3D-контроль рельефа поверхности в полых гофрированных конструкциях из титановых сплавов после сверхпластической формовки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 538.971+620.179.1

ЭБ-КОНТРОЛЬ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ В ПОЛЫХ ГОФРИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ

СИСАНБАЕВ А.В., КРУГЛОВ А.А., ЛУТФУЛЛИН Р.Я., МУХАМЕТРАХИМОВ М.Х. Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39

АННОТАЦИЯ. Исследован деформационный рельеф внутренних поверхностей в полых гофрированных конструкциях, полученных сверхпластической формовкой из листовых заготовок титанового сплава ВТ6 с мелкозернистой структурой. ЗБ-контроль бесконтактным методом лазерной сканирующей микроскопии показал степень влияния исходного размера зерна и противосварочного покрытия на параметры деформационного рельефа внутренней поверхности.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: титановый сплав, сверхпластическая формовка, полая гофрированная конструкция, противосварочное покрытие, деформационный рельеф поверхности, лазерная сканирующая микроскопия, количественный ЗБ-контроль.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие методов сверхпластической формовки (СПФ) и сварки давлением позволило получать из листовых заготовок полые гофрированные конструкции [1, 2]. Такие конструкции содержат внутренние замкнутые полости между обшивками и ребрами жесткости. Примером является титановая лопатка вентилятора авиационного двигателя [3]. После СПФ в изделиях образуется деформационный рельеф поверхности (ДРП) [4 - 6]. Появление ДРП в первую очередь связывают с развитием зернограничного проскальзывания - основного механизма сверхпластической деформации. ДРП может отрицательно влиять на уровень усталостной прочности при эксплуатации изделий в условиях знакопеременных нагрузок. Ранее внешний ДРП исследовался на сферических и цилиндрических оболочках, полученных СПФ из листов титанового сплава ВТ6 [4 - 6]. Гофрированные конструкции в отличие от оболочек имеют внутренние полости между обшивками и наполнителем. Обработка внутренних поверхностей трудоемка или технически невозможна. В этой связи актуально выявление степени влияния различных факторов (размер зерен, степень деформации, температура, защитное покрытие и т.д.) на морфологию внутреннего ДРП.

В представленной работе проведена сравнительная количественная оценка ЗБ-параметров деформационного рельефа внутренних поверхностей гофрированной конструкции из титанового сплава ВТ6 после СПФ.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Исследование ДРП проводили на моделях полой лопатки, имеющих гофрированную конструкцию (рис. 1).

Модели были изготовлены из промышленных листов титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V) с разным исходным среднем размером зерен (йср.) при одинаковой шероховатости поверхности Ra ~ 3 мкм. Температуру СПФ выбирали исходя из йср. в листе наполнителя, образующего ребра жесткости между обшивками в конструкции. В качестве внутренних объектов 3D-контроля были выбраны: ребро тип I (йср. ~ 1 мкм и СПФ при 800 °С), ребро тип II (йср. ~ 3 мкм и СПФ при 900 °С) и верхняя обшивка (йср. ~ 8 мкм и СПФ при 900 °С) с противосварочным покрытием. 3D-съемку поверхности проводили с помощью лазерного сканирующего микроскопа «LSM-5-Exciter» (Carl Zeiss, Germany) [6 - 8]. Применяли конфокальный метод сканирования, который позволяет визуализировать и измерять топографию ДРП криволинейного профиля. С помощью программы 3D-анализа «ZEN» определяли локальные (по профилограмме) и интегральные (по всей сканируемой поверхности) размерные параметры морфологии ДРП: среднее арифметическое отклонение (Ra и RSa), среднюю высоту (Rc и RSc) и усредненный пик долины или экстремум (Rz и RSz). Вычисляли также безразмерный параметр ДРП в виде эксцесса (RSku). Эксцесс (резкость) является мерой остроты пиков рельефа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для качественного сравнения на рис. 2 и 3 приведены 2Э- и 3Э-изображения ДРП, соответственно. Видно, что морфология ДРП в разных внутренних объектах 3Э-контроля существенно отличается.

а) б) в)

Рис. 2. 2Б-изображения ДРП объектов контроля после СПФ: а) - ребро I; б) - ребро II; в) - обшивка

а) б) в)

Рис. 3. ЭБ-изображения и локальные профилограммы ДРП объектов контроля после СПФ:

а) - ребро I; б) - ребро II; в) - обшивка

В таблице приведены технологические характеристики и количественные параметры ДРП внутренних объектов 3D-контроля. После СПФ при оптимальной температуре величина деформации (е) в ребрах разного типа одинакова и заметно выше, чем в обшивке.

