Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2015-0-2-3-3
УДК 621.77
Е. И. Разуваев, Н. В. Моисеев, Д. В. Капитаненко, М. В. Бубнов
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Представлены современные принципы и подходы к разработке технологических процессов изготовления деформированных заготовок дисков и лопаток из жаропрочных никелевых, титановых и других сплавов с целью достижения оптимального комплекса функциональных и технологических характеристик. Рассмотрен процесс изотермической штамповки дисков с применением специальной окалиностойкой штамповой оснастки, работающей без применения вакуумной камеры.

Ключевые слова: структура, сплав, процесс, пластическая деформация, термомеханическая обработка

Введение

Развитие авиакосмической техники и других отраслей машиностроения в значительной мере обеспечивается разработкой и применением новых, более сложных композиций конструкционных материалов, обладающих высокими прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, а также специальными физико-механическими свойствами (памятью формы, низким температурным коэффициентом линейного расширения и т. п.) [1, 2]. Объем производства и применения таких материалов непрерывно растет. Создание таких материалов достигается путем многокомпонентного легирования, а также формирования гетерофазных структур, термостабильных до температур, близких к температуре плавления. Это приводит к снижению технологичности и затрудняет изготовление из них деформированных заготовок и полуфабрикатов с применением традиционных способов обработки давлением. Вместе с тем известно, что режимы термической обработки и термомеханические параметры деформации оказывают решающее влияние не только на возможность формоизменения, но и на формирование структуры.

Наиболее высокой жаропрочностью и, соответственно, низкой технологической пластичностью обладают гетерофазные никелевые сплавы, содержащие более 40% упрочняющей γ′-фазы, применяемые для изготовления дисков и других деталей ГТД [3–5]. В результате исследований, выполненных в ВИАМ, разработаны технологические процессы термомеханической обработки высокожаропрочных труднодеформируемых сплавов на никелевой основе, обеспечивающие повышение технологической пластичности и достижение сверхпластичности путем комплексного воздействия пластической деформации и термической обработки. В отличие от традиционной технологии горячей деформации в однофазном состоянии (твердый раствор) новая технология предусматривает формирование структуры, позволяющей проводить эффективное формоизменение в гетерофазном состоянии. Задача заключается в определении условий термомеханической обработки, обеспечивающей формирование регламентированной структуры с высокой технологической пластичностью. Предварительная термическая обработка слитков и заготовок способствует устранению или снижению ликвационной неоднородности в сложнолегированных композициях и формированию структуры с предпочтительной морфологией (размером, формой и распределением) частиц упрочняющих фаз. Последующая пластическая деформация в максимально приближенных к всестороннему неравномерному сжатию условиях при строго регламентированных температурно-скоростных параметрах, обеспечивающих процесс динамической рекристаллизации, позволяет сформировать мелкозернистую структуру, обладающую более высокой пластичностью, а в случае формирования ультрамелкозернистой структуры – сверхпластичностью. Необходимость деформации таких сплавов в двухфазном состоянии обусловлена резким сужением или отсутствием температурного диапазона существования однофазного состояния. В результате снижения температуры процесс деформации (при отсутствии изотермических условий) сопровождается распадом твердого раствора с выделением мелкодисперсных частиц упрочняющих фаз, способствующих охрупчиванию и резкому повышению сопротивления деформации сплава. Особенностью гетерофазных сплавов является также их высокая чувствительность к скорости деформации, что, в свою очередь, требует применения для их обработки давлением технологического оборудования с оптимальной, желательно регулируемой, скоростью нагружения, так как температурно-скоростные параметры деформации контролируют процесс разупрочнения. В отличие от горячей деформации в однофазном состоянии, когда упрочнение практически отсутствует, при деформации в двухфазной области упрочнение проявляется более значительно, особенно с понижением температуры в процессе формоизменения [6, 7]. Поэтому очень важно обеспечить условия деформации, при которых устанавливается равновесие процессов «упрочнение–разупрочнение». Наиболее полно такие условия достигаются при изотермической деформации, обеспечивающей возможность поддержания температуры и скорости в оптимальных для данной композиции узких диапазонах в процессе всего цикла формоизменения заготовки. Таким образом, процесс должен осуществляться при строгом соблюдении оптимальных температурно-скоростных параметров деформации. Такие параметры (деформации сплавов в гетерофазном состоянии) устанавливаются с учетом критических температур конкретной плавки (полного растворения основных упрочняющих фаз, динамической рекристаллизации, полиморфного превращения и т. п.). Процесс изотермической деформации является наиболее перспективным при изготовлении высококачественных полуфабрикатов с регламентированной структурой из труднодеформируемых гетерофазных сплавов. Для практического осуществления таких технологий в ВИАМ определены оптимальные параметры термомеханической обработки сплавов, созданы специализированное оборудование и высокожаропрочная штамповая оснастка. Разработка специальных высокожаропрочных окалиностойких композиций штамповых материалов с рабочей температурой до 1150–1200°С позволила осуществить процессы изотермической деформации титановых и жаропрочных никелевых сплавов в установках открытого типа, выгодно отличающихся от дорогостоящих вакуумных установок, в которых используются штампы из тугоплавких сплавов, простотой конструкции и более высокой производительностью. Разработаны также специальные технологические покрытия, обеспечивающие защиту деформируемых заготовок от окисления и газонасыщения при нагреве и являющиеся одновременно эффективной смазкой при деформации [8–12].

