Автореферат (Совершенствование технологии изготовления колец из титанового сплава ВТ6 путем определения рациональных режимов деформирования)

На правах рукописиАЛИМОВ АРТЕМ ИГОРЕВИЧСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯКОЛЕЦ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 ПУТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯРАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯСпециальность 05.02.09 – Технологии и машины обработки давлениемАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в Московскомуниверситете им. Н.Э.

Баумана.Научный руководитель:государственномтехническомЕвсюков Сергей Александровичдоктор технических наук, профессорОфициальные оппоненты: Сосенушкин Евгений Николаевичдоктор технических наук, профессор,ФГБОУВОМосковскийгосударственныйтехнологический университет «Станкин»,кафедра систем пластического деформированияСтебунов Сергей Александровичкандидат технических наук,генеральный директор ООО «Кванторформ»Ведущая организация:ФГБОУВОуниверситет»«ТульскийгосударственныйЗащита состоится «_____» апреля 2017 г. в 14:30 на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.04 в Московском государственномтехническом университете им.

Н.Э. Баумана по адресу:105005, г. Москва, 2-ая Бауманская ул., д.5, стр. 1.Телефон для справок 8 (499) 267-09-63.Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью,просим направлять по указанному адресу.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогогосударственного технического университета им. Н.Э. Баумана и на сайтеwww.bmstu.ru.Автореферат разослан «_____» февраля 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.04канд. техн. наук, доцентСеменов В.И.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.

Одними из наиболее широко применяемыхматериалов в современной технике являются титановые сплавы и, в частности,сплав ВТ6. Из этого сплава производят детали авиационных и ракетныхдвигателей, насосно-компрессорные трубы (НКТ) для шельфовыхместорождений, оборудование химической промышленности, машиностроенияи энергетики. При этом особый класс деталей составляют кольца, являющиеся вбольшинстве своем особо ответственными.Одним из основных методов производства деталей из титановых сплавовявляется обработка давлением. Это связано с тем, что для многих титановыхсплавов пластическая деформация является не только способомформоизменения, но и средством получения требуемой микроструктуры вотличие от большинства сталей и алюминиевых сплавов, в которых требуемуюмикроструктуру можно получить термической обработкой.Выбор правильных режимов деформации и термообработки для титановыхсплавов особенно важен, так как их механические свойства очень сильно зависятот типа и параметров микроструктуры.

При неправильном выборе режимадеформации в титановых сплавах могут произойти необратимыемикроструктурные изменения, которые нельзя будет исправить термическойобработкой.Изучением технологических процессов изготовления колец, в том числе изтитановых сплавов, занимались А.И. Целиков, П.И. Полухин, В.А. Костышев,И.Л.

Шитарев, К.Н. Богоявленский, А.А. Королев, С.А. Микульчик,Е.В. Арышенский, E. Eruç, R. Shivpuri, J.B. Hawkyard, W. Johnson, A.G. Mamalisи другие исследователи.Исследованием закономерностей формирования микроструктуры втитановых сплавах занимались Н.Ф. Аношкин, В.К. Александров, Г.А.

Бочвар,А.А. Ильин, S.L. Semiatin, G. Lütjering, N. Stefansson и другие.Низкая теплопроводность и высокий фактор трения титановых сплавовявляются причиной локализации деформации и формирования неоднороднойструктуры. При этом в зонах интенсивной деформации за счет тепловогоэффекта деформации температура металла может значительно превышатьтемпературу фазового превращения сплава. Из-за колебаний химическогосостава температура полного полиморфного превращения сплава ВТ6 можетизменяться от 930 до 1010 °С.Указанные факторы приводят к нестабильности получаемоймикроструктуры поковок из сплава ВТ6, что, в свою очередь, приводит кнестабильности получаемых механических свойств.Таким образом, работы, направленные на повышение стабильностимеханических свойств колец из титановых сплавов, являются актуальными.Целью работы является обеспечение стабильности механических свойствколец из титанового сплава ВТ6 за счет управления технологическим процессомобработки давлением.1Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:провести анализ методов изготовления колец из титановых сплавови технологических факторов, влияющих на механические свойства колец изтитановых сплавов;разработать математическую модель технологического процессаизготовления колец из титановых сплавов с учетом изменения микроструктуры;экспериментально определить параметры и коэффициентыматематической модели технологического процесса изготовления колец изсплава ВТ6;исследовать влияние параметров технологического процессаизготовления колец из сплава ВТ6 на формоизменение, энергосиловыепараметры и микроструктуру;разработать методику проектирования технологического процессаизготовления колец из сплава ВТ6 с учетом изменения микроструктуры.Область исследования (по паспорту специальности).

Закономерностидеформирования материалов и повышения их качества при различныхтермомеханических режимах, установление оптимальных режимов обработки.Объектом исследования является технология получения колец изтитановых сплавов. В качестве предмета исследования выбраны параметрырежима деформации при ковке и раскатке колец из титанового сплава ВТ6.Методы исследования.

Экспериментальные исследования проводилисьна современном сертифицированном оборудовании. Определение химическогосостава проводилось на сканирующем электронном микроскопе Tescan Vega 3 испектрометре Спекс Лаэс Матрикс Континуум. Механические испытанияпроводились на универсальной испытательной машине Zwick/Roell Z050 икомплексе Gleeble-3800. Заливка образцов для металлографическихисследований осуществлялась на установке для заливки образцов StruersCitoPress-20, шлифовка и полировка проводилась на полуавтоматическомшлифовально-полировальном станке Struers Tegramin-30.