Таблица

Технологические характеристики и параметры ДРП объектов контроля

Объект контроля dср., мкм e RSa,мкм RSc, мкм RSz, мкм ^ки

Ребро I 1,1 0,4 1,4 17,8 20,3 4,2

Ребро II 3,1 0,4 2,8 23,9 37,0 3,8

Обшивка 8,4 0,1 9,5 55,5 83,1 6,1

Сравнительный анализ ребер позволяет выявить влияние на тенденции изменений параметров ДРП. Видно, что направления изменений для разных параметров ДРП ребер разные. При ~ 3 мкм (ребро II) ЯЗа сохраняется на уровне исходного параметра листа. При меньшем ~ 1 мкм (ребро I) наблюдается как бы «размытие» ЯЗа относительно исходного параметра листа. В целом, при увеличении в ~ 3 раза параметры Я8с и ЯЗ увеличиваются в 1,3 и 1,8 раз, соответственно. Параметр ЯЗки для обоих ребер схож, т.е. резкость рельефа одинакова. В обшивке все анализируемые параметры ДРП оказались заметно выше, чем в ребрах. Это говорит о большей степени влияния исходного на развитие ДРП, чем величины е после СПФ при оптимальной температуре. Увеличение ЯЗ^ указывает на качественное изменение морфологии ДРП обшивки и связано с растрескиванием противосварочного покрытия. В гофрированных конструкциях наиболее опасным местом зарождения усталостных трещин является внутренняя поверхность обшивки. Трещины с внутренней поверхности обшивки могут беспрепятственно выйти на внешнюю сторону. Появление трещины на ребре менее опасно, т.к. она останется внутри конструкции. Одними из способов повышения трещиностойкости гофрированных конструкций может быть изготовление обшивок многослойными, состоящими из соединенных сваркой давлением листовых заготовок. Как показано в работе [9] границы сварных соединений будут препятствовать сквозному прохождению трещины через обшивку.

ВЫВОДЫ

Внутри гофрированной конструкции морфология ДРП ребер и обшивки существенно отличается. Параметры ДРП ребер и обшивки в основном зависят от исходного размера зерен в листе наполнителя. Особенности развития ДРП обшивки связаны наличием противосварочного покрытия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Круглов А. А., Лутфуллин Р.Я., Мухаметрахимов М.Х., Руденко О. А., Сафиуллин Р.В. Средний размер зерен в титановом сплаве ВТ6 и выбор рациональной схемы интегрального процесса сверхпластической формовки/сварки давлением // Перспективные материалы. 2005. № 6. С. 79-85.

2. Сафиуллин Р.В. Сверхпластическая формовка и сварка давлением многослойных полых конструкций. Часть I. Международный опыт // Письма о материалах. 2012. Т. 2, вып. 1. С. 32-35.

3. Мулюков Р.Р., Сафиуллин Р.В., Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я., Иноземцев А.А., Кокшаров Н.Л., Харин С.А., Морозов М.А. Перспективная технология изготовления полой широкохордной лопатки вентилятора // В кн.: «Нанотехнологии и наноматериалы Пермского края». Пермь : Изд-во Перм. ЦНТИ, 2009. С. 61-65.

4. Kaibyshev O.A., Safiullin R.V., Lutfullin R. Ya., Valiakhmetov O.R., Galeyev R.M., Dutta A., Raghu T. and Saha G.G. Advanced Superplastic Forming and Diffusion Bonding of Titanium Alloy // Materials Science and Technology. 2006. V. 22, № 3. Р. 343-348.

5. Петров Е.Н., Родионов В.В., Кузьмин Э.Н., Лутфуллин Р.Я., Сафиуллин Р.В. Ячеистые конструкции. Снежинск : Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2008. 176 с.

6. Круглов А.А., Руденко О.А., Сисанбаев А.В. Температурная зависимость деформационного рельефа наноструктурного титанового сплава после сверхпластической формовки // Перспективные материалы. 2011. № 12 (спец. вып.). С. 258-261.

7. Ахатова А.Ф., Саркеева А.А., Круглов А.А., Сисанбаев А.В., Александров И.В. 3D-анализ изломов титанового сплава ВТ6 после испытаний на ударный изгиб методом лазерной сканирующей микроскопии // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16, № 1. С. 109-114.

8. Круглов А.А., Сисанбаев А.В., Руденко О.А., Лутфуллин Р.Я. Деформационный рельеф поверхности титанового сплава после низкотемпературной сверхпластической формовки // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16, № 3. С. 425-430.

9. Саркеева А.А., Круглов А.А., Бородин Е.М., Гладковский С.В., Лутфуллин Р.Я. Поведение при ударном нагружении слоистого материала из титанового сплава // Физическая мезомеханика. 2012. Т. 5, № 5. С. 51-57.

3D-CONTROL SURFACE TOPOGRAPHY IN HOLLOW CORRUGATED STRUCTURES MADE OF TITANIUM ALLOY MATERIAL AFTER SUPERPLASTIC FORMING

Sisanbaev A.V., Kruglov À.À., Lutfullin R.Ya., Mukhametrakhimov M.Kh.

Institute for Metals Superplasticity Problems of Russian Academy of Sciences, Ufa, Russia

SUMMARY. Investigated deformation relief surface (DRS) in hollow structures obtained by superplastic forming (SPF) of titanium alloy sheet blanks BT6 with ultrafine and fine-grained structure. 3D-control contactless method laser scanning microscopy showed the mutual influence of the conditions of complex stress state and structure parameters on the DRS.

KEYWORDS: titanium alloy superplastic forming, hollow structure, deformation relief surface, laser scanning microscopy, quantitative 3D-control.

Сисанбаев Альберт Василович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПСМРАН, тел. (347)282-37-10, e-mail: sisan-av@yandex.ru

Круглов Алексей Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИПСМ РАН, e-mail: alweld@go.ru

Лутфуллин Рамиль Яватович, доктор технических наук, заведующий лабораторией ИПСМ РАН, e-mail: lutram@anrb.ru

Мухаметрахимов Миннауль Хидиятович, кандидат технических наук, научный сотрудник ИПСМ РАН