггчо,о,о,о,г)

зернограничной компонент =1-——-^Ми 5^1

а2Г (0,0,0,0,Г) _ модули 0бЪемиой деформации для ссответст-(3/,Г (91 ¡)2

вующих компонент среды; ¿¡V инвариант, соответствующий средней за процесс деформирования интенсивности скорости деформации; коэффициенты теплового

расширения и тепловой миграции границ зерна.

Для определения коэффициентов из (17), характеризующих теплофизические свойства компонентов деформируемой среды, введем функцию Гиббса в, выражен-

ную через работу деформирования:

С = (18)

Определим в в терминах напряжений, для чего подставим определяющие соотношения (17) в (18), откуда получаем:

а=о(<т>;)- ¡¿г'^сгт. (19)

Г, т„ 1

Выразим изобарную теплоемкость Са через энергию Гиббса в:

Произведя дифференцирование (20) с учетом значения для О в форме (19), получаем различия в специфическом тепле при постоянном давлении С„ и объеме Сп:

с:-са = ш<)гт, с;-с-=з^«)гг

с„-с0 =(1-/р)(с;_с-)+/дс;-сп") ( }

Откуда имеем: ... с:-О. . с:-С'

V =-

(22)

3 <Г " 3 а'яТ

Из зависимости для материальной производной внутренней энергии й следует гё"=3[а-/>;ё'+/,,у;с,)]Г+с(/=^п[/рАч-Ц-Г^-д^+рсАТ^ч, что совместно с (22) и законом теплопередачи (11) приводит к выводу обобщенного уравнения для передачи тепла в поликристаллической среде:

А^лГ+^Д»- -(!-/>,] = СпдГ+/р+(!-/ (23)

Для коэффициента Ь из закона движения поликристаллической среды в форме (13) можно получить оценку, если рассмотреть (23) в стационарных условиях изотермической выдержки на границе зерна:

(24)

(Л -Л"',)

где п определяет среднестатистическое направление изменения размера зерна при динамической рекристаллизации ( л = 0 - зерно возрастает, л = 1 - убывает л ).

Принимая во внимание (24) и учитывая тот факт, что основной объем деформируемой сплошной среды приходится на континуальную составляющую, а коэффициент структурообразования носит дискретный характер, уравнение теплопередачи равносильно системе:

ЯУ2д7* = спдГ+ * " ¿' - внутри зерна.

"" , (25)

, -(!-/;)>',)- „ в' ..

-, .—п-о„Д;. =—— - в локалыши области у границы зерна.

(/„•д«-,) 'К

Коэффициент тепловой миграции фаницы зерна найдем, используя феноменологический подход и предполагая, что размер зерна пропорционален функции, описывающей диффузию:

а~ЛГ)=ат

ехр(д(г„ 7"}

(26)

где 0 - энергия активации самодиффузии, Я- универсальная газовая постоянная, а,., о, - постоянные коэффициенты.

Представив последнее уравнение в (25) в дифференциальной форме

с!с« =(-1)°«С | <1Т> Л=и заменив дифференциалы на конечные приращения,

после преобразований получаем систему уравнений, описывающих процесс динамической рекристаллизации при изменении размера зерна в направлении оси I от до 4.

^ = (-1)4 ^{Х-а^Г-)1 Л =/о*.„

при </,=«/_ /0 =/„,*„.=!, 4=(/ед

> «« =«Г,2"

ехрГ^Г -!---1

(^273 Г,

(27)

где неизвестные коэффициенты и = (/ф)0 (!-/„"), я2=-

1-/;

находятся экспериментальным путем по диаграммам динамической рекристаллизации; Т,ТС - текущая температура и некоторая реперная температура, определяемая экспериментально.

Визуализации математических моделей динамической рекристаллизации по (27) представлены на рисунке 2. Модели получены при априори принятых значениях коэффициентов п=1, «0= 0,001. Рассчитанные коэффициенты и соответствующие им статистики приведены в таблице 1.

Рисунок 2 - Поверхность динамической рекристаллизации (визуализация математической модели) и экспериментально полученные точки: а - для горячей прокатки стали ЭИ437; б - для горячей осадки титанового сплава ВТ9

Таблица 1 - Расчетные коэффициенты математической модели динамической рекристаллизации

Обозначение коэффициента Значение коэффициента Стандартное отклонение Коэффициент Стьюдента №

Сплав ЭИ437. мер зерна - = а3=1, аГ = 1,2 ТО"5, ^=30,67 1 03К, начальный раз-16 мкм. Степень достоверности модели - 78%

«I 0,156 0,00459 33,891

аг 2,571 0,2913 8,824

К 1073,09 88,4839 9,042

Титановый сплав ВТ9. а, =1, аТс = 0,9 ТО"5, ¿=38.7-103К, начальный размер зерна - </0 =20 мкм. Степень достоверности модели - 90%

0,141 0,00097 145,541

"2 0,565 0,09272 6,095

т. 1191,465 16,4696 55,767

В итоге мы имеем 32 параметра, характеризующие состояние деформируемой поликристаллической среды в локальной области:

• 3 компонента скорости перемещения среды v;.;

• 3 компонента скорости миграции границ зерен Дw,;

• 6 компонент тензора деформации сплошной среды е°

• б компонент тензора напряжений a"t в области, локализованной у границы

зерна;

• параметр структурообразования /р;

• приращение температуры дг в процессе деформирования;

• коэффициенты входящие в модули сдвига для основного материала и материала локализованного у границы зерна;

• коэффициенты , характеризующие реологические свойства материала локализованного у границы зерна;

• * модули объемной деформации основного материала и материала локализованного у границы зерна;

• cn,cp,a^,al,k"T - соответственно удельные изохорные и изобарные теплоемкости, коэффициенты теплового расширения, коэффициент преобразования энергии пластической деформации в тепловую;

• закон изменения плотности р = p(x,,t).

