Введение

В отличие от обычной горячей штамповки деталей из титановых и никелевых сплавов в подогретых штампах на гидравлических прессах, КГШП и молотах, которую проводят при скоростях деформирования от 10 мм/с и выше, штамповку на специализированных изотермических прессах, оборудованных индукционными установками нагрева штамповых блоков, проводят со скоростью на 1–2 порядка ниже [2–5]. Как правило, скорость рабочего хода таких прессов составляет 0,2–2 мм/с [6]. При этом по сравнению с обычными методами горячей штамповки заготовка длительное время контактирует со штамповым инструментом, изготавливаемом из литейного жаропрочного никелевого сплава ЖС6У [7]. В таких условиях на процесс формообразования заготовки, силовые параметры штамповки и работоспособность штамповой оснастки существенное влияние начинает оказывать происходящий между заготовкой и штампом теплообмен при наличии между ними определенного градиента температуры [8]. Во многих случаях такое влияние на формообразование и, как следствие, формирование структуры в деформируемой заготовке можно рассматривать как дополнительную технологическую возможность специализированных изотермических прессов [2], которые могут быть полезно использованы путем контролируемого отклонения температурных условий штамповки от изотермических с целью повышения эффективности процесса получения штамповок из жаропрочных титановых, никелевых, а также других сплавов.

Материалы и методы

Влияние градиента температуры между заготовкой и штампом на силовые параметры деформации исследовали при осадке цилиндрических заготовок из сплава ВТ9 размером Ø22×130 мм на плоских бойках до высоты 8 мм, соизмеримых с толщиной поперечного сечения лопаток ГТД. Получены сравнительные данные по силовым параметрам деформации в условиях, когда температура заготовки (Т_з) превышает температуру штампа (Т_ш), так и в условиях, когда температура штампа превышает температуру нагрева заготовки под деформацию.

При испытаниях в условиях Т_ш≤Т_з заготовки нагревали до температуры деформации 950°С, а температура нагрева штампов в индукционной установке пресса с усилием 630 тс варьировалась от 600 до 900°С (рис. 1, а), при этом также варьировалась скорость деформирования. Деформация в таких условиях позволила оценить воздействие на силовые параметры процесса двух факторов: влияние теплообмена при контакте заготовки с менее нагретым штампом и скорости деформирования. При отсутствии градиента температуры между заготовкой и штампом (ΔТ=0), т. е. в изотермических условиях, определяющим оказывается влияние на усилие скорости деформирования. При ΔТ=50°С графики зависимости q–ΔТ имеют точку пересечения, в которой влияние скорости деформирования уравнивается влиянием подстывания и упрочнения заготовки от контакта с менее нагретым штампом. При дальнейшем увеличении ΔТ на величину усилия деформирования преимущественное влияние уже оказывает продолжительность контакта заготовки со штампом, которая определяет степень охлаждения поверхности и упрочнения заготовки от менее нагретого штампа. В таких условиях (при скорости деформирования 0,2 мм/с) усилие деформирования оказывается выше, чем усилие, развиваемое при большей скорости 2 мм/с.

При испытаниях в условиях Т_ш≥Т_з (рис. 1, б) температура штампа поддерживалась неизменной 950°С, а температура нагрева заготовки варьировалась от 800 до 950°С. Характер полученных графиков зависимостей показывает, что при отклонении условий от изотермических (в сторону увеличения ΔТ между заготовкой и штампом) пониженная скорость деформирования (0,2 мм/с) обеспечивает дополнительное снижение усилия деформирования за счет нагрева заготовки при контакте с более нагретым штампом, тем самым уменьшая сопротивление материала деформации.

Рис. 1. Влияние градиента температуры между заготовкой и штампом на силовые параметры деформации заготовок из титанового сплава ВТ9 при Т_ш≤Т_з (а) и Т_ш≥Т_з (б): ● – V_д=2 мм/с; ■– V_д=0,2 мм/с (ΔТ=Т_з-Т_ш; Т_з=950°С)

Штамповка на специализированных изотермических прессах при малых скоростях деформирования в условиях температурного градиента (ΔТ) между заготовкой и штампом оказывает влияние не только на силовые параметра процесса, но и на характер течения металла и формирование типа структуры по объему деформированной заготовки [9].

Благодаря контролируемой величине ΔТ между заготовкой и штампом, можно не только управлять формой заготовки при свободной осадке, но и влиять на заполнение металлом узких полостей гравюры штампа. В частном случае, при осадке цилиндрической заготовки малого диаметра из сплава ВТ9 по схеме «на плите с отверстием» показано влияние температурного градиента между заготовкой и штампом на глубину заполнения металлом отверстия (Z) (рис. 2).

