Отримання присадкових дослідних сплавів з субмікрокристалічною (СМК) структурою методом гвинтової екструзії Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 669.295

Д-р техн. наук О. В. Овчинников, д-р техн. наук В. Ю. Ольшанецький, О. А. Джуган

Запорiзький нацюнальний технiчний уыверситет, м. Запорiжжя

ОТРИМАННЯ ПРИСАДКОВИХ ДОСЛ1ДНИХ СПЛАВ1В З СУБМ1КРОКРИСТАЛ1ЧНОЮ (СМК) СТРУКТУРОЮ МЕТОДОМ

ГВИНТОВО1 ЕКСТРУЗИ

До^джено вплив вихiдноi структури на процес iнтенсивноi пластично'1' деформацИ методом гвинтово'1' екструзи. Розроблено технологiчну схему та визначенi основнi режими процесу деформацИ, що забезпечують формування СМК структури в дослiдних сплавах. Отриманi аналiтичнi рiвняння для розрахунку залежностi об 'ему структурних складових з СМКрозмiром вiд кiлькостi проходiв ^зь матрицю з гвинтовим каналом.

Ключовi слова: субмiкрокристалiчна структура, титан, матриця, зварювання, шов, деформацiя, неоднорiднiсть, юльюсть проходiв.

Застосування зварювання при виробнищга та ремонт виробiв зi складнолегованих титанових сплавiв пов'язано з цшою низкою проблемних питань. Найбшьш складним при цьому е процес зварювання двофазних титанових сплавiв, тому що вони застосовуються в рiзному структурному сташ для забезпечення необхвд-ного рiвня механiчних i службових властивостей ввдпо-вiдних деталей. З результапв дослiджень, проведених рашше, випливае, що властивосп зварних з'еднань мож-на пiдвищити шляхом застосування дослщних присад-кових матерiалiв, яш дозволяють формувати у зварно-му швi необхiднi типи структури [1]. Це дае можливють збiльшити працездатшсть виробiв з жаромiцних титанових сплашв.

У той же час, iз результапв аналiзу характера руйну-вання зварних з'еднань титанових сплашв, отриманих iз застосуванням як стандартних, так i дослiдних присад-кових матерiалiв, встановлено наявнiсть пор i областей крихкого руйнування в металi зварного шва. Причиною цього може бути хiмiчна неоднорiднiсть, а також газова пориспсть присадкових матерiалiв. Тому, поряд з пiдвищенням рiвня механiчних властивостей матерь алiв, необхвдна розробка спецiальних присадкових ма-терiалiв, що забезпечують високу стабiльнiсть властивостей i як1сть металу зварного шва.

Особливого значення питання, пов'язаш з як1стю присадкових матерiалiв, набули в останш роки, тому що складнолеговаш жаромiцнi титановi сплави засто-совують для тонкостiнних деталей (лопатки, моноколеса авiацiйних двигутв тощо), яю працюють на меж1 запасу мщносп матерiалу. За цих умов навиъ мжроде-фекти в присадкових матерiалах можуть призвести до повно! втрати працездатносп ввдновлюваних деталей .

Як було показано рашше, для забезпечення необхь дного рiвня механiчних властивостей шляхом формування заданого типу структури, необхiдно застосову-вати модифiкувальнi елементи. Це обумовлено тим, що

в металi зварного шва, отриманого з використанням високояшсних бездефектних присадок з дисперсною структурою, процес модиф^вання е найбiльш ефек-тивним, оск1льки при цьому виявляеться позитивний ефект модифшування [2].

Сутнють запропоновано! вде! полягае в застосувант присадкових матерiалiв з нано- або субм^окрист^ч -ною- (СМК) структурою [3]. Це, зпдно з результатами проведених рашше дослвджень [4, 5], дозволяе отриму-вати рiвномiрний розподш легувальних елементiв в об'емi присадкового матерiалу. Для перевiрки ефектив-носп ще! були розробленi присадковi титановi матерiа-ли з СМК структурою, а також проведет дослщження впливу цих матерiалiв на властивостi зварних з' еднань.

Ефективне структурування об'емних заготовок з титанових сплашв реалiзовували на основi методу штен-сивно! пластично! деформаци (1ПД), шляхом застосування згадано! вище гвинтово! екструзи, яка на наш по-гляд, являла найбiльш ефективним спосiб досягнення бажаних результапв.