Указанным 32 параметрам соответствуют 32 уравнения движения деформируемой поликристаллической среды, которые их связывают в единую модель:

• 2 уравнения непрерывности:

Р.,= -[/»/,(*>•!-vJb , (для несжимаемой среды v„=0),

«4"*" = /,(3*"=;

• б уравнений движения (равновесия) в форме (3) с входящим в них законом движения (13) и (24);

• 14 физических соотношений связи между напряжениями и скоростями деформаций вформе(17);

• 2 соотношения связи между изобарной и изохорной теплоемкостями (21) с учетом с;«с;=с„ С„ = С„ = Са и одна зависимость (26) для коэффициента тепловой миграции границы зерна а;;

• уравнение теплопередачи в виде (23) или (25);

• известные справочные или экспериментально полученные значения констант и коэффициентов с„с(,,аг.,р = рЦ,/);

• уравнение преобразования энергии пластической деформации в тепловую

Для определения коэффициентов связи между кинематическими параметрами движения поликристаллической среды и её микроструктурой установим функциональные зависимости между полевыми параметрами, описывающими миграцию границ зерна, и геометрическими параметрами микроструктуры, которые можно получить средствами оптической металлографии. Зададим 12 коэффициентов связи вида

A«>=Q(v,): - 3 коэффициента, /,'=/„—+/„ /,' = /,.,—+- 9 коэффициен-

Vl VU vi,l

TOB, где / тогда:

Aw, v( Aw, vf

Ли',,

=л«;. =|с/,Ч,+/>,.<)

Введем некоторые функции у/,,^,,, такие,

что выполняется,

- ^ "и , У,

Ди,< V, V,

Дм»,

=-+-2-, тогда при условии /„=/,' справедливы зависимости:

(29)

Величину ^ можно найти из условия минимума мощности пластического деформирования. Если, например, положить = 0, что равнозначно ^ =о, то получаем:

¿;=//; (зо>

Физический смысл величины цг, иллюстрирует рисунок 3, где /у/,- скачок скорости деформации ¿" вследствие деления зерна при достижении критического значения (г")^.

= " аппроксимирующая (сглаживающая) кривая, где - коэффициент чувстви-¿."((¿;)„) е, тельности зернограничной структуры к ин-

„ „ " " ' тенсивности деформации. Определим коэф-

Рисунок 3 - Зависимость ¿;ог ¿; с учетом фициента ^ таким образоМ) чтобы их М0Ж[0

рекристаллизации: сплошная линия-деист- бьцю найти П0 изменению размер0в зерна в

1 1

П

- — 'р | : 1 д£,'

< .л 1М ц>;

вительная кривая рекристаллизации; штриховая - аппроксимирующая зависимость

трех проекциях.

Пусть кс, = (1+5чп(^)(к'м К, --%-))> тогда для 3-мерной дефор-

мации имеем:

к'

- матрица коэффициентов,

(31)

• - уравнения связи коэффициентов.

к***.

Ки :

к'

К

о

- г _

~ /Т"» .

Из условия постоянства объема зерна с размерами по осям «/„: =</,*/Д и уравнения динамической рекристаллизации в форме (27) следует зависимость:

1-«г

И?Т1

= п

¡-а,

1-

/;л

(32)

где аг=(/ч,)1>.(1-/р.а:-(Г-Т.)

Всего имеем 7 неизвестных величин (6 коэффициентов ¿„""'и 1 коэффициент /0). Их связывают 4 зависимости: 3 уравнения (31) и уравнение связи размеров (32). Следовательно, для определения неизвестных коэффициентов нам потребуются 3 ортогональные плоскости среза микроструктуры, проходящие через орты 1 ¿к.

Для плоского деформированного состояния:

¿,: =ли: =/„(1+5£п(с,=о,5*, (зз)

В соответствии с (29), vЧ*,) = sgn(£,;)*£;. В результате установлены линейные функциональные зависимости, которые связывают скорости деформации зерно-

граничной и ¿1 континуальной компонент поликристаллической деформируемой среды через коэффициенты к~", определяемые по параметрам микроструктуры.

Рассмотрим 3 коэффициента/,, полученные из уравнения динамической рекристаллизации, описывающие связь между е',Ди>,/а (соотношения (29)-(33)) и определяющие соотношения (17). В итоге после подстановки этих зависимостей в (3) получаем 6 уравнений движения деформируемой поликристаллической среды в форме (34): +о-;-Л>;дг„ +Fa -p(i-/„K,=о,

Таким образом, 6 уравнений (34) связывают 3 неизвестные компоненты скорости течения среды v,, 3 неизвестных величины градиента гидростатического давления сг,, 3 компонента внутреннего усилия структурообразования Fn =г>[/Д-(1-//)Ж (с —с )АТ

^=(-0" -у f.у у и' если ДЛЯ больших скоростей деформаций пренебречь теплопередачей из локального объема, закон преобразования энергии пластической деформации в тепловую энергию лГ^ = к"те"2.

Третий раздел посвящен экспериментальным и теоретическим исследованиям, связанным с разработкой и апробацией технологии формирования микроструктуры a+ß титановых сплавов, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств отштампованных изделий, полученных высокоскоростным объемным деформированием в области температуры полиморфных превращений Т„.

В технологически осуществимом диапазоне значений степени деформации е и скорости деформации с определялись значения температуры деформирования Т, при которых удаётся получить минимальное зерно без потери пластичности. Целевая функция исследований - минимальный размер рекристаллизованного зерна /(*) = /(Г,е,е/), которая отображает область допустимых значений X на область эксперимента У при высокоскоростной осадке цилиндрических образцов из ВТ9 с предварительным нагревом исходных заготовок ниже температуры полиморфных превращений Г,:

/(Г,Е^):Х(х\е(ГЛ<^,Т>Т^т7>еУ, " (35)

где Т = Т(е,е) - искомая функция, удовлетворяющая критерию поиска.

/(Г,<?,£,)-» min , Y = {x\0<T<Tl,°C, 0<г<100%,. 5-lOV <ё<3-10V}

Решение этой задачи по поиску оптимальной температуры деформирования T«m=f(ß>£) было получено при анализе на экстремум экспериментально полученных и аналитически оцифрованных диаграмм динамической рекристаллизации. Решение представлено в форме зависимостей (37) и графически - на рисунке 4. [^=2,071^+790,4,

_ ^ pft^Jnrato

Ьдоп fc 1

V К

Т^ >8,621-22,21^ +0.241Ё при ^<85%, (37)

7^>950°С при ^,>85%,

m"c<OL,,Tdan)<TX-

где коэффициент неравномерности деформации ки =епшх/е - есть отношение максимальной локальной степени деформации ет к общей степени е. Для высокоскоростной осадки К = (А )„„„,„, экспериментально определен: к, =(К)т = 3,233+0,254 10"3е2+0,59-10 -«Г^

Таким образом, при высоких степенях деформации (70% и более) оптимальной температурой деформирования с точки зрения получения мелкозернистой структуры можно считать температуру в диапазоне 900°-950°С для штамповки в а + р области со скоростью деформаций не выше 5-Ю2 с'1

. да

___'' 9541 , X м у -Г/: в В '

. ; -у —

„Р:

х- > ;

. йаЬ

/ ; м -гщ ].....- .Л-1-*---.!-......и - .... ; ....

