CC BY
15
ФТИ НАН Беларуси -ИИМ Китайской АН:
Гот контрактов к созданию совместной лаборатории
Физико-технический институт (ФТИ) НАН Беларуси и Институт исследования металлов (ИИМ) Китайской АН уже несколько лет сотрудничают в области обработки машиностроительных материалов, в частности - получения различных деталей пластическим формообразованием (штамповкой и прокаткой). Выполняются теоретические
и экспериментальные исследования, создаются технологии и оборудование по двум основным направлениям: гидропрессование и импульсная гидроударная штамповка; поперечно-клиновая прокатка труд-нодеформируемых сплавов для изготовления деталей из листовых и трубчатых заготовок.
Сотни лабораторий во всем мире занимаются темами пластической деформации и создания новых высокопрочных сплавов. Тем не менее
получение качественной продукции из материалов с низкой пластичностью и труднодеформируемых остается весьма актуальной проблемой, особенно при производстве деталей, предназначенных для эксплуатации в условиях высоких скоростей и температур, экстремальных напряжений и перегрузок. Речь идет в первую очередь о потребностях авиационной и аэрокосмической промышленности, где широко используются сплавы класса super alloy, обладающие повышенными прочностными характеристиками (пределом прочности при растяжении, пределом ползучести, длительной прочностью). Например, боевые характеристики современного истребителя определяются не столько вооружением, сколько длительной прочностью лопатки турбины двигателя - от ее надежности и долговечности зависят маневренность и скорость летательного аппарата. При этом значение имеют даже несколько единиц МПа, десятые доли процента. Обратная сторона медали большинства высокопрочных сплавов - их пониженная технологическая пластичность, предопределяющая значительные сложности при обработке давлением.
£ О
Соглашение об открытии совместной лаборатории подписано. Беларусь, Минск, 2017 г. На фото (слева направо): Ченг Минг, А.И. Покровский, Ши-Хонг Джанг, В.Г. Залесский, В.В. Петренко
42 НАУКА И ИННОВАЦИИ | №7 (185) | Июль 2018 |
http:// in nos fera. by
Решению подобных проблем посвящено сотрудничество НАН Беларуси и Китайской АН. Материалами для исследований являются высокопрочные, но труднодефор-мируемые и характеризуемые пониженной пластичностью сплавы на алюминиевой, железной, никелевой основах, которые применяются в аэрокосмической промышленности.
Институт исследования металлов КАН
ИИМ - головное подразделение Китайской академии наук в области исследований металлов и технологий их обработки. Численность сотрудников института достигает 1000 человек, все свободно или удовлетворительно владеют английским языком, средний возраст около 40 лет; здесь издается несколько научных журналов.
Лаборатория гидроформинга ИИМ в Шэньяне занимается гидропрессованием изделий сложной конфигурации из листовых и трубчатых заготовок (раздача, обжим). Группа руководителя лаборатории профессора Ши-Хонг Джанга ведет фундаментальные исследования в сфере пластической деформации, а также разрабатывает конструкторскую документацию и изготавливает опытные партии изделий для ряда известных фирм (Audi, Porsche и др.), в том числе аэрокосмических (Shenyang Aerospace Mitsubishi Motors Engine Manufacturing - SAME, Shenyang Aircraft Corporation - SAC). При этом используются программы компьютерного моделирования, позволяющие заранее оценить штам-пуемость, заполняемость малых радиусов, вероятность появления трещин и т.д. Научные результаты пу-
бликуются в самых рейтинговых англоязычных научных журналах. Ши-Хонг Чжанг - один из ведущих ученых в области гидроформинга, председатель всемирных комиссий по штамповке и глубокой вытяжке.
Основы
сотрудничества
Фундамент взаимной заинтересованности начал строиться более 40 лет назад: в 1977 г. академик А. В. Степаненко и доктор технических наук А. В. Алифанов посетили ИИМ КАН, затем в ФТИ прошел стажировку профессор Дэхой Гуан. Со временем были подписаны важные соглашения, позволяющие ученым обеих стран встречаться, обмениваться опытом, читать лекции.