У той же час, неоднозначним залишався вплив хiмiчного складу сплавiв на сам процес деформаци. У робоп [6] було встановлено, що залежно ввд складу сплаву, параметри процесу деформаци необхщно тдбира-ти iндивiдуально. Важливим фактором, що визначае ступiнь «пропрацювання» структури, е И вихвдний тип. Тому для деформування присадкових матерiалiв необ-хвдним було попередне вщпрацювання режимiв деформаци i визначення !х впливу на розпод1л елеменпв i структуру присадкових матерiалiв iз стандартних i дослiдних титанових сплашв.

Спещально пiдкреслимо, що технолопя 1ПД методом гвинтово! екструзи (ГЕ), дозволяе отримувати ти-тановi сплави з рiзним типом шнцево! структури.

Отже, основним завданням, поставленим у данiй робот^ було отримати СМК титановi сплави дослщних складiв на основi сплаву ВТ2св (хiмiчний склад сплашв

© О. В. Овчинников, В. Ю. Ольшанецький, О. А. Джуган, 2014 82

наведено в табл. 1). Для реалiзацil цього було розробле-но технолопчну схему деформацп та визначеш 11 ос-новнi. Сам метод ГЕ в нашому випадку полягав у про-давлюваннi призматично1 заготовки ^зь матрицю з гвинтовим каналом, при цьому кут нахилу (в) гвинто-во! лшп матрицi до напрямку осi екструзп, який на по-чатковiй i кiнцевiй донках каналу дорiвнював нулю, змiнювався по висот! Перед процесом продавлювання матрицю назвали до температури 750 °С (рис. 1).

Особливостi геометри каналу матриц забезпечува-ли збереження при продавлюванш iдентичностi почат-ково1 i к1нцево1 форми, а також розмiрiв оброблюваних заготовк, що дозволяло здшснювати процес екструзп багаторазово з метою послщовного накопичення плас-тично1 деформацп. Отриманi методом ГЕ заготовки мали розмiри 25x40x65 мм.

Результати роботи дозволили отримати СМК тита-новi сплави наведених вище складiв (табл. 1). Важливою особливiстю деформацп сплавiв дослiдних складiв був !х вихщний структурний стан [7]. Iснуючi роботи, що стосуються утворення структури титанових сплавiв, базувалися на використаннi (вихвдних) вже деформова-них напiвфабрикатiв. Показано принципову можливiсть проведения процесу гвинтово1 екструзп з використан-ням вихвдних литих заготовок [8]. Змiну об'емно1 част-ки СМК структури в залежносп ввд кшькосп проход1в для дослвдних сплавiв складiв №2 1 i №2 2 наведено на рис. 2.

Таблиця 1 - Хiмiчний склад дослвдних сплавiв

Рис. 1. Схема iнтенсивноi' пластичноi' деформацй призма-тичних зразкiв методом гвинтово! екструзп

№ сплаву А1, % Ьа, % У, % В, % Л

Сплав №1 з рiвноважною структурою 3...4 0,125.0,200 0,01.0,02 0,02.0,04 основа

Сплав №2 з пластинчастою структурою 3...4 0,01.0,10 0,05.0,08 0,01.0,03 основа

Рис. 2. Вплив юлькосп проходiв крiзь матрицю з гвинтовим каналом на юльюсть СМК зерен розмiром менше за 500 мкм в структурi титанових сплавiв дослщних складiв № 1 i № 2: 1 - сплави складу №1 з рiвноважною вихщною структурою;

2 - сплави складу №2 з пластинчастою вихщною структурою

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2014

83

Застосовуючи метод найменших квадрапв, були отримат аналiтичнi залежносп мiж к1льк1стю проходiв та об'емною часткою структурних складових з по-трiбним розмiром.

Для цього розрахували залежнiсть об'ему структурних складових з СМК розмiром вщ кiлькостi проходiв крiзь обрану матрицю. Коефiцiент лшшно1 кореляци для рiвняння V = ¥п - Ь • N визначили за формулою (1):

у = Ь0 + Ъ1х1 + Ь2 x2

2 Vl • Ni - п V • N

(¿V2 - п •V 2) • (¿^2 - П • N 2 ^

(1)

Далi виконавши вщповщт розрахунки, отримали рiвняння залежносп об'ему структури з СМК розмь ром вiд кiлькостi проходiв.