С сишм, Ае^рдазду. -95

Рисунок 4 - Зависимость оптимальной температуры деформирования сплава ВТ9 от степени и скорости деформации. Кривые ограниче-

В обозначенном температурном диапа зоне было произведено аналитическое моде- .„^^.„д^шр», лри^шраничс лирование микроструктуры, полученной при ния минимальной температуры деформирова-высокоскоростной штамповке компрессор- ния;в =5-102с"1; 2- £ =1,33-103с'1; 3-е ных лопаток из а + р титанового сплаваВТ9. = 2,17-Ю3 с"' ; 4-е =3-103 с

Моделирование проводилось в 2 этапа. Целью моделирования является определение изменения отношения размеров зерна в продольном и поперечном направлении с! = б/,■/<1у (относительное удлинение зерна) в динамике в зависимости от степени деформации по известному уравнению динамической рекристаллизации и одному значению А , найденному при анализе микроструктуры на этапе 1.

Этап 1. Средствами электронной микроскопии исследуется изменение геометрии (максимального из размеров) первичной а-фазы в зерне отштампованной заготовки лопатки в 2-х областях (рисунок 5).

Этап 2. Исходными данными для расчетов являются значения постоянных и коэффициентов уравнения динамической рекристаллизации (таблица 1), технологические параметры (таблица 2) и начальные значения относительного удлинения зерна и коэффициента чувствительности к виду деформированного состояния

= ¿начальное* )о = £„„,„„,„ • Значение Л

^шт¡ЯН

принимают равным =(1,2-1,5по

данным исследования микроструктуры.

Используя уравнение динамической рекристаллизации, последовательно рассчитывают размеры деформированной а-фазы. Каждое последующее значение степени деформации (деформации или скорости деформации) при котором производятся расчеты, получается из предыдущего изменением на величину не более 1015%. В качестве начальных приближений

1 ,1 £Г _ „ — 1 и^упип - ЧЧ'.П Г.СП 1Ы МПКГН>СГПУЬТУРЫ

<*ЛКХ берутся значения ё ,(*„) предыдущего пера лопатки 9 ступени из ВТ9 вприком-этапа. Алгоритм моделирования приведен на левой области на продольных (а) и попе-рисунке 6, а результаты расчетов - в таблице 3. речных (б) темплетах

Рисунок 5 - Фрагменты микроструктуры

Ь=1+0,5вЛ(е£,Г

Л = 1

( /ср ) 0 . ^ ' ^ ^ср >0

J а

*=1-л

(я 1,273 Ть)/ ' "1

4 =

Ч ,

(/А=-

1«Л («О."

г. %).=

Рисунок б - Алгоритм расчета размеров динамически рекристаллизуемого зерна

Таблица 2 - Исходные данные для расчета динамической рекристаллизации

Технологические параметры деформирования Параметр микроструктуры Оцениваемый параметр

Коэффициент вытяжки в замковой части Л Начальный коэффициент вытяжки А. Ковочная температура То, К Размер а:-фазы в исходном зерне, мкм Начальное приближение относительного удлинения а-фазы зерна г/ = г/,- /(1 ^

2,00" 1,1" 1223 4,2 3""

* Если Я > Я^ , то Я = Ашж, где Я^ - максимальная вытяжка, при которой определено уравнение динамической рекристаллизации. ** здесь соответствует критической деформации, при которой проявляется динамическая рекристаллизация. *** по результатам анализа микроструктуры с? =(1»1""2)-*/„1вив„.

Таблица 3 - Расчетные размеры зерна после деформации

Размер зерна до деформации Размер зерна после деформации

Начальный размер зерна йа, мкм поперечное направление с!, мкм продольное направление , МКМ средний размер

4,064 2,010 2,858

4,2 Относительная погрешность, %

-1,8 2,7 0,4

Экспериментальное обоснование оптимальных параметров штамповки лопаток ГТД высокоскоростным объемным деформированием с индукционным (ТВЧ) нагревом исходных заготовок выше точки полиморфных превращений проводилось с целью получения структуры лопаток с повышенной длительной прочностью без снижения кратковременных механических характеристик. Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:

- определение допустимых параметров (температуры Тдеф и времени выдержки О ТВЧ-нагрева под деформирование по критерию полноты и гомогенности полиморфного превращения с ограничением по росту зерна;

- определение оптимальных режимов 2-ступенчатого последеформационного отжига по критерию максимизации предела длительной прочности с ограничениями по предельным отклонениям для остальных механических свойств.

Результаты исследования влияния способа и температуры нагрева исходных заготовок на динамику роста зерна отражены на рисунке 7 и в таблице 4.

Температур ТВЧ нагрева, °С

Твмпврлтуоа ТВЧ ивф»яа. °С

Рисунок 7 - Зависимость величины зерна с1 от температуры Г ТВЧ-нагрева исходной заготовки из ВТ9 025x72 мм за время с = 63с, а - торец заготовки, б - среднее сечение заготовки

Таблица 4 - Показатель динамики роста зерна

Показатель динамики роста зерна =

Температурный интервал, С"

970 ....1000

1000....1020

1020....1060

Де1г .середина образца

Ad мкм АГА/' град-с

0.05

0,04

0,03

Aew,торец заготовки

0,01 0,18

0,048

Температура ТВЧ-нагрева, при которой происходит выравнивание размера зерна по сечению заготовки и наблюдается сближение динамики роста зерна, превышает значение Г>1020°С, что оптимально с точки зрения гомогенности микроструктуры по сечению заготовки. При температуре выше Т=1040 С наблюдается повышенный рост зерна.

Методами оптической металлографии и рентгеноструктурного анализа произведены исследования влияния температуры, скорости нагрева и времени выдержки на структуру исходных заготовок из ВТ9 и их фазовый состав (рисунки 8 и 9).

ЯИШШн ММ х ш (штшнши ВШшшМЕюШ

тшшш ¡и

ИННЩ\

ШШШ

ш

ж

■¿¡шш.«

|м|

ЩШШтш&

ЩЩ

шшшш

"Mi .