При Т_ш≤Т_з заготовку нагревали до 950°С, а температуру инструмента изменяли от 450 до 950 °С (рис 2, а). В процессе осадки скорость деформирования составляла 0,2 мм/с, степень деформации 70%. При значительной величине ΔТ подстывание приконтактных с инструментом слоев заготовки ограничивает течение металла в полость штампа, так как деформация локализуется преимущественно в средних слоях заготовки. По мере приближения условий деформации к изотермическим глубина заполнения резко увеличивается и достигает значения Z=5 мм.

Наиболее интенсивное заполнение полости происходит при условиях, когда Т_ш≥Т_з (рис. 2, б). Повышенное затекание металла в полость штампа в этом случае обеспечивается дополнительным прогревом приконтактной с инструментом зоны заготовки, ее разупрочнением относительно центральной зоны.

Рис. 2. Влияние градиента температуры между заготовкой и штампом на оформление тонкого элемента штамповки из титанового сплава ВТ9 (ΔТ=Т_з–Т_ш; Т_з=950°С) при Т_ш≤Т_з (а) и Т_ш≥Т_з (б)

Рис. 3. Влияние градиента температуры между заготовкой и штампом на структурное состояние штамповок из сплава ВТ9: а – при Т_ш<Т_з; б – при Т_ш=Т_з; в – при Т_ш>Т_з; г – при Т_ш>Т_з и Т_ш<Т_з

Влияние ΔТ между заготовкой и штампом на структурное состояние штамповок показано при осадке цилиндрических заготовок из сплава ВТ9 на шайбы на изотермическом прессе с усилием 6,3 МН (рис. 3). В исходном состоянии материал заготовки имел однородную макроструктуру 5-го балла. После осадки при Т_ш˂Т_з в структуре выражены зоны преимущественного течения металла и затрудненной деформации. В приконтактных зонах сохранена непроработанная исходная структура. Форма отштампованной заготовки имеет характерную бочкообразность, как следствие высокую неравномерность деформации. В условиях, когда Т_ш=Т_з, влияние сил контактного трения и тепловой эффект также могут приводить к существенной неравномерности деформации и неоднородности структуры шайбы. Отштампованная в таких условия заготовка имеет заметную бочкообразность и видимые зоны затрудненной деформации в приконтактных областях заготовки. В условиях, когда Т_ш˃Т_з, обеспечивается преимущественное течение приконтактных слоев заготовки вследствие их прогрева от штампа и разупрочнения в процессе деформации. В результате этого зона затрудненной деформации смещается к центральной части заготовки (рис. 3, в), а в приконтактных зонах имеет удовлетворительную степень проработки структуры материала. С целью получения заготовок (шайб) с однородной проработанной структурой по всему объему заготовки при свободной осадке с ограниченной деформацией, в некоторых случаях (в зависимости от геометрии заготовки, исходной структуры, физических свойств сплава и других факторов) целесообразно применять двухстадийную осадку с изменением знака ΔТ между заготовкой и штампом. Первую стадию осадки проводят в условиях, когда Т_ш˃Т_з, для проработки структуры в приконтактных зонах, а вторую – при Т_ш˂Т_з, для проработки структуры центральной части заготовки. На второй стадии (рис. 3, г) устраняется «обратная» бочкообразность заготовки, приобретенная на первой стадии, и ее форма  вновь приближается к цилиндрической.

Результаты

Технологические приемы штамповки с контролируемым температурным градиентом между заготовкой и штампом используются в условиях ФГУП «ВИАМ» на специализированных изотермических прессах при серийном производстве штампованных заготовок как из титановых, так и жаропрочных сплавов [10].

Наряду с вышеуказанным приемом использования контролируемого теплообмена между заготовкой и штампом известен и применяется на практике технологический прием, в котором требуемое неравномерное температурное поле в заготовке создается не только за счет теплообмена со штамповым инструментом, но и путем контакта со специально подготовленной холодной заготовкой. В этом случае исходную заготовку нагревают в печи до температуры деформации и сразу после выноса из печи вводят в контакт с подготовленной холодной заготовкой, после чего помещают в штамповый инструмент и деформируют. Таким способом (в частности, свободной осадкой цилиндрической заготовки на плоских бойках) в серийном процессе формируют несимметричную заготовку с контролируемой геометрией, оптимальной для дальнейшей штамповки из нее в закрытом штампе заготовки крыльчатки компрессора из титанового сплава ВТ8 [11, 12].

На рис. 4 представлены серийные деформированные заготовки из жаропрочных титановых сплавов, изготовленные на специализированных изотермических прессах с усилием 630 и 1600 тс с использованием технологического приема создания в исходной заготовке контролируемого неравномерного температурного поля за счет теплообмена со штамповым инструментом. Такой технологический прием позволил изготовить качественные полые тонкостенные заготовки деталей, а также заготовки с тонкими элементами (оребрение, антивибрационная полка лопатки) с оптимальной однородной структурой и высоким КИМ.