Известно, что технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов также определяются характером структуры, формирование которой зависит от термомеханических параметров деформации. В связи с тем, что структура и свойства полуфабрикатов, деформированных при температурах однофазной β-области, существенно отличаются от характеристик материала, деформированного в двухфазной (α+β)-области, важным критерием при выборе оптимального температурного диапазона обработки является температура полиморфного превращения (не только конкретного сплава, но и конкретной плавки). Деформация титановых сплавов при температуре β-области обеспечивает высокую технологическую пластичность при меньших энергозатратах, однако не позволяет сформировать однородную мелкозернистую структуру с заданным комплексом свойств, которая требуется для большинства изделий. Кроме того, обработка титановых сплавов с нагревом при температурах β-области сопровождается значительным окислением и газонасыщением поверхностного слоя, который необходимо полностью удалять механической обработкой, чтобы обеспечить высокие эксплуатационные свойства детали.

Деформация титановых сплавов в двухфазном состоянии (α+β) позволяет формировать регламентированные структуры, обеспечивающие достижение комплекса высоких технологических и эксплуатационных характеристик [13]. Для всех титановых сплавов, разработанных в ВИАМ, установлены оптимальные технологические схемы и термомеханические параметры деформации в β- и (α+β)-областях, обеспечивающие формирование структуры с требуемым (предпочтительным) комплексом свойств и учетом условий эксплуатации изделий.

Особенностью титановых сплавов является проявление способности к сверхпластической деформации в двухфазном состоянии при определенных структурных и температурно-скоростных параметрах. Технологические процессы с использованием сверхпластической деформации титановых сплавов находят все более широкое применение в промышленности при изготовлении экономичных полуфабрикатов сложной формы. При этом практически не лимитируется степень деформации и в 5–10 раз снижается усилие, необходимое для требуемого формоизменения заготовки. Полуфабрикаты, изготовленные изотермической и сверхпластической деформацией, отличаются более однородной структурой, повышенным и стабильным уровнем свойств. Специально разработанная композиция высокопрочного титанового сплава проявляет сверхпластичность при температуре на 75–100°С ниже температуры сверхпластической деформации промышленных сплавов. Это позволяет использовать менее жаропрочные и более дешевые штамповые материалы и существенно увеличить их стойкость [14–17].

Формирование оптимальной регламентированной структуры способствует также успешному осуществлению последующих технологических операций [18]. Например, формирование в поковках и штамповках из алюминийлитиевых сплавов изотропной структуры определенного типа позволяет повысить качество и надежность сварных конструкций.

Значительный практический интерес представляют технологические процессы изготовления точных заготовок лопаток ГТД из жаропрочных никелевых и титановых сплавов с использованием регламентированной холодной деформации. Холодное вальцевание лопаток, наряду со снижением трудоемкости окончательной механической обработки и ручных операций по доводке пера, обеспечивает повышение коэффициента использования дорогостоящих металлов и качества лопаток.

Новая технология включает в себя более точный расчет технологических операций на стадии изготовления предварительной заготовки, регламентированную холодную деформацию на операциях вальцовки пера и переходной зоны – от пера к замку лопатки. При этом достигается формирование однородной структуры во всех элементах лопатки и, соответственно, повышение эксплуатационных характеристик.

Заслуживают внимания технологические процессы изготовления листовых, прутковых и трубных полуфабрикатов из разнородных материалов, а также крупногабаритных листов и сверхтонкой фольги пакетным методом.

В связи с разработкой и все более широким применением технологических процессов сверхпластической формовки листовых деталей, определены оптимальные температурно-скоростные параметры сверхпластической деформации большого числа промышленных и опытных титановых, алюминиевых и магниевых сплавов.