Н!Ш

доЯННя

ЙШиШШ Ц |1

I111ш1

Рисунок 8 - Микроструктура заготовок лопаток 030x55 мм, нагретых ТВЧ до различных температур, время нагрева 1=63 с: а - Т=970°С; б - Т=1040°С; в - Т=1100°С; г - Т=1220°С

. - %0 поверхность •» 634.2267-1.1362-x*a,0005V-2 М - центр »gSS^^I/neí-x+O.OOOeV^ . торец = 390.64й*-0.6682'и*0.0003*ХА2

940 960 980 1000 1020 1040 f060 J080 1100 1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 Температура нвфвва, *С

а)

Рисунок 9 - Фазовый состав при ТВЧ-иагреве заготовки из ВТ9: а - распределение процентного содержания В-фазы по сечению исходной заготовки в зависимости от температуры нагрева, время ТВЧ нагрева t=63c; б - зависимость процентного содержания (i-фазы от времени выдержки при 1-1U4U С.

Установлено, что область минимума по содержанию /3-фазы определяет температурный интервал 1040°-1080°С полноты полиморфного превращения при ТВЧ-нагреве.

Для определения ограничений по температурному интервалу ШЧ-нагрева заготовок из ВТ9 под высокоскоростную штамповку в области температур полиморфного превращения по критерию допустимых значений механических свойств были проведены исследования влияния температуры нагрева под штамповку и степени деформации при штамповке на механические свойства материала штампованных заготовок лопаток, прошедших термическую обработку. Результаты исследований приведены на рисунках 10 и 11.

Рисунок 10 - Микроструктура пера лопатки (1-й отжиг - нагрев 950°С, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе, 2-й отжиг - нагрев 530 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе)

'»1!!1|ннм|н

Температура нагрева заготовок, °С

: . ..........? 1 Г! Л.:. !.:..;......

1'ЙГ ШЩ

l-n-H-ti-f

.:.; !... ' : * -i -1- j-j. -j-4-f--

Т«ип*рвтура нзграва. °С

Рисунок 11 - Зависимость механических свойств материала заготовок лопаток от температуры нагрева исходных заготовок

Проведенные исследования позволили сформулировать задачу поиска рациональных термомеханических режимов деформирования и последеформационной термообработки при штамповке в р - области.

Обозначим * = {7^,(7;,/,),(Г2,г2)}- область допустимых значений технологических вариантов, каждый из которых состоит из сочетаний температуры нагрева под штамповку гдсф, температуры и времени выдержки последеформационных отжигов, определенных соответственно величинами температуры т„т2и времени г„?2, заданных на множестве У,

X = {х\аь>тОМПа, ¿">35%, Ксу> 430 КДж/м\ Тхф > с У,

где Г = {х1950°С << 1200°С, 530°С<7;,7; <9500С}- область эксперимента; Тар„ - температура полиморфного превращения.

Целевая функция <у_,{х) - предел выносливости: а_,(х):Х г,

где

VW'WKp,

{ТдефЛТ\-'\)Лтг'2)}ор1 ' искомая функция, удовлетворяющая критерию поиска

► шах

Как показал корреляционный анализ исследованных механических свойств, с целью сокращения числа экспериментов оптимизационную задачу по поиску (*) -* max можно провести в два этапа:

1) определение оптимальной температуры кагрева под штамповку Тлсф;

2) определение оптимальных режимов последеформационных' отжигов (Л>0> (Тг^г)

(Кст-

> rnax

{T^JMWlf.eX )

► max ;

(WW'

= таг, (Т„0=У!х, (ТгА)=/Ь\<7й>т0МПа, 8 > 35%,КСУ > 430ВДж/м\НВ>3\0}; {39)

и/ -> тах

г кплмад).»»«^

= (2;.»,) = таг, (Г2,»г) = таг К 21 ПОМПа,

8 >35%,КСУ>430КДж!м\КСТ> 10ОАДж 1м\ИВ>ЗЩ , Решение системы зависимостей (39) позволило определить сочетание оптимальных режимов термомеханической обработки. Нагрев исходных заготовок ТВЧ выше точки полиморфных превращений до температуры 1030 С (1=630), высокоскоростное деформирование, высокотемпературный отжиг при температуре 950 С с выдержкой 1 час, последующий низкотемпературный отжиг с нагревом до температуры 530°С и выдержкой 6 часов.

Найденное оптимальное сочетание режимов {Т

Т.оя" 0=5«5.782М,91ЭУ!<

,'WWopt

проверялось экспериментально путем проведения контрольных испытаний на предел выносливости (рисунок 12).

Экспериментальная апробация режимов показала, что предел выносливости материала лопаток, отштампованных с нагревом выше точки полиморфных превращений, при базовом числе циклов Л^ = 10 10б на 25% больше, а при N = 20-10' на 40% больше предела выносливости лопаток, отштампованных по стандартной технологии с применением ВТМО.

--.A3-.:

Кошчесгео LfWiuB "Iii1

Рисунок 12 - Усталостная прочность материала лопаток: Т950 - отштампованных по стандартной технологии с применением ВТМО, Тюзо - отштампованных с нагревом выше точки полиморфных превращений

В четвертом разделе изложены результаты исследования по изучению влияния состава активных технологических смазок на структурообразование поверхностного слоя в области контакта инструмент-заготовка, определяющего качество поверхности и коэффициент трения при высокоскоростной штамповке изделий из жаропрочных и

титановых сплавов.

В процессе выполнения исследований решались следующие задачи:

- анализ физико-химических факторов, способствующих повышению пластичности на поверхности контакта деформируемого материала;

- выбор критериев эффективности СОЖ и экспериментальное сопоставление эффективности смазок в зависимости от их состава;

- статистический анализ полученных экспериментальных данных и оптимизация количественного соотношения компонентов СОЖ методами регрессионного анализа;

- оценка эффективности рекомендуемых технологических смазок в производственных условиях.

Установлено, что в качестве основы СОЖ целесообразно использовать водный гель полиакриламида, эффективно снижающего температуру штампа в условиях циклического деформирования. Максимальный эффект смазывания можно достичь внедрением в основной состав антифрикционных наполнителей - триполифосфата натрия,

синтанола, в качестве микролегирующих компонентов для титановых сплавов - нитрата Р-эвтектойдного стабилизатора титана (нитрата висмута, оксикарбоновой кислоты и др.), для жаропрочных сплавов - нитрата бора, нитрата меди, серебра, свинца.

