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

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Э. БАУМАНАНа правах рукописиАЛИМОВ АРТЕМ ИГОРЕВИЧСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯКОЛЕЦ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 ПУТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯРАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯСпециальность 05.02.09 – Технологии и машины обработки давлениемДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук,профессор Евсюков С. А.Москва – 2017 г.2СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................. 4Глава 1.

Состояние вопроса .................................................................................. 101.1.Основные методы изготовления колец................................................... 101.2.Технология раскатки колец...................................................................... 111.3.Методы расчета параметров раскатки колец .........................................

151.4.Прогнозирование эволюции микроструктуры титановыхсплавов при горячей обработке давлением ............................................ 34Выводы по первой главе ........................................................................................... 53Глава 2. Разработка математической модели технологическогопроцесса раскатки колец из сплава ВТ6 ............................................ 542.1.Основные допущения ............................................................................... 542.2.Математическая модель пластической деформации.............................

542.3.Математическая модель теплопередачи ................................................. 582.4.Модель трения ........................................................................................... 632.5.Методика прогнозирования микроструктуры сплава ВТ6 приобработке давлением ................................................................................

642.6.Конечно-элементная модель ковки заготовки ....................................... 672.7.Конечно-элементная модель раскатки колец ......................................... 692.8.Анализ влияния учета теплопроводности инструментов нарезультаты решения тепловой задачи..................................................... 71Выводы по второй главе ...........................................................................................

73Глава 3. Экспериментальные исследования ..................................................... 743.1.Используемые материалы, методы и оборудование ............................. 743.2.Определение температуры полного полиморфногопревращения сплава ВТ6 ......................................................................... 813Стр.3.3.Идентификация реологической модели сплава ВТ6 при горячейобработке давлением ................................................................................

823.4.Определение фактора трения сплава ВТ6 с инструментом.................. 943.5.Исследование статической глобуляризации сплава ВТ6...................... 983.6.Идентификация параметров математической моделидинамической глобуляризации сплава ВТ6 ......................................... 102Выводы по третьей главе ........................................................................................ 112Глава 4. Исследование технологического процесса изготовленияколец ........................................................................................................

1134.1.Исследование технологического процесса ковки ............................... 1144.2.Исследование технологического процесса раскатки колец ............... 123Выводы по четвертой главе.................................................................................... 132Глава 5. Использование результатов работы ................................................. 1335.1.Методика проектирования технологического процессаизготовления колец из сплава ВТ6 с учетом изменениямикроструктуры ...................................................................................... 1335.2.Разработка технологии изготовления заготовки армирующегокольца сильфона ракетного двигателя РД-171 ....................................

1375.3.Моделирование изменения микроструктуры при формовкерезьбы ниппеля шельфовых труб из сплава ВТ6 ................................ 138Выводы по пятой главе ........................................................................................... 142ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ............................................................................................... 143СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................... 1454ВВЕДЕНИЕВажнейшим показателем уровня промышленного развития государстваявляется возможность создания особо ответственных изделий машиностроения.Совокупность показателей качества изделий выступает как главнейшийрезультат совершенствования производства [26].Одними из наиболее широко применяемых материалов в аэрокосмическойотрасли являются титановые сплавы [111]. Например, титановые сплавысоставляют 7 % в конструкции фюзеляжа и 36 % в двигателе гражданскогосамолета Airbus A330/340 [153], 33 % в конструкции истребителя F-22 «Raptor»[46].В настоящее время наблюдается тенденция к увеличению долииспользования титановых сплавов в гражданском самолетостроении.

С 2006 по2015 год потребление титана в гражданском самолетостроении увеличилосьболее чем в 2 раза [7]. Аналогичная тенденция наблюдается в ракетостроении ипроизводстве боевых самолетов.Наиболее широко используемым титановым сплавом является сплав ВТ6,который применяют при температуре до 350 °C [7; 44; 116]. Из этого сплавапроизводятдеталиавиационныхиракетныхдвигателей,насосно-компрессорные трубы (НКТ) для шельфовых месторождений, оборудованиехимической промышленности, машиностроения и энергетики. При этом особыйкласс деталей составляют кольца, являющиеся в большинстве своем особоответственными.Одним из основных методов производства деталей из титановых сплавовявляется обработка давлением. Это связано с тем, что для многих титановыхсплавовпластическаядеформацияявляетсянетолькоспособомформоизменения, но и средством получения требуемой микроструктуры вотличие от большинства сталей и алюминиевых сплавов, в которых требуемуюмикроструктуру можно получить термической обработкой [17; 72].Выбор правильных режимов деформации и термообработки для титановыхсплавов особенно важен, так как их механические свойства очень сильно зависят5от типа и параметров микроструктуры [7; 27; 55; 63; 81; 97; 104; 116; 124; 136].При неправильном выборе режима деформации в титановых сплавах могутпроизойти необратимые микроструктурные изменения, которые нельзя будетисправить термической обработкой [59; 81].Изучением технологических процессов изготовления колец из различныхконструкционных материалов, в том числе из титановых сплавов, занималисьА.И.

Целиков [29], П.И. Полухин [4; 10; 11; 24], В.А. Костышев и И.Л. Шитарев[16; 17], К.Н. Богоявленский [3], А.А. Королев [15], С.А. Микульчик [18],Е.В. Арышенский [1], E. Eruç и R. Shivpuri [65; 66; 143], J.B. Hawkyard [35; 101],W. Johnson [86], A.G. Mamalis [101] и другие исследователи. Исследованиемобщих закономерностей формирования микроструктуры в титановых сплавахзанимались Н.Ф. Аношкин [23; 27; 28], В.К.

Александров [23], Г.А. Бочвар [23;28], А.А. Ильин [7], S.L. Semiatin [137; 138; 140; 141], G. Lütjering [97],N. Stefansson [141; 145; 146] 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 нестабильностиполучаемой микроструктуры поковок из сплава ВТ6, что, в свою очередь,приводит к нестабильности получаемых механических свойств.Таким образом, работы, направленные на повышение стабильностимеханических свойств колец из титановых сплавов, являются актуальными.Целью работы является обеспечение стабильности механических свойствраскатанныхколецизтитановогосплаваВТ6технологическим процессом обработки давлением.засчетуправления6Для 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;-экспериментальноопределитьпараметрыикоэффициентыматематической модели технологического процесса изготовления колец изсплава ВТ6;-исследоватьвлияниепараметровтехнологическогопроцессаизготовления 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 икомплексеGleeble-3800.Заливкаобразцовдляметаллографическихисследований осуществлялась на установке для заливки образцов StruersCitoPress-20, шлифовка и полировка проводилась на полуавтоматическомшлифовально-полировальном станке Struers Tegramin-30. МеталлографическиеисследованияпроводилисьприпомощимикроскопаOlympusGX51,7оборудованного специализированной цифровой камерой высокого разрешенияUC30.