CC BY
14
УДК 669.245.018.44.620.16
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСКА ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА IN 718 МЕТОДАМИ МОДЕЛИРОВАНИЯ
НА МИКРОСТРУКТУРУ
Н.В. Коробова, А. А. Сидоров, А. А. Семенов
Дана оценка влияния параметров технологического процесса изготовления диска для ГТД из жаропрочного никелевого сплава на микроструктуру заготовки с целью выявления связи между технологическими параметрами процесса изготовления диска и размеров зерна в нем.
Ключевые слова: никелевые сплавы, штамповка, размер зерна, моделирование, JMAK, оценка.
Введение. В современном производстве для изготовления деталей газотурбинных двигателей широко применяются жаропрочные сплавы на основе никеля, например, «Инконель 718» и его аналоги [2]. Это связано, в первую очередь, с высокими термомеханическими свойствами этих сплавов, такими, как длительная прочность и прочность при высоких температурах. Потребность в таких механических свойствах вызвана тем, что в зонах компрессора и камеры ГТД, лопатки и диски подвергаются разогреву до 600...700 °С при одновременном воздействии высоких нагрузок [1].
Механические свойства сплавов на основе никеля зависят от многих факторов. Наиболее важными из них являются микроструктура и фазовый состав [1]. Управление этими факторами позволяет достигнуть требуемых механических свойств конечной детали.
В данной работе рассматривается процесс изготовления диска для газотурбинного двигателя. Исходная заготовка представляет собой цилиндр диаметром 240 мм, высотой 316 мм и с радиусными фасками 20 мм, исходный размер зерна в заготовке составляет 7 баллов по ASTM, что соответствует 30 мкм. По требованию заказчика после придания заготовке окончательной формы, перед механической обработкой, размер зерна должен составлять 7 баллов по ASTM.
Заказчиком был предоставлен исходный технологический процесс изготовления поковки на гидравлическом прессе, который необходимо было улучшить таким образом, чтобы обеспечить требуемый размер зерна в конечной заготовке.
Целью данной работы являлось повышение механических свойств детали из никелевого сплава за счет оценки режимов ее обработки.
Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие
задачи:
- разработать математические модели технологического процесса на основе метода конечных элементов с учетом изменения микроструктуры;
- провести оценку параметров технологического процесса изготовления дисков из никелевого сплава для получения заданного размера зерна.
Для моделирования процесса горячей объемной штамповки широко используется метод конечных элементов. Так как при анализе такого процесса принимается, что пластические деформации значительно превышают упругие, то последними можно пренебречь и принять вязкопластическую модель, для которой связь напряженного и деформированного состояний металла описывается при помощи уравнения Сен - Венана - Леви - Мизеса. В данной работе для моделирования с вышеописанными условиями использовался программный комплекс DEFORM V11.0 (SFTC, USA). Для моделирования роста зерна, статической и динамической рекристаллизаций хорошо зарекомендовал себя математический аппарат на основе уравнения Джеймса - Мела - Аврами -Колмогорова (JMAK), который используется в программном комплексе DEFROM для вычисления изменений микроструктуры.
Коэффициенты для уравнений рекристаллизации и размера зерна для сплава IN 718, использованные в процессе моделирования, взяты из литературы [5].
При моделировании технологического процесса использовались технологические параметры, используемые на производстве. Таким образом, моделирование состояло из следующих этапов. Процесс начинался с первичного подогрева и состоял из четырех этапов деформирования заготовки (два этапа осадки и два этапа штамповки). Между этапами деформирования моделировались три этапа промежуточного подогрева в печи.
Все подогревы проводились до температуры 1050 °С в печи, первый длился два часа, коэффициент конвекции, описывающий тепловой поток на поверхности моделируемой заготовки, был равен 0.1 Н/с/мм/°С (значение данного коэффициента также применяется на всех остальных этапах, связанных с тепловым переносом). Второй нагрев длился 2,5 часа. Третий нагрев длился 1 час, четвертый подогрев - 43 мин. Скорость деформирования на всех этапах - 15 мм/мин.
По результатам моделирования было установлено, что средний размер зерна при текущей технологии превышает предельное значение, установленное заказчиком на уровне 7 баллов по ASTM (примерно 30 мкм) на 26 мкм. Поле распределения размера зерна по объему заготовки изображено на рис. 2. Самое крупное зерно (80 мкм) находится в областях, наименее подвергшихся деформации. Эти области имеют синий цвет на поле деформаций, изображённом на рис. 3, и расположены на поверхности поковки вблизи ее оси.
Таким образом, для улучшения технологии изготовления возникла необходимость оценки связи между технологическими параметрами изготовления диска и размера зерна в нем.
Процесс оценки технологических параметров процесса штамповки разделили на три этапа.
1. Проведение отсеивающих экспериментов по плану Плакетта -Бермана [8] для определения технологических параметров, которые оказывают наиболее существенное влияние на размер зерна поковки.
2. Построение математической модели зависимости размера зерна от наиболее существенных технологических параметров в виде уравнения регрессии с помощью полного факторного эксперимента [9].