Количественное соотношение компонентов смазок определялось экспериментальным путем при штамповке заготовок лопаток и моделей дисков с радиально расположенными по периферийному сечению уплощенными полотнами (имитация дисков с лопатками цельной конструкции). Сравнивалась эффективность вариантов смазок по следующим критериям:

критерий эффективности СОЖ, равный отношению удельной работы деформирования пера заготовки лопатки при штамповке с базовой СОЖ (суспензия графита) к одноименному параметру исследуемой СОЖ;

удаляемость остатков смазки со штампа и деталей; шероховатость и наличие дефектов поверхности деталей.

С целью определения оптимальных составов СОЖ был проведен статистический анализ экспериментальных данных по следующей методике:

с помощью коэффициентов корреляций определялись наиболее значимые компоненты СОЖ, влияющие на эффективность смазки;

методом регрессионного анализа строилась математическая модель зависимости эффективности СОЖ от количественного состава ее наиболее значимых компонентов;

путем поиска экстремума полученной математической модели находился оптимальный количественный состав СОЖ.

На рисунке 13 представлен пример поверхности отклика нелинейных статистических моделей эффективности СОЖ.

О, 7« 40. 2 67 6 «О , 05$ I • 2 -

•«•х-О.ОЭТ*»'»*

"527-770»х-1312"Хл2*3455«г"3-2509»*л<+611»х

1.10 1.14 1.1В 1.22 Колффсаеит ¡»»вхтиаиогти снвэкн

Рисунок 13 - Поверхность отклика статистической модели по критерию эффективности смазки (а) и зависимость шероховатости поверхности от критерия эффективности для ЭП517Ш (б)

В рассматриваемом разделе также исследовалось влияние смазки на шероховатость поверхности пера лопаток и их антифрикционную эффективность. Влияние смазок на контактное трение при формообразовании определялось теоретико-экспериментальным методом в специальном штампе, имеющем разные углы схождения формообразующих каналов. В результате исследований методом теории подобия были определены коэффициенты трения для различных СОЖ.

Эффективность разработанных составов смазок определялась сравнением критериев эффективности при штамповке производственных партий 'заготовок лопаток 6 ступени компрессора изделия "МВ" (материал ЭИ961Ш) и 7 ступени изделия "Е" (ВТ9). Штамповка проводилась с применением разработанной и серийной СОЖ. Сравнение показало, что применение разработанных смазок обеспечивает: снижение энергоемкости более чем на 20%;

снижение шероховатости поверхности на величину более 10 единиц И.а;

повышение стойкости штамповой оснастки и точности геометрических размеров деталей.

Пятый раздел посвящен исследованиям и разработке TMP деформирования, связанных со структурой и свойствами дисперсионно-твердеющих сплавов на основе меди с низкой и средней степенью легирования Ве, Ni, Со в технологических процессах горячей штамповки трубных заготовок на оборудовании с различным характером приложения деформирующего усилия.

Рассматривались процессы горячего деформирования трубных заготовок из БрБ2 методом изотермической штамповки (ИЗШ) на гидравлическом прессе, горячего гидродинамического выдавливания в графитовой рубашке (ГГДВ) на кривошипном прессе, радиальной ковке (PK) на радиально-обжимной машине (РОМ).

Сравнительные результаты апробации приведены в таблице 5. Различные условия деформирования и геометрии очага пластической деформации (ОПД), характерные для исследуемых технологических процессов, приводят к разнице в задействованных механизмах пластического деформирования (образцы микроструктуры - рисунок 14), что оказывает существенное влияние на стабильность механических свойств изделий из БрБ2 (таблица 5).

Таблица 5 - Сравнительные характеристики изготовления трубной заготовки (стаканчика) 06Ox046xL мм (D„xd,BxL) из БрБ2 различными методами пластического деформирования

Технологический процесс, изделие D„xds„xL

ИЗШ, стаканчик 06Ох046х 117мм

PK,трубная заготовка 06Ох046х 2700 мм

Схема деформирования, условные размеры ОПД

ширина ОПД ^ глубина ОПД

Макс, степень деформации I

Прессование с обратным истечением

v = JL=8, 57

ГГДВ, трубная заготовка

06Ох046х 112 мм

PK, трубная заготовка 06Ох04бх 2700 мм

Ковка на оправке***

* L

s -У о ^

со Ä

а а oj й 1 S Sgl

1,43

1,22

Прямое выдавливание

х =

К~ fiop ¿ = 1,29***

f

д

Ковка на оправке***

,=Ж=0,96 ' h

3,66

1,22

0,005

0,192

3,57

0,192

1 I

-9-* к ^

¡л tD Ш Си

И

83*

75

0,03 3

2"!

<1%

<1%

Точность геометрии

допуск О /

/допуск;(.,

(кривизна на 100 мм) Коэфф- ДЛИНЫ

D.

+0,5/±0,5 (<1) к, = 1,95

+0,5/-0,5 (<0,3) к,= 45

70

75

<3%

<1%

±0,4/±0,5 (<1) кг U87

+0,5/-0,5 (<0,3) кг 45

Примечания: * - на 1 переход; ** - без учета КИЗ на исходный прессованный пруток 060 мм (КИМпруго1 -0,85%); *** -в конической части деформирующего инструмента____

Рисунок 14 - Микроструктура трубных заготовок 060x047 мм из БрБ2, изготовленных различными способами: а - стаканчик - ИЗШ (после деформирования); б) трубная заготовка - ГТДВ (после деформирования; в) трубная заготовка - РК (после ТО)

Установлено, что механизмы внутрезеренного и межзеренного скольжения, вызванные локальным приложением деформирующего усилия (процесс РК), обеспечивают более стабильную структуру конечного изделия, минимальную склонность к поводкам при внесении в процессе механической обработки дополнительной поверхностной энергии, по сравнению с деформационным механизмом двойникования (процесс ИЗШ) и процессом ГГДВ, для которого характерна существенная неравномерность скоростей деформации.

