Автореферат (Влияние химического состава и структуры на обрабатываемость резанием титановых сплавов ВСТ2К и ВТ6)

На пправах руукописиММИТРОППОЛЬСККАЯ НАТТАЛИЯ ГЕОРГИЕГЕВНАВЛИЯННИЕ ХИММИЧЕСККОГО СООСТАВАА И СТРУУКТУРЫЫ НАООБРАБАТТЫВАЕММОСТЬ РЕЗАНИИЕМ ТИТТАНОВЫЫХ СПЛААВОВВСТ2К И ВТ6ССпециалььность05.16.01 – МеталловМедение и термичесская обработка метталлов и сплавовсААВТОРЕФФЕРАТдиссеертации нна соисканние ученоой степенникандид ата техниических наукММосква – 2017 Работа выполнеена на каафедре «ММатериалловедениее и техноология обработкииматеериалов» федераального государсственногоо бюджетного образоваательногооучрееждения высшегго обраазования «Москковский авиациоонный институтт(нацциональныый исследдовательский унивверситет)»» (МАИ).Науччный руководителль:академикк РАН,доктор ттехническких наук, профессопорАлександдр АнатолльевичИльин АОфиициальныее оппоненнты:й Валерььевич,Жеребцоов Сергейдоктор ттехническких наук,федералььноегосударрственноееавттономноееобразоваательное учрежденуние высшеего образования«Белгороодский гоосударственный наациональнныйисследоввательскиий университет» (ННИУ «БеллГУ»),заведующщий кафеедройИллариоонов Анаатолий Геннадьеввич,кандидатт техничееских наукк, доценттФГАОУ ВО «Ураальский федеральнфный унивеерситетимени ппервого ПрезиденПнта Россиии Б.Н.ЕЕльцина»,,доцентущая оргаанизация::ВедуФГБОУВО«Рыбиннскийгосударсственныййавиационнный теххническийй универсситет имени П.А..Соловьевва»Защитаа диссертаации состтоится «211» декабрря 2017г.

в 14:00 ччасов на заседанииидисссертационнного соввета Д 2112.125.15 в ФГБООУ ВО «Московс«кий авиаационныййинсттитут (наациональнный иссследователльский университутет)» (ММАИ) по адресу::1215552, г. Моосква, ул.. Оршанская, д. 3 Отзывы нан авторееферат в ддвух экзеемплярах,,заверренные ппечатью организацоции, просиим направвлять по адресу: 1125993, г.. Москва,,Волооколамское шоссе, д. 4, А-880, ГСПП-3, МААИ, ученному сеекретарююдисссертационнногоСкворццовойС.В.ипооэлекктронноййсоветапочтте skvorcoovasv@maati.ruС диссеертацией можно ознакомитоться в бииблиотекее Универсситета и на сайте::Dissertatsiiya_Mitroopolskaya.pdfhttpss://mai.ru/uupload/ibllock/150/DАвторефферат раззослан «» ноябрря 2017г.Ученный секреетарьдисссертационнного совета Д 212.125.152 Сккворцова С.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемыБлагодарясбалансированномусочетаниюфизико-механическихитехнологических свойств титановый сплав ВТ6 (Ti-6Al-4V) является одним изнаиболее часто используемых материалов для изготовления изделий ответственногоназначения, в частности, высоконагруженных медицинскихимплантатов.Производство изделий из титана от выплавки слитков и получениядеформированных полуфабрикатов до готовой продукции является энергозатратными дорогостоящим процессом.

Поэтому, несмотря на преимущества титана побиологической совместимости, удельной прочности и коррозионной стойкости вбиологической среде, зачастую использование нержавеющей стали дляизготовленияимплантируемыхмедицинскихизделийэкономическипредпочтительнее.Перспективным способом снижения стоимости титановой продукции являетсявовлечение в производство вторичных отходов, что позволяет удешевить вторичныесплавы на 30% и более при сохранении основных конструкционных свойств,присущих титановым сплавам.