Для сплаву зi складом №2 1 це рiвняння мало такий вигляд:

Гу/ = 0,9746; V = -5,4284 +15,3571 • N при Лт

Ь = 15,3571 та У0 =-5,4284.

Для сплаву зi складом №2 2 розрахунки дали таш ре-зультати:

ту/ = 0,9908; V = -18,8571 +15,9643 • N при

/V

Ъ = 15,9643; У0 =-18,8571.

Для визначення кiлькостi СМК зерен у титанових складнолегованих сплавах у залежностi вщ температу-ри та кiлькостi проходiв було створено лiнiйний план експерименту (табл. 2, табл. 3).

Кшьшсть дослiдiв, необхiдних для побудови плану експерименту, наведеш у таблицi 3.

Дал^ за формулою (2), визначили коефщенти мно-жинно1 кореляци (К) для обох сплавiв, виходячи iз за-гального рiвняння:

К =

1

п чЪ 2 +Ъ 2 +Ъ 2 +... + Ъ2

12 3 I

п 2 -2 £ У2 - п • у 2

[9]. (2)

Коефщенти Ъ визначали в стандартний спосiб для кодованих факгорiв за формулами:

У = Ъ =

7 0

п п п

2 У1 2 У1 • х1. 2 У • х2

' I 1 , - I -±-, (3)

Ъ

Ъ = ±

2

Для першого сплаву коефщент множинно1 кореляци (Я), визначений за формулою (2), склав К = 0,9385 при (Ъ0 = 30,75 ; Ъ1 = -26,75; Ъ2 = 11,75).

Перевiрка коефщента множинно1 кореляци К за до-

помогою Icоефiцiенга лышно! кореляци гуе/ур звичай-

ним способом дала такий же результат, як i для К

(туе/ур =0,9385).

Нижче наведенi рiвняння залежносп шлькосп СМК зерен ввд температури та юлькосп проход1в у натуральному масштаба

У = 30,75 - 0,535 • (/ - 800) +11,75 • (N - 4).

Аналопчно, проведенi розрахунки i для iншого сплаву. В результата отримали коефiцiент множинно1 коре-

ляцii (К), який склав 0,8817 (при Ъ0 = 22,25; Ъ = -20,25;

Ъ2 = 14,25), а саме рiвняння, записане в натуральному масштаб^ мае вигляд:

У = 22,25 - 0,405 • (/ - 800) +14,25 • (N - 4).

Таблиця 2 - Кодування фагащив

г, / =

п

п

п

1нтервал варгювання Х1 Х2

рiвень факторiв (1, °С) (кiлькiсть проходiв)

Верхнiй рiвень (+) 850 5

Нульовий рiвень (0) 800 4

Нижнiй рiвень (-) 750 3

1нтервал варгювання, Д^-, ±50 1

Таблиця 3 - Ортогональний центральний план експерименпв

№ дослвду Х1 Х2 У (вдаосна кшьюстьсть СМК зерен, Nв)

№ 1 № 2

1 +1 + 1 5 3

2 -1 + 1 80 70

3 +1 -1 3 1

4 -1 -1 35 15

Як випливае з наведених даних, при накопиченш деформацй в процеа ГЕ ступiнь «пропрацювання» структури в об'емi заготовок у напрямку !! подрiбиеи-ня пiдвищувався. У сплавах складу № 1 при менших кшькостях проходiв утворюеться бiльша кшьюсть струк-турних складових з СМК розмiрнiсrю, шж у сплавах складу N° 2. Це, мабуть, е наслiдком рiвиомiрио! деформацй сплавiв складу № 1 (через бшьш рiвноважну вихiдну структуру). Сплави складу № 2 мали вихiдну пластин-часту структуру, для яко! характерна текстуровашсть пачок а- пластин, розташованих у первинному p-зернi [10]. Це призводило до необх1дност1 первинно! обробки пластинчасто! структури на вiдмiну вщ сплавiв з р1вно-важною структурою. Шсля п'яти проходiв рiзниця в шлькосп СМК структурних складових мiж сплавами № 1 та № 2 зменшуеться i п1сля семи прохода структура практично не вiдрiзнялася у всьому об' емi обох титв заготовок (рис. 3).Таким чином, у результат проведе-них дослщжень вдалося реалiзувати технологiю отри-мання як1сних титанових сплавiв iз субм^окристатч-