В отличие от штамповки заготовок из жаропрочных титановых сплавов, температура нагрева под деформацию которых обычно не превышает 980–1000°С, температура нагрева заготовок под деформацию жаропрочных никелевых сплавов достигает 1130°С и выше. Требуемые удельные усилия деформации этих сплавов, по сравнению с титановыми сплавами, в 1,5–2 раза выше [13]. Исходя из прочностных характеристик литейного сплава ЖС6У и для обеспечения удовлетворительной работоспособности штампов из этого сплава, при штамповке деталей из жаропрочных никелевых сплавов температуру нагрева целесообразно ограничивать (950–980°С) [14], т. е. проводить деформацию не в изотермических, а в приближенных к изотермическим условиях. В этом случае штамповка при Т_ш˂Т_з с градиентом температуры 90–180°С является вынужденной мерой обеспечения стойкости штамповой оснастки из сплава ЖС6У. Отрицательный эффект от отклонения температурных условий штамповки от изотермических можно свести к минимуму с помощью выбора оптимальных скоростных условий деформации.

Рис. 4. Штамповки из титановых сплавов, полученные с использованием метода создания в них контролируемого неравномерного температурного поля

Рис. 5. Схема эксперимента по теплообмену

Рис. 6.  Изменение температуры заготовки из сплава ЭП742-ИД в зависимости от температуры нагрева штампа: 1 – до 950°С; 2 – до 900°С; 3 – до 800°С; 4 – до 650°С; 5 – охлаждение на воздухе; 6 – до 400°С

Характер теплообмена между заготовкой и штампом в условиях, приближенных к реально используемым при деформации жаропрочных сплавов на никелевой основе, исследован на модельном инструменте «заготовка–штамп» путем термометрирования зоны контакта заготовки со штампом с помощью хромель-алюмелевой термопары (с регистрацией на самопишущий прибор). Схема проведения эксперимента представлена на рис. 5. Температура нагрева заготовки при этом составляла 1100°С, что соответствовало температуре нагрева под деформацию некоторых жаропрочных никелевых сплавов, а температуру нагрева модельного штампа варьировали в интервале 400–950°С. Для сравнения представлен вариант охлаждения заготовки на воздухе вне контакта со штампом. При охлаждении заготовки на воздухе в подвешенном состоянии за 60 с температура поверхности заготовки снижается с 1100 до 925°С (рис. 6). При контакте со штампом, нагретом до 400°С, охлаждение интенсивнее, чем на воздухе, и за 60 с контакта температура поверхности заготовки составила 875°С. В штампе, нагретом до температур 900–950°С, интенсивного снижения температуры заготовки не происходит. За 60 с в штампе, нагретом до 950°С, поверхностный слой заготовки в зоне контакта снижается с 1100 до 1035°С. Полученные данные позволяют сделать вывод, что при серийной штамповке реальных деталей из жаропрочных никелевых сплавов (ЭП742, ЭК79, ЭК151, ЭП975, ВЖ175) продолжительность контакта между заготовкой и штампом следует ограничивать. Это достигается путем проведения деформации с верхними значениями диапазона скоростей движения траверсы пресса [15]. Увеличение продолжительности контакта заготовки со штампом в данном случае нежелательно как для деформируемой заготовки, которая охлаждается и теряет пластичность, так и для штампа, поверхностный рабочий слой которого нагревается от контакта с заготовкой и разупрочняется. Опыт серийного производства малогабаритных штамповок дисков из жаропрочных никелевых сплавов [16], а также данные термометрирования в модельном штампе (рис. 5) показывают, что продолжительность деформирования (приложения нагрузки) за один штамповый переход не должна превышать 30–40 с. В этом случае при массовом производстве заготовок дисков достигается удовлетворительная стойкость штамповой оснастки и стабильное качество продукции.

Обсуждение и заключения

На процесс формообразования заготовки, в условиях низких скоростей рабочего хода специализированных изотермических прессов, существенное влияние оказывает теплообмен между заготовкой и штампом при наличии между ними определенного градиента температуры.

За счет контролируемого теплообмена между заготовкой и штампом можно изменять характер течения металла для управления формой заготовки при свободной осадке или интенсивностью затекания металла в полость штампа.

Технологические приемы с использованием контролируемого градиента температуры между заготовкой и штампом могут быть применены при серийном производстве штампованных заготовок из никелевых и титановых жаропрочных сплавов на специализированных изотермических прессах. Использование этих приемов позволяет получать изделия с повышенным КИМ и оптимальной структурой.