Такой сплав, впоследствии названный ВСТ2К, былсоздан в ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА (патент РФ №2425164).Однако, вследствие непредсказуемого сочетания отходов, имеющихся вналичии на момент плавки, трудно получить составы слитков с точнорегламентированными структурой и свойствами. Это может приводить к большомуразбросу механических и технологических свойств полуфабрикатов, изготовленныхиз разных плавок.

Поэтому разработка технологии обработки полуфабрикатов изсплава ВСТ2К, полученных из слитков с разным химическим составом,обеспечивающей формирование однотипной структуры и, соответственно,стабильного уровня свойств, является актуальной задачей.Известно, что титановые сплавы трудно обрабатываются резанием.Применение фасонного литья для изготовления деталей из титановых сплавовзачастую неприемлемо вследствие формирования крупнопластинчатой структуры, внесколько раз снижающей ресурс их работы при знакопеременных нагрузках. Априменение изотермической штамповки целесообразно только при массовомпроизводстве. Одним из вариантов решения данной проблемы является созданиеспециальных сплавов с улучшенной обрабатываемостью. Однако полностью решитьпроблему таким путем не удается, т.к.

эти сплавы не всегда могут обеспечитьтребуемый комплекс свойств.На обрабатываемость резанием влияют не только режимы обработки иматериал режущего инструмента, но и химический состав сплава и его структурноесостояние.Однако данный аспект проблемы практически не изучен. Поэтомуисследованиевлияния химического состава и структуры (α+β)-сплавов натермосиловые параметры резания и качество обрабатываемой поверхности являетсяактуальной задачей.Цель данной диссертационной работы состояла в установлении влиянияхимического состава и структуры сплавов ВСТ2К и ВТ6 на комплекс механических3 свойств и термосиловые параметры резания и разработке на этой основе технологийих обработки, обеспечивающих регламентированной уровень физико-механическихсвойств.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1.

Установить влияние химического состава, температуры нагрева и скоростиохлаждения на формирование структуры и свойства горячекатаных плит из сплаваВСТ2К.2. Разработать режимы термической обработки, обеспечивающиеформирование регламентированной структуры и уровень свойств в горячекатаныхполуфабрикатах из сплава ВСТ2К.3. Провести сравнительную оценку коррозионной стойкости сплавов ВСТ2К,ВТ6, медицинской стали и кобальт-хром-молибденового сплава.4. Установить влияние химического состава и структуры сплава ВСТ2К натермосиловые параметры резания.5. Оценить влияние химического состава и структуры сплава ВСТ2К наструктуру стружки.6.

Исследовать влияние дополнительного легирования водородом наобрабатываемость резанием сплава ВСТ2К.7. Изучить влияние химического состава сплава ВТ6 на качествополированной поверхности заготовок.Научная новизна:1. Показано, что в качестве критерия обрабатываемости резанием сплававозможно использовать расстояние между полосами сдвига (Lс), образующимися вструктуре стружки. Установлено, что чем меньше это расстояние, тем лучшеобрабатываемость резанием: ниже усилие резания и температура в зоне резания.Установлено, что сравнение данного параметра можно проводить только для сплаваодного состава в разных структурных состояниях.

При изменении химическогосостава сплава закономерность изменения Lс сохраняется, но абсолютные значениямогут существенно отличаться.2. Установлено, что для сплава ВСТ2К минимальные усилие резания итемпературу в зоне резания обеспечивает структура с глобулярной морфологиейчастиц α-фазы размером 3-7 мкм и твердостью 35-37 ед.HRC.3. Показано, что присодержании алюминия 6,0-6,3% в сплаве ВТ6обеспечивается стабильно высокое качество полированной поверхности заготовки сшероховатостью Rа  0,04 мкм.