В 2015 г. был подписан первый коммерческий контракт. Китайская сторона предоставила материал -алюминиевый лист. На оборудовании ФТИ была изготовлена штам-повая оснастка для получения небольшой модельной детали типа «колпачок» или «стаканчик» с заданной формой, радиусами, переходами; проведена опытная штамповка при различных энергосиловых параметрах, с недозаполнен-ной формой штампа или, наоборот, с доведением образца до разрушения; построена своеобразная диаграмма пластичности.
Интерес ИИМ к сотрудничеству с белорусскими коллегами обусловлен рядом причин. Во-первых, в ФТИ НАН Беларуси давно сложилась школа по импульсной обработке листового металла через промежуточные среды и по прокатке труднодеформируемых материалов. Во-вторых, в импульсных технологиях применяется очень высокая скорость деформации, которую ма-
ло кому удалось достичь. Импульс большой энергии подается за очень короткое время (длительность воздействия - микросекунды). В-третьих, на прокатном оборудовании ФТИ можно провести верификацию компьютерных моделей, которая подтверждает верные результаты расчетных задач или указывает на несостоятельность выполненного моделирования, а это позволяет не только скорректировать модель, но и понять процесс прокатки.
В 2017 г. ИИМ КАН обратился в ФТИ с запросом изучить возможности прокатки предоставленных ими образцов сплава типа 1псопе1 и расчетные данные в виде компьютерных моделей, по которым были подготовлены реальные эксперименты на оборудовании поперечно-клиновой прокатки. В Китае, как и в большинстве других стран, при гидроформинге используют области относительно низких скоростей деформации (длительность цикла от 30 секунд и выше; по нашей терминологии это очень медленное гидропрессование). Большинство исследователей сходятся во мнении, что при импульсном варианте гидроформинга гораздо лучше заполняемость формы штампа и обработка труднодеформируемых материалов, а для сплавов 1псопе1 в условиях поперечно-клиновой прокатки удается значительно расширить интервал деформируемости.
Ведутся совместные изыскания в сфере авиационных материалов. В частности, разрабатывается бы-стропереналаживаемая технология штамповки для оперативного изготовления небольших (сотни или десятки штук) партий деталей для авиастроения. В этой отрасли на стадии экспериментальных и опытных образцов необходимо
быстро скомпоновать и опробовать новую модель самолета или вертолета и решить: дорабатывать ее, отклонять или запускать в серию. Предварительно китайской стороной были представлены для обсуждения более 40 эскизов и чертежей, которые не удается получить обычным гидроформингом. Все детали - сложные, имеют перемычки, пережимы, глубокие выемки. Теоретически все они подходят под технологию импульсной штамповки ФТИ НАН Беларуси, причем занимают нишу малотиражных изделий (например, годовая программа одного из заказов составляет всего 10 штук).
Китайские ученые пытаются интенсифицировать процесс заполнения формы штампа при «медленном» гидроформинге за счет циклического нагружения, для чего созданы специальные устройства. Для экспериментов и отработки технологии группа профессора Ши-Хонг Джанга использует оборудование фирмы «Shenyang Star Hydraulic Press Factory» - мощные гидравлические прессы. Проблема усугубляется тем, что в ави-
ации конструкторы закладывают в чертежи порой 10-кратный запас прочности и настаивают на изготовлении деталей из наиболее надежных материалов, которые при обработке оказываются малопластичными, жесткими, нетехнологичными. Одним из таковых является алюминиевый сплав 5А06. (В странах СНГ более известен его аналог АМг6.) В условиях традиционного медленного гидропрессования этот материал показывает ограниченную пластичность, что проявляется на готовых изделиях трещинами, надрывами, гофрой.
Поскольку качество штамповок в ФТИ НАН Беларуси у китайских коллег не вызвало никаких сомнений, готовится совместное окончательное решение об изготовлении на базе нашего института уже конкретной авиационной детали по китайским чертежам.
Создание совместной лаборатории
Новой ступенькой в развитии научных и коммерческих взаимоотношений стало создание совместной лаборатории. Директор
ФТИ НАН Беларуси В. Г. Залесский и профессор Ши-Хонг Джанг признали целесообразным проведение белорусско-китайских исследований с тем, чтобы реализовывать их результаты третьим сторонам. Соответствующее соглашение было подписано летом 2017 г. в Минске.