Рис. 3. Характерный вигляд та структура заготовок тсля

проведения 1ПД методом ГЕ (сплав складу № 1): а - вид заготовки тсля деформацй; б - макроструктура в повздовжньому напрямку заготовки тсля 3 проход1в; в - макроструктура в поперечному напрямку заготовки тсля 3 проход1в; г - макроструктура в поперечному напрямку заготовки тсля 7 проход1в

2.

ною структурою з литих заготовок. Розроблено конк-ретт режими тенсивно! пластично! деформацй методом гвинтово! екструзп для отримання оптимально! структури присадкових маrерiалiв.

Оrримаиi, методом лiнiйного планування аиалiтичнi залежшсп, що дозволяють шляхом варшвання темпе-ратурно-силових факторiв ошишзувати к1нцеву структуру дослвдних присадкових маrерiалiв на основi титану. Список лтератури

1. Марукович Е. И. Модифицирование сплавов / Е. И. Ма-рукович, В. Ю. Стеценко. - Минск : Беларуская навука, 2009. - 192 с.

Комановский А. З. Обработка титановых сплавов давлением / Комановский А. З., Чечулин Б. Б., Важецин С. Ф. -М. : Металлургия, 1977 - 96 с.

Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотех-нологии / Гусев А. И. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 416 с. Валиева Р. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства / Р. Вали-ева, И. Александров - М. : Академкнига. 2007. - 397 с. Коваленко Т. А. Формирование стабильной субмикрокристаллической структуры в титане / Т. А. Коваленко,

A. В. Овчинников // МиТОМ. - 2010. - № 2. - С. 35-43. Оценка эффективности применения интенсивной пластической деформации для получения нанокристалличес-кой структуры в титановом сплаве ВТ3-1 / А. В.Овчинников, Д. В. Павленко, А. Я. Качан, В. Г. Шевченко // Нов1 матер1али 1 технологи в металургй та машинобудувант. - 2007. - № 1. - С. 27-31.

Применение винтовой экструзии для получения субмикрокристаллической структуры и гомогенизации титанового сплава ВТ3-1/ [А. В. Овчинников, Д. В. Павленко, А. Я. Качан и др.] // Вестник двигателестроения. -2007. - № 2. - С. 185-188.

Ольшанецкий В. Е. О физических подходах к математическому моделированию функциональных связей /

B. Е. Ольшанецкий // нов1 матер!али I технологи в металургй та машинобудувант. - 2003. - № 1. - С. 80-86. Овчинников А. В. Применение титановых сплавов с СМК структурой для восстановления деталей роторной части ГТД / А. В. Овчинников // Автоматическая сварка. -2012. - № 2 (706). - С. 21-25.

Одержано 03.07.2014

6.

9.

10

Овчинников А.В., Ольшанецкий В.Е., Джуган А.А. Получение присадочных опытных сплавов с субмикрокристаллической (СМК) структурой методом винтовой экструзии

Исследовано влияние исходной структуры на процесс интенсивной пластической деформации методом винтовой экструзии. Разработана технологическая схема и определены основные режимы процесса деформации, обеспечивающие формирование СМК структуры в исследовательских сплавах. Получены аналитические уравнения для расчета зависимости объема структурных составляющих с СМК размером от количества проходов сквозь матрицу с винтовым каналом.

Ключевые слова: субмикрокристаллическая структура, титан, матрица, сварка, деформация, неоднородность, шов, количество проходов.

Ovchinnikov O., Olshanetskiy V., Dzhugan O. Obtaining of experimental filler materials with submicrocrystal-line structure by the method of twist extrusion

The effect of the initial structure on the process of intancive plastic deformation by twist extrusion was investigated. The technological scheme and the main modes of the deformation process, providing formation of SMC structure of research alloys were developed. The analytical equations for calculating the volume depending on the structural components with the SMC size on the number of passes through the die with the twist channel were obtained.

Key words: submicrocrystalline structure, titanium, matrix, welding, deformation, inhomogeneity, weld, number of operations.

ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудувант №1, 2014

85