Установлено, что при содержании алюминия менее6,0% механическое полирование не позволяет получить чистоту поверхности менее0,05 мм вследствие «наволакивания» металла, а при содержании алюминия более6,3% в процессе полировки наблюдается «выкрашивание» частиц металла споверхности, а значение параметра Rа нестабильно и может изменяться от 0,02 до0,1 мкм.Теоретическая и практическая значимость:1.

Доказана возможность улучшения термосиловых характеристик резания засчет изменения структурного состояния материала.4 2. Разработаны режимы отжига горячекатаных полуфабрикатов из сплаваВСТ2К разного химического состава, обеспечивающие формирование однотипнойструктуры и стабильных свойств. Определены температуры нагрева и скоростьохлаждения в зависимости от содержания β-стабилизаторов.

Для сплавов с[Мо]экв=4,0÷5,0 отжиг необходимо проводить при температуре 880°С (Тпп 100°С), для сплава с [Мо]экв=5,0÷6,0 – при 920°С (Тпп  60°С), а для сплава с[Мо]экв≥6,0 – при 880°С (Тпп  90°С). Последующая изотермическая выдержка втечение 1 часа и охлаждение со скоростью 0,04 К/с до комнатной температурыпозволяют сформировать однотипную структуру и примерно одинаковый уровеньсвойств. Разработанные режимы отжига обеспечивают не только требуемыйуровень свойств, но и лучшую обрабатываемость резанием.3.

Даны рекомендации по химическому составу прутков из сплава ВТ6,предназначенных для изготовления шаровых головок эндопротезов тазобедренногосустава: для уменьшения времени обработки и обеспечения стабильно высокогокачества полированной поверхности содержание алюминия в полуфабрикатедолжно лежать в интервале 6,0 – 6,3 масс.%.Методы исследованияВ работе были использованы металлографический и рентгеноструктурныйанализы, проводились различные виды механических испытаний. Результатыиспытаний подвергали обработке методами математической статистики.Положения, выносимые на защиту:1.

Закономерности формирования структуры в сплаве ВСТ2К разногохимического состава при термическом воздействии.2. Изменение термосиловых параметров резания в зависимости отхимического состава и структуры сплава ВСТ2К.3. Изменение термосиловых параметров резания в зависимости от содержанияводорода в сплаве ВСТ2К.4. Закономерности изменения шероховатости поверхности (Rа) в зависимостиот содержания алюминия в сплаве ВТ6.Достоверность: все результаты получены на поверенном оборудовании сиспользованием лицензионного программного обеспечения, испытания и измеренияпроводились в соответствии с требованиями ГОСТ, достоверность результатовподтверждается хорошим совпадением экспериментальных данных и теоретическихрасчетов, использованием методов математической статистики при обработкерезультатов.Апробация работы: Материалы работы доложены на 7 научно-техническихконференциях и семинарах, в том числе: на Международных конференциях «Ti вСНГ» (Львов, 2011 г.; Казань, 2012 г., Донецк, 2013 г., Санкт-Петербург, 2016), наVII Международном Аэрокосмическом Конгрессе IAC’12 (Москва, 2012), наМеждународных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения»(Москва, МАТИ, 2012 г., Москва, МАТИ, 2014)5 Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 13 работах,в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых журналах, входящих в переченьВАК РФ.

Список основных публикаций приведен в конце автореферата.Личный вклад: автора состоит в ее непосредственном и активном участии вформировании цели и задач исследования, в проведении теоретических иэкспериментальных исследований, анализе и обработке полученных результатов, ихобобщении, формулировке рекомендаций и выводов по диссертации, а такжеподготовке статей и докладов на научных конференциях.Объем диссертации и ее структура: Диссертация изложена на 183 страницахмашинописного текста, содержит 52 рисунка и 35 таблиц. Работа состоит извведения, 5 глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 121наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы исследования. Показано, что дляиспользования «вторичного» титанового сплава ВСТ2К для производствамедицинских изделий необходима разработка технологии его обработки дляобеспечения формирования однотипной структуры и, соответственно, стабильногоуровня свойств.