25 октября 2017 г. в городе Шэньяне (провинция Ляонин, КНР) состоялось открытие совместной научно-исследовательской лаборатории ФТИ НАН Беларуси и ИИМ КАН - Лаборатории передовых технологий обработки металлов давлением. Основные направления ее деятельности - исследование процессов высокоскоростного гидроударного деформирования листовых и трубчатых деталей и прокатки труднодеформируе-мых железо-никелевых сплавов, используемых в авиационной промышленности.
Совместная лаборатория расположена на площадях ИИМ КАН и имеет статус национальной, поэтому в значительной мере финансируется из бюджета КНР и оснащена самым современным высококлассным исследовательским
Оборудование SYNL постоянно задействовано в исследованиях
44
НАУКА И ИННОВАЦИИ | №7 (185) | Июль 2018 |
оборудованием, включая Shenyang National Laboratory for Materials Sciense (SYNL). Существует договоренность об обмене аспирантами и техническими специалистами в рамках выполнения совместных работ.
Создаваемая инновационная продукция будет востребована как в Китае (например, компаниями Shenyang Aerospace Mitsubishi Motors Engine Manufacturing, Shenyang Aircraft Corporation), так и в Беларуси (авиаремонтные заводы, индустриальный парк «Великий камень»).
Перспективы
инновационного
производства
Идеи неравномерного всестороннего сжатия и гидропрессования, заложенные Т. Карманом и П. Бридж-меном, развитые и дополненные С. И. Губкиным, В. П. Северденко, А. В. Степаненко, В. В. Клубовичем, их учениками и последователями, удалось успешно трансформировать в Физико-техническом институте НАН Беларуси в конкретные технологические процессы и оборудование. Гидропрессование наиболее полно раскрывает потенциал пластичности хрупких и трудноде-формируемых материалов, улучшает структуру и свойства изделий. Для мелкосерийного производства идеальна импульсная гидроударная листовая штамповка, где эффект достигается за счет высокой равномерности прилагаемой нагрузки, низкой металлоемкости штамповой оснастки; эта технология позволяет быстро осваивать новые модели.
Поперечно-клиновая прокатка при деформировании железо-никелевых сплавов обеспечивает доста-
точную скорость процесса и возможность достигать высоких степеней обжатия заготовки. Приемлемые пластические свойства для начала деформирования материал проявляет в очень узком диапазоне температур, однако в процессе обработки он подвергается сложному циклическому нагружению с постоянным редуцированием диаметра, что вызывает так называемый эффект суперпластичности и позволяет свести прокатываемую заготовку до 60% от исходного диаметра.
Партнерство с Институтом исследования металлов Китайской академии наук и создание совместной лаборатории будет содействовать внедрению на производстве быстропереналажива-емых технологий листовой штамповки широкого круга изделий из алюминия, углеродистой, нержавеющей, жаропрочной стали, титана, латуни, меди, серебра, платины, ниобия толщиной от 0,5 до 3 мм. В области поперечно-клиновой прокатки планируется создание уникального производства с быстропереналаживае-
мым оборудованием, на котором возможно получение поковок различной формы и длины из сплавов типа 1псопе1. СИ
Виталий Залесский,
директор Физико-технического института НАН Беларуси, доктор физико-математических наук, доцент
Артур Покровский,
завлабораторией высоких давлений и специальных сплавов ФТИ НАН Беларуси, кандидат технических наук
Владимир Петренко,
завлабораторией предельной деформируемости ФТИ НАН Беларуси
Анна Жукова,
завотделом маркетинга и международных связей ФТИ НАН Беларуси, кандидат технических наук
Ши-Хонг Джанг,
заведующий лабораторией пластической деформации металлов Института исследования металлов Китайской АН, профессор
Гуан Дехой,
проректор по международному сотрудничеству ИИМ Китайской АН, кандидат технических наук
Янг Сюй,
руководитель группы гидроформинга ИИМ Китайск кандидат технических наук, ассистент профессора
Минг Ченг,
руководитель группы прокатки ИИМ Китайской АН, кандидат технических наук, ассистент профессора