Для технологического процесса формообразования трубных заготовок, обеспечивающего наиболее стабильные свойства структуры - РК на оправке - производились экспериментальные исследования предельной степени деформации. Технологические параметры РК трубной заготовки с допустимыми степенями деформации представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Параметры РК трубной заготовки 060x46 мм из БрБ2 за 6 переходов (перед «холодными» переходами выполняется гомогенизирующая закалка на «-твердый раствор)

Переход Наружный диаметр, с/, ,мм Внутр. диаметр, с1вн, мм Зазор оправки, д Уков (вытяжка), А Обжатие, А-'" Относ, давление, А Относ, давление, рч

125 ->95 «горячий» 125 62 4 2,100 1,316 1,203 0,206 0,530

95->76 «горячий» 95 58 4 2,000 1,250 1,520 0,198 0,553

76->71 «холодный» 76 54 2 1,250 1,070 5,071 0,163 0,435

71 ->67 «холодный» 71 52 2 1,200 1,060 6,091 0,165 0,434

67->63 «холодный» 67 50 2 1,200 1,063 5,727 0,165 0,448

63 ->60 «холодный» 63 48 2 1,160 1,050 7,500 0,169 0,439

Конечные размеры 60 46 Примечание: Дефектов я прттргге тв™ № пЯн К, р„ - Деформирующие усилия в конической и цил частях обжимных бойкон, = . 2РЛ аружено. индрической К

В результате: апробированы прогрессивные технологические процессы горячего формообразования трубных заготовок из труднодеформируемых деформационно-упрочняемых материалов на медной матрице. Экспериментально обоснованы технологические параметры деформирования и промежуточной термообработки для оптимального процесса - РК на оправке на радиально-обжимных машинах, обеспечивающего высокую стабильность структуры поковки из БрБ2 (брак по дефектам структуры « 1%), высокий КИМ -75%. Общая экономия материала по сравнению с применяе-

мым процессом точения из пруткового материала при изготовлении опор скольжения -свыше 80%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации представлено решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение и состоящей в развитии теории деформирования поликристаллических тел, подвергнутых интенсивной пластической деформации с учетом взаимодействия континуальной и зернограничной компонент, рассматриваемой с позиции термодинамики неравновесных процессов, а также в создании на ее^ основе научно обоснованных режимов технологических процессов высокоскоростной штамповки заготовок лопаток из титановых а+р сплавов со структурой, обеспечивающей требуемые механические свойства, в разработке на базе экспериментальных исследований в условиях интенсивной пластической деформации рецептур активных технологических смазок с пластифицирующим эффектом, обеспечивающих существенное повышение качества поверхности штампуемых заготовок, определении рациональных режимов ВТМО при формообразовании трубных заготовок из дисперсионно твердеющих материалов на медной основе методом радиальной ковки на оправке.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Предложена для выявления закономерностей деформирования концептуальная модель поликристаллической деформируемой среды, которая представлена как двухкомпонентная система, образованная динамически взаимодействующими рекристаллизуемыми зернами (континуальная компонента) и их границами. Разработана на её основе математическая модель деформируемой среды, которая содержит уравнения движения, учитывающие термомеханическое взаимодействие указанных компонентов в процессах пластического формообразования.

2. Получены в общем виде определяющие соотношения - универсальные уравнения для континуальной и зернограничной компонент, связывающие тензора напряжений и скоростей деформации. Соотношения определены на основе анализа состояния поликристаллической среды, задаваемого функционалом свободной энергии, представляющего линейную комбинацию (суперпозицию) свободных энергий для каждой из компонент. Выявленные зависимости позволили функционально описать реологические свойства деформированной среды через её механические характеристики: ^ ^ . модули сдвига и объемной деформации для континуальной компоненты, иЬ&.П* - модули сдвига, объемной деформации и вязкости для зернограничной компоненты, а также теплофизические характеристики а'т, и'т- коэффициенты линейного

расширения и тепловой миграции границы зерна.

3. Определена на основании обобщенного уравнения теплопередачи феноменологическая модель процесса динамической рекристаллизации, позволяющая аналитически описать процесс рекристаллизации. Разработана методика расчета размера динамически рекристаллизованного зерна, учитывающая, что совокупность коэффициентов образования текстуры (/,)„, соотнесенных с соответствующими значениями интенсивностей скоростей и температуры деформации, однозначно определяют поведение поликристаллических материалов в процессе динамической рекристаллизации, а сами коэффициенты могут быть получены из экспериментальных диаграмм рекристаллизации. ,

4. Получена обобщенная система уравнений движения пластически деформируемой поликристаллической среды с учетом ее зернограничного строения: 6 уравнений, связывающих 3 неизвестные компоненты скорости течения среды V,, 3 неиз-

вестных величины градиента гидростатического давления «г,, 3 компонента внутреннего усилия струкгурообразования /гп,и закон преобразования энергии пластической деформации в тепловую энергию.

5. Разработанные теоретические модели деформируемой поликристаллической среды в сочетании с экспериментально полученными диаграммами динамической рекристаллизации апробированы как методы анализа технологических процессов с интенсивной деформацией, целью которых является получение макро- и микроструктуры штампованной заготовки с заданными свойствами.

6. Поставлена и решена задача по определению рациональных термомеханических режимов деформирования титанового сплава ВТ9 с целевой функцией в виде зависимости размеров микрозерна от температуры деформирования, степени и скорости деформаций как ограничивающих параметров, полученных по результатам экспериментов по высокоскоростной осадке а +р титановых сплавов с нагревом последних ниже точки полиморфных превращений. Установлено, что с учетом термического эффекта деформации при степенях деформации свыше 60% минимально допустимые температуры деформирования для скоростей деформаций свыше 2-103 с'1 лежат в области выше 9Ю°С. При степенях деформации 70% и более оптимальной температурой деформирования для получения мелкозернистой структуры можно считать температуру в диапазоне 900°-950°С для штамповки со скоростью деформирования не выше 5-1(г с

7. Достигнуто повышение предела выносливости на 40% при высокоскоростной штамповке в р-области компрессорных лопаток ГТД из а+р титанового сплава ВТ9 при допустимом уровне кратковременных механических характеристик за счет формирования необходимой макро- и микроструктуры, обеспечивающей заявленные механические характеристики. По результатам оптимизационного поиска рациональных термомеханических режимов, установлено, что указанные характеристики достигаются при ТВЧ-нагреве исходной заготовки до температуры 1030°С, последующем последеформационном нагреве до температуры 950°С, выдержке 1 час, правке пера для ликвидации его коробления, нагреве до температуры 530°С, выдержке 6 часов, охлаждении на воздухе.