Металлографическиеисследования проводились при помощи микроскопа Olympus GX51,оборудованного специализированной цифровой камерой высокого разрешенияUC30. Обработка изображений проводилась в бесплатных программахImageJ 1.49v, IrfanView, Microsoft Image Composite Editor. Средний размер зеренрассчитывался методом подсчета пересечений границ зерен и методомизмерения длин хорд, доля глобулярной α-фазы в бимодальной структуреопределялась путем наложения сетки с размером ячейки 5х5 мкм.Теоретические исследования базировались на положениях теориипластичности и теории обработки металлов давлением. Исследованиепроводилось путем математического моделирования в программном комплексеDEFORM 2D/3D 11.0 (лицензия № 8144) с использованием метода конечныхэлементов.Все исследования проводились с использованием методов активногопланирования экспериментов и многофакторного регрессионного анализа.Достоверностьрезультатовподтверждаетсямногочисленнымиэкспериментами, проведенными на современном оборудовании.2Получены следующие результаты, имеющие научную новизну ивыносимые на защиту:конечно-элементнаямодельтехнологическогопроцессаизготовления колец из сплава ВТ6, позволяющая определять напряженнодеформированное состояние заготовки, температуру и параметрымикроструктуры на любой стадии технологии изготовления колец;методика прогнозирования микроструктуры титанового сплава ВТ6при обработке давлением, учитывающая динамическую глобуляризацию,прямое и обратное полиморфное превращение;зависимости, позволяющие определять величину средней объемнойдоли глобулярной структуры от начальной температуры ковки, временивыдержки между ударами и степени деформации при осадке.Практическую значимость представляют следующие результаты:методика проектирования технологического процесса изготовленияколец из сплава ВТ6, учитывающая изменение микроструктуры в процессеобработки давлением;пользовательские подпрограммы для программных комплексовDEFORM и QForm для расчета объемной доли глобулярной структуры сплаваВТ6 при обработке давлением;параметрырежиматехнологииизготовлениязаготовкиармирующего кольца сильфона ракетного двигателя РД-171 из сплава ВТ6,обеспечивающие формирование глобулярной микроструктуры.Апробация работы.

Основные положения работы были доложены наследующих конференциях и научных семинарах: Международный Форум«Инженерные системы», М., 2011, 2012, 2015; XI Конгресс «Кузнец-2012»,Рязань, 2012; XVI Международная научно-техническая конференция«Достижения и проблемы развития технологий и машин обработки давлением»,Краматорск, Украина, 2011; VI Всероссийская конференция молодых ученых испециалистов «Будущее машиностроения России», М., 2015; Международнаянаучно-практическая конференции «Теоретические и прикладные задачиобработки металлов давлением и автотехнических экспертиз», Винница, 2011;Четвертая и Пятая Всероссийская научно-техническая конференция«Студенческая весна: Машиностроительные технологии», М., 2011, 2012.Публикации.

Основное содержание работы изложено в 16 научныхработах общим объемом 4,93 печ. л., в том числе 5 в изданиях, входящих вПеречень рецензируемых научных изданий ВАК РФ.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти главосновного текста, общих выводов. Общий объем диссертации составляет160 страниц. Диссертация содержит 156 рисунков, 19 таблиц и списоклитературы из 164 наименований.Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки поприоритетным направлениям развития научно-технического комплекса на 20142020 г.» при государственной поддержке Минобрнауки по Соглашению №14.576.21.0030 от 30.06.2014 г. Уникальный идентификатор проекта RFMEFI57614X0030.3КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении раскрыта актуальность темы, определена цель и задачиисследования, сформулированы научная новизна и практическая значимостьработы.В первой главе охарактеризовано современное состояние технологииизготовления колец из титановых сплавов.Проведен обзор основных методов изготовления колец.

Обосновано, чтоковка заготовки с последующей раскаткой является наиболее рациональнымметодом изготовления колец из титановых сплавов для аэрокосмическойпромышленности. Установлено, что для прогнозирования технологическойнаследственности свойств и структуры титановых сплавов необходимоучитывать в расчетах процесс ковки как предварительную операцию втехнологическом процессе изготовления колец. При проведении анализаактуальной научно-технической литературы исследований по изучениютехнологической наследственности микроструктуры конечного изделия отрежимов ковки и раскатки при изготовлении колец из сплава ВТ6 не обнаружено.Показано, что аналитические методы расчета параметров раскатки колецтребуют введения большого числа допущений о процессе раскатки, чтосущественно снижает адекватность получаемых результатов.

Наиболееуниверсальным методом расчета, позволяющим избежать введения большогочисла допущений, является метод конечных элементов.Показано, что тип и параметры микроструктуры оказывают существенноевлияние на механические свойства титановых сплавов. На основе анализасуществующих экспериментальных исследований было установлено, чтонаилучшим комплексом механических свойств обладает мелкозернистаяглобулярная структура либо бимодальная структура с мелкозернистойпервичной α-фазой и тонкопластинчатым строением β-превращенной фазы.Установлено, что наиболее важным с практической точки зрения являетсяпроцесс превращения ламеллярной структуры в глобулярную в процесседеформации, то есть динамическая глобуляризация.