Разработка комбинированных листовых материалов (алюмопластов, металлопластов и т. п.) также потребовала изыскания способов их эффективного формоизменения. Разработан и освоен в промышленности технологический процесс изготовления втулок подшипников скольжения из металлопласта методом вытяжки из листа. Определены предельные коэффициенты формоизменения алюмопластов различных композиций.

 

Заключение

В представленном обзоре технологических процессов показана необходимость и актуальность дальнейших поисков эффективных способов изготовления деформированных полуфабрикатов и заготовок из перспективных конструкционных материалов новых классов, например, сплавов на интерметаллидной основе, титановых и алюминиевых сплавов с дисперсным упрочнением и других. На данном этапе очень важно не допустить отставания в разработке эффективных технологических процессов изготовления деформированных полуфабрикатов из перспективных материалов и создать условия для их широкого промышленного применения.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
2. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь. 2010. № 4. С. 2–7.
3. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Комплексная инновационная технология изотермической штамповки на воздухе в режиме сверхпластичности дисков из супержаропрочных сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 129–141.
4. Способ изготовления штамповок дисков из слитков высокоградиентной кристаллизации из никелевых сплавов: пат. 2389822 Рос. Федерация; опубл. 29.04.2009.
5. Морозова Г.И. Закономерность формирования химического состава γ′/γ-матрицы многокомпонентных никелевых сплавов //ДАН. 1991. Т. 320. №6. С. 1413–1416.
6. Способ получения изделия из деформируемого жаропрочного никелевого сплава: пат. 2387733 Рос. Федерация; опубл. 31.03.2009.
7. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М., Мазалов И.С. Высокожаропрочные деформируемые никелевые сплавы для перспективных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 98–103.
8. Солнцев С.С., Розененкова В.А. Защитные технологические покрытия на основе стекла для термической обработки сталей и сплавов //Стекло и керамика. 2006. №11. С. 29–33.
9. Каблов Е.Н., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропрочных материалов и технологий их производства для авиационного двигателестроения //Крылья Родины. 2012. №3–4. С. 34–38.
10. Фиглин С.З., Бойцов В.В., Калпин Ю.Г., Каплин Ю.И. Изотермическое деформирование металлов. М.: Машиностроение. 1978. 239 с.
11. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М. Новый жаропрочный никелевый сплав для дисков газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ) //Материаловедение. 2010. №7. С. 24–28.
12. Пономаренко Д.А., Моисеев Н.В., Скугорев А.В. Производство дисков ГТД из жаропрочных сплавов на изотермических прессах //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 13–16.
13. Скугарев А.В., Бурханова А.А., Ночовная Н.А., Изотова А.Ю. Эффективность применения изотермической деформации при изготовлении штамповок из титановых сплавов //Титан. 2013. №1(39). С. 31–34.
14. Разуваев Е.И., Лебедев Д.Ю., Бубнов М.В. Формирование ультрамелкозернистой и наноразмерной структуры в металлах и сплавах методами деформации //Авиационные материалы и технологии. 2010. №3. С. 3–8.
15. Пономаренко Д.А., Моисеев Н.В., Скугорев А.В. Эффективная технология изготовления дисков ГТД из жаропрочных никелевых сплавов //Кузнечно-штамповочное производство. 2013. №10. С. 13–17.
16. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М., Мазалов И.С. Высокотемпературные жаропрочные никелевые сплавы для деталей газотурбинных двигателей //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 52–57.
17. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М. Особенности легирования и термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 3–8.
18. Разуваев Е.И., Капитаненко Д.В. Влияние термомеханической обработки на структуру и свойства аустенитных сталей //Труды ВИАМ. 2013. №5. Ст. 01 (viam-works.ru).
1. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih perera-botki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
2. Kablov E.N. Shestoj tehnologicheskij uklad [Sixth technological way] //Nauka i zhizn'. 2010. № 4. S. 2–7.
3. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Lomberg B.S. Kompleksnaja innovacionnaja tehnologija izotermicheskoj shtampovki na vozduhe v rezhime sverhplastichnosti diskov iz superzharoprochnyh splavov [Integrated innovative technology isothermal forging in air superplasticity drive from superzharoprochnyh alloys] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 129–141.
4. Sposob izgotovlenija shtampovok diskov iz slitkov vysokogradientnoj kristallizacii iz nikelevyh splavov [A method of manufacturing forgings from ingots high-gradient drives the crystallization of nickel alloys]: pat. 2389822 Ros. Federacija; opubl. 29.04.2009.
5. Morozova G.I. Zakonomernost' formirovanija himicheskogo sostava γ′/γ-matricy mnogokomponentnyh nikelevyh splavov [Pattern formation of the chemical composition of γ'/γ-matrix multi-nickel alloys] //DAN. 1991. T. 320. №6. S. 1413–1416.
6. Sposob poluchenija izdelija iz deformiruemogo zharoprochnogo nikelevogo splava [A method of manufacturing a heat-resistant nickel alloy wrought]: pat. 2387733 Ros. Federacija; opubl. 31.03.2009.
7. Lomberg B.S., Ovsepjan S.V., Bakradze M.M., Mazalov I.S. Vysokozharoprochnye deformiruemye nikelevye splavy dlja perspektivnyh gazoturbinnyh dvigatelej i gazoturbinnyh ustanovok [Highly heat resistant wrought nickel alloys for advanced gas turbine engines and gas turbines] //Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2011. №SP2. S. 98–103.
8. Solncev S.S., Rozenenkova V.A. Zashhitnye tehnologicheskie pokrytija na osnove stekla dlja termicheskoj obrabotki stalej i splavov [Protective technological coatings based on heat treatment of glass and steel alloys] //Steklo i keramika. 2006. №11. S. 29–33.
9. Kablov E.N., Lomberg B.S., Ospennikova O.G. Sozdanie sovremennyh zharoprochnyh mate-rialov i tehnologij ih proizvodstva dlja aviacionnogo dvigatelestroenija [The creation of modern high-temperature materials and production technologies for aviation engine] //Kryl'ja Rodiny. 2012. №3–4. S. 34–38.
10. Figlin S.Z., Bojcov V.V., Kalpin Ju.G., Kaplin Ju.I. Izotermicheskoe deformirovanie metallov [Isothermal deformation of metals]. M.: Mashinostroenie. 1978. 239 s.
11. Lomberg B.S., Ovsepjan S.V., Bakradze M.M. Novyj zharoprochnyj nikelevyj splav dlja diskov gazoturbinnyh dvigatelej (GTD) i gazoturbinnyh ustanovok (GTU) [New heat-resistant nickel alloy disks of gas turbine engines (GTE) and gas turbines (GT)] //Materialovedenie. 2010. №7. S. 24–28.
12. Ponomarenko D.A., Moiseev N.V., Skugorev A.V. Proizvodstvo diskov GTD iz zharoprochnyh splavov na izotermicheskih pressah [Production of GTE disks of superalloys isothermal presses] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №1. S. 13–16.
13. Skugarev A.V., Burhanova A.A., Nochovnaja N.A., Izotova A.Ju. Jeffektivnost' primenenija izotermicheskoj deformacii pri izgotovlenii shtampovok iz titanovyh splavov [Efficacy of isothermal deformation in the manufacture of titanium alloy forgings] //Titan. 2013. №1(39). S. 31–34.
14. Razuvaev E.I., Lebedev D.Ju., Bubnov M.V. Formirovanie ul'tramelkozernistoj i nanorazmernoj struktury v metallah i splavah metodami deformacii [Formation of ultrafine and nano-sized structures in metals and alloys by deformation] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2010. №3. S. 3–8.
15. Ponomarenko D.A., Moiseev N.V., Skugorev A.V. Jeffektivnaja tehnologija izgotovlenija diskov GTD iz zharoprochnyh nikelevyh splavov [Effective manufacturing technology drives a turbine engine from heat-resistant nickel alloys] //Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo. 2013. №10. S. 13–17.
16. Lomberg B.S., Ovsepjan S.V., Bakradze M.M., Mazalov I.S. Vysokotemperaturnye zharoprochnye nikelevye splavy dlja detalej gazoturbinnyh dvigatelej [High-temperature heat-resistant nickel alloys for turbine engines parts] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 52–57.
17. Lomberg B.S., Ovsepjan S.V., Bakradze M.M. Osobennosti legirovanija i termicheskoj obrabotki zharoprochnyh nikelevyh splavov dlja diskov gazoturbinnyh dvigatelej novogo pokolenija [Features alloying and heat treatment of heat-resistant nickel alloys for disks of gas turbine engines of the new generation] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2010. №2. S. 3–8.
18. Razuvaev E.I., Kapitanenko D.V. Vlijanie termomehanicheskoj obrabotki na strukturu i svojstva austenitnyh stalej [Effect of thermomechanical treatment on the structure and properties of austenitic steels] //Trudy VIAM. 2013. №5. St. 01 (viam-works.ru).
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.