8. Получены оптимизированные составы активных технологических смазок для горячей штамповки заготовок с развитой поверхностью, действующих в условиях высокоскоростного нагружения. Применение смазок сопровождается снижением удельной энергоемкости более чем на 20%, снижением шероховатости поверхности на Ка Ю и повышением точности геометрии штамповок. Введение в состав смазок легирующих компонентов обеспечивает в условиях действия высоких температур и давлений повышенную пластичность поверхностных слоев штампуемой заготовки за счет образования структур внедрения в кристаллическую структуру материала заготовки.

9^ Определен наиболее рациональный технологический процесс получения трубной заготовки из дисперсионно-упрочняемых сплавов на медной основе среди трех апробированных - ИЗШ, ГГДВ, РК. Среди сравниваемых технологических процессов РК обеспечивает наиболее благоприятные условия пластического деформирования для материалов, склонных к деформационному упрочнению. Разработанные технологические режимы РК по схеме формообразования с 6 переходами, оптимальные для получешгя бездефектной трубной поковки, были использованы для получения серийных партий трубных заготовок из БрБ2 с высокой стабильностью структуры поковки (дефекты структуры составляют менее 1%) и высоким КИМ.

10. Разработаны основные технологические параметры скоростного выдавливания пруткового полуфабриката из низколегированной бериллиевой бронзы методом ГГДВ с последующей закалкой и старением, что обеспечило повышение твердости полуфабриката до 15%.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии:

1. Хаймович А.И. Структурообразование в технологических процессах интенсивного пластического деформирования /А.И. Хаймович, И.Л. Шитарев.- Самара: «Издательство Самарского научного цента Российской академии наук», 2013. -295с.

Издания, рекомендованные ВАК РФ:

2 Балякин A.B. Моделирование режима высокоскоростного фрезерования титанового сплава ВТ9 /В.А. Балякин, А.И. Хаймович, Л.А. Чемпинский // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Самара, 2013. - т. 15, №6(3). -С. 572-583.

3 Гречихия, Д.В. Применение бериллиевой бронзы в качестве материала опор скольжения / Д.В. Гречихин, О.В. Толмачев, С.Д. Топольняк, А.И. Хаймович //Химическое и нефтяное машиностроение,- М., 2008.- №6.- С.44-47.

4. Логинов, Ю.В. Исследование предельных параметров деформирования при радиальной ковке на оправке тонкостенных труб из дисперсионно-твердеющих сплавов на основе меди, легированных Ве, Ni, Со /Ю.В Логинов., А.И. Хаймович //Кузнечно-штамповочное производство.- М., 2014.-№2.-С.

5. Шитарев, И.Л Исследование динамических параметров формообразования при штамповке на молотах со свободно падающими частями /И.Л. Шитарев, А.И. Хаймович //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева.- Самара, 2011. - №6.- С.157-161

б Шитарев, И.Л. Моделирование микроструктуры при высокоскоростной штамповке лопаток из титанового сплава ВТ9 /И.Л. Шитарев, А.И. Хаймович //Заготовительные производства в машиностроении,- М.: «Машиностроение»,2011,-№11. — С.41-44.

7. Шитарев, И. Л. Методы повышения ресурса компрессорных лопаток из а Р титановых сплавов при их высокоскоростной штамповке (ВСШ) с нагревом заготовок выше точки полиморфных превращений /И.Л. Шитарев, А.И. Хаймович //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева.-Самара, 2012. - №3 (34), часть 4.- С. 34 - 40.

8. Хаймович, И.Н. Процедурные правила разработки и согласования бизнес-процессов кузнечно-штамповочного производства /И.Н.Хаймович, АИ. Хаймович //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева,- Самара, 2008. - №1.- С.248-252. „

9. Хаймович, А.И. Сопоставительный анализ способов получения трубной заготовки из БрБ2 для опор скольжения тяжело нагруженных насосов методами пластического формообразования /А.И. Хаймович, О.В. Толмачев// Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева- Самара,

2009.-№3.-С.132-137.

10. Хаймович, А.И. Влияние состава активных смазочных материалов на модифицирование поверхности легированных жаропрочных и титановых сплавов при высокоскоростной обработке металлов давлением. /А.И. Хаймович // Кузнечно-штамповочное производство. - М., 2009 - №7. - С.33-38.

11. Хаймович, А.И. Определение эффективности технологической смазки и оценка коэффициента трения при обработке металлов давлением в условиях высоких скоростей течения металлов при действии активных смазок /А.И. Хаймович // Кузнечно-штамповочное производство, М., №1,2010 -С.38-44.

12. Хаймович, А.И. Высокотемпературная термомеханическая обработка дис-персионно-твердеющих сплавов на медной основе /А.И. Хаймович, В.А. Михеев

//Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». Самара, 20Ю.-№7(28) - С. 92-99.

13. Хаймович, А.И. Исследование параметров высокоскоростной штамповки для дисков с лопатками цельной конструкции /А.И. Хаймович, И.Л. Шитарев // Куз-нечно-штамповочное производство.- М., 2010.- №5.- С.37-44.

14. Хаймович, А.И. Экспериментальное определение оптимальной схемы формообразования дисков с лопатками цельной конструкции высокоскоростной штамповкой /А.И. Хаймович //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева.- Самара, 2010. - №4,- С. 114-119.

15. Хаймович, А.И. Оптимизация термомеханических режимов горячей штамповки титановых сплавов при высокоскоростном нагружении /А.И. Хаймович, В.А. Михеев //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева,- Самара, 2011. - №1.- С120-128.

16. Хаймович, А.И. Математическое моделирование процессов динамической рекристаллизации поликристаллических материалов в условиях интенсивной пластической деформации / А.И. Хаймович, В.А. Михеев // Кузнечно-штамповочное производство,- М., 2011.-№7.-С.37-44.

17. Хаймович, А.И. Феноменологические модели динамической рекристаллизации авиационных сплавов /А.И. Хаймович, О.С. Сурков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева.- Самара, 2011 -№3.- С.150-152.

18. Хаймович, А.И. Методика определения оптимальных параметров при ортогональном резании на основе аналитической модели очага пластической деформации /А.И. Хаймович, О.С. Сурков, И.Н. Хаймович // Известия Самарского научного центра Российской академии наук.-Самара, 2011, №11 .-С186-194.

19. Хаймович, А.И., Моделирование реологических свойств жаропрочных материалов в условиях высокоскоростной обработки резанием. [Текст:]/ А.И. Хаймович, А.Н. Жидяев// Известия Самарского научного центра Российской академии наук,- Самара, 2012.- №6(14) -С81-86.

20. Хаймович, А.И. Уравнения состояния пластически деформируемой поликристаллической среды [Электронный ресурс:]/А.И. Хаймович // Современные проблемы науки и образования.-2013.-№5 1 lc.-URL: : http://www.science-cducation.ru/! 1110241 (дата обращения: 03.10.2013).

Другие издания:

21. Арышенский, Ю.М. Определение энергосиловых параметров формообразования дисков с лопатками цельной конструкции высокоскоростной штамповкой / Ю.М. Арышенский, А.И. Хаймович,- ВИНТИ, 1998,- инв. №1873-В98.-12 стр.- Деп.

22. Арышенский, Ю.М. Кинематика падающих частей молота при ВСШ деталей/ Ю.М. Арышенский, А.И. Хаймович, А.Н. Бутаров, Ю.Н. Краснов // Вестник Самарского государственного аэрокосмнческого университета им. акад. С.П. Королева, серия «Проблемы и перспективы развития двигателей».- Самара, 1998. - часть 1. вып 2 - С.80-86.

23. A.C. №163570 СССР Виброустановка для усталостных испытаний лопаток турбомашин / Гимадиев А. Г., Цвелодуб С.И., Хаймович А.И.

^ 24. Ганжа, С.Г. Выбор компонентов технологических смазок для высокоскоростной штамповки и оптимизация их количественного соотношения / С.Г. Ганжа, А.И. Хаймович, А.Н. Бутаров.- ВИНТИ, инв. №1876-В98, 1998.-9 стр.-Деп.

25. Поташников, Л.М. О некоторых аспектах автоматизации производства сложнопрофильной оснастки деталей ГТД / Л.М Поташников, А.И.Хаймович // «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе» - те-

зисы докладов междунар. научн.-техн. конференции,- Самара: СГАУ, 1997. - С. 150151.

26. Патент №2416672 РФ, МПК C22F1/08 Способ обработки полуфабриката из низколегированного дисперсионно твердеющего медного сплава с содержанием никеля до 1,6%, бериллия до 0,2-0,8% и титана до 0,15% /Андреева Т.Н., Тополняк С.Д., Толмачев О.В., Гречихин Д.В., Ганжа И.А., Хаймович А.И.

27. Снигарев, В.В., CAD\CAM ADEM: Базы конструкторской и технологической документации для учебного процесса и производства / В.В. Снигарев, А.И. Хаймович, JI.A. Чемпинский, //Труды международной конференции по компьютерной геометрии и графике КОГРАФ-96,- Нижний Новгород. 1996.-С. 45-47.

28. Степанов, A.A. Оценка параметров проектирования режущего инструмента на основе развертывания функции качества/ A.A. Степанов, А.И. Хаймович // Известия Самарского научного центра Российской академии наук,- Самара,2013.-т.15,№6(4).-С983-986.

29. Хаймович, А.И. Технология изготовления сложнопрофильной оснастки деталей ГТД с использованием CAD/CAM систем/ А.И. Хаймович //«Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе» - тезисы докладов междунар. научно-технической. Конференции,- Самара: СГАУ, 1997. -С. 176-177.

30. Хаймович, А.И. Исследование различных схем формообразования цель-нонггампованных дисков с лопатками/ А.И. Хаймович, А.Н. Бутаров, Ю.Н. Краснов. -ВИНТИ, 1998.- инв. №1874-В98.-6 стр.- Деп.

31. Хаймович, А.И. Исследование влияния технологических смазок на контактное трение при высокоскоростном выдавливании деталей с тонкими полотнами [Текст:]/А.И. Хаймович, С.Г. Ганжа.- ВИНТИ, 1998,- инв. №1875-В98.-9 е.- Деп.

32. Хаймович, А.И. Стойкие электроды [Текст:]/ А.И. Хаймович, С.Д. Тополь-няк, О.В. Толмачев //Сварщик в России.-2008, №1,- С.22-23.

33. Хаймович, И.Н. Рационализация организации производства машиностроительного предприятия на основе реинжиниринга/ И.Н. Хаймович, А.И. Хаймович // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева,- Самара, 2006. - №3,- С.53-58.

34. Хаймович, И.Н. Исследование динамических характеристик формообразования при штамповке на молотах с высокими скоростями / И.Н. Хаймович, А.И. Хаймович // Труды межд. научн. техн. конф. «Металлдеформ- 2009» в 2т., Т2 «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования».-Самара: Издательство учебной литературы,2009.- С.255-260

Подписано в печать 18.03.2014. Формат бумаги 60 х 84 ^6. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-1пд. л. 2,0. Тираж 100 экз.

Международный институт рынка 443030, Самара, ул Г.С. Аксакова, 21

Множительный участок МИР 443030, Самара, ул Г.С. Аксакова, 21

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

(СГАУ)

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕМ В ПРОЦЕССАХ ГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ С ИНТЕНСИВНОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

Диссертация на соискание ученой степени

На правах рукописи

Хаймович Александр Исаакович

доктора технических наук

Научный консультант: Шитарев Игорь Леонидович

доктор технических наук, профессор

Самара 2014

Введение...........................................................................................6

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 деформируемой среды............................................................................23

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

микроструктуры титановых сплавов 41

1.3.1. Фазовый состав титановых сплавов..............................................41

1.3.2. Особенности структуры а+Р - сплавов титана. Влияние термообработки на структуру а+Р сплавов при превращениях

.......................................................................................43

1.3.3. Особенности структуры при Р-деформировании. Влияние степени деформации на структуру и геометрию зерна.......................................45

1.3.4.3ависимость механических свойств от структуры а+Р титановых сплавов и температурной области деформирования............................51

1.3.5. Современные технологии получения а+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 + /3 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+(3 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..................................................214

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, Со 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, ГТДВ 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................................................................................................290

Введение

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, обеспечивающими 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.

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

6

термомеханических режимов деформирования, обеспечивающих повышение качества и эксплуатационных свойств изделий за счет применения научно-обоснованных методов управления структурообразованием, 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-342-029г).

Области исследований (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 радиально-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.

Методы исследования. Теоретические исследования процессов пластического деформирования поликристаллической среды выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и математической теории пластичности, 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 а+Р титанового сплава ВТ9. Аналитически смоделировано изменение размеров зерна (по а-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 (№ор1кЛ 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...40м/с, модернизированного под горячее гидродинамическое выдавливание кривошипного прессе К8540, установки радиальной ковки вБМ 8X16. 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 вы