Все исследования проводили с помощью численного эксперимента в программном комплексе DEFORM.
iodel - Average grain size (um)
V
Рис. 1. Размер зерна
В качестве факторов варьирования были взяты восемь технологических параметров, которые наиболее просто изменять в промышленных условиях: начальная температура заготовки на каждом из четырех технологических переходов, которая обеспечивается температурой нагрева заготовки в печи, и скорость деформирования на каждом из переходов, которая обеспечивается соответствующими настройками пресса. Каждый из факторов являлся независимым и варьировался на двух уровнях. Максимальное и минимальное его значения равноудалены от центра плана (номинального значения фактора). Для факторов температур подогрева минимальным значением было 985 °С, максимальным - 1100 °С, номинальным - 1042.5 °С. Для факторов скорости деформирования минимальным значением было 5 мм/с, максимальным - 15 мм/с, номинальным - 10 мм/с.
По рекомендациям работы [8] была взята матрица планирования эксперимента Плакета - Бермана с числом опытов, равным 12, и рассчитаны коэффициенты уравнения регрессии вида
148
0 = х1 = (Х1-Х10)/ЛХ1 (1)
где Б - средний размер зерна поковки; Ь^ - коэффициент уравнения регрессии; X; - фактор варьирования на соответствующем (мин/макс) уровне в кодированном масштабе; - фактор варьирования на
соответствующем (мин/макс) уровне в натуральном масштабе; X¿0 -номинальное значение фактора в натуральном масштабе; ЛХ^ - интервал варьирования.
Необходимо отметить, что факторы х9 — хг1 являлись мнимыми и согласно методике, изложенной в работах [8, 9], служили для расчета дисперсии опытов.
В таблице приведены матрица планирования эксперимента в натуральном масштабе и результат измерения среднего размера зерна по сечению поковки.
Матрица планирования эксперимента
Матрица планирования Плакетта Бермана в натуральном масштабе (без мнимых факторов) Средний размер зерна, мкм.
№ Эксп. Т1, С0 VI, м/с Т2, С0 У2, м/с ТЗ, С0 УЗ, м/с Т4, С0 У4, м/с
х1 х2 хЗ х4 х5 хб х7 х8
1 1100 15 985 15 1100 15 985 5 61.86
2 985 15 1100 5 1100 15 1100 5 67.15
3 1100 5 1100 15 985 15 1100 15 77.14
4 985 15 985 15 1100 5 1100 15 69.00
5 985 5 1100 5 1100 15 985 15 46.57
6 985 5 985 15 985 15 1100 5 55.08
7 1100 5 985 5 1100 5 1100 15 78.60
8 1100 15 985 5 985 15 985 15 55.80
9 1100 15 1100 5 985 5 1100 5 74.12
10 985 15 1100 15 985 5 985 15 42.76
11 1100 5 1100 15 1100 5 985 5 62.84
12 985 5 985 5 985 5 985 5 40.07
Значения коэффициентов Ьь дисперсию опыта 5у, дисперсию коэффициентов и их значимость рассчитывали и проверяли согласно стандартной методике, изложенной в работе [9]. В результате получили уравнение регрессии для переменных в кодированном масштабе следующего вида:
Э = 60.92 + 7Л8х1 + ЗЛ2х5 + 9.27х7, (2)
т.е. отсеивающий эксперимент показал, что основное влияние на размер зерна в данном технологическом процессе оказывает температура на первом, третьем и четвертом переходах, в то время как температура на втором и скорости деформирования на всех четырех переходах существенного влияния на размер зерна не оказывают. При этом видно, что наибольший вклад в изменения размера зерна вносит температура нагрева заготовки на четвертом переходе, а то, что все коэффициенты bj этого уравнения являются положительными, говорит о том, что размер зерна прямо пропорционален температуре, т.е. чем меньше температура, тем меньше размер зерна.
Для проверки этого вывода приступили к полному факторному эксперименту для построения математической модели в виде уравнения регрессии для трех отобранных факторов, но с учетом взаимного влияния факторов друг на друга - в виде D = Ь0 + Ъ1х1+Ъ2х2 + b3x3 + b12xtx2 + b13x1x3+b23x2x3 + b12xtx2x3. (3)
Для этого построили матрицу планирования полного факторного эксперимента 23 (три фактора на двух уровнях) и провели расчеты коэффициентов bj, дисперсий опыта и коэффициентов и проверку значимости коэффициентов, все согласно методике из работы [10]. Для оценки ошибки опыта каждый из численных экспериментов проводили два раза, меняя только размер сетки конечных элементов заготовки. Номинальные значения температур и их интервалы варьирования оставили неизменными по сравнению с отсеивающим экспериментом. В результате получили следующее уравнение регрессии в кодированном масштабе:
D = 60.52 + 9.78х1 + 2.15х2 + 7.78х3 + 1.1х2х3, (4) где D - средний размер зерна поковки; xl - температура нагрева заготовки перед первым переходом, х2 — температура нагрева заготовки перед третьим переходом; хЗ — температура нагрева заготовки перед четвертым переходом.
Полученное уравнение подтвердило вывод, сделанный по результатам отсеивающего эксперимента, что чем меньше температура заготовки на каждом из переходов, тем меньше размер зерна. При этом температура заготовки влияет и на другие параметры технологического процесса, такие, как сила деформирования, вероятность возникновения внутренних трещин и т.д., в связи с чем для данного сплава определен диапазон температуры деформации [3], за пределы которого выходить нельзя.
Заключение. Произведено моделирование технологического процесса штамповки диска ГТД из никелевого жаропрочного сплава «IN 718» в программном комплексе DEFORM (SFTC USA) с целью определения связи между технологическими параметрами и размером зерна в поковке.
В результате факторного эксперимента установлено, что максимальную положительную связь с размером зерна имеет температура подогрева на четвертом этапе. Также значительную связь имеет температура подогрева на первом этапе. Прочие варьируемые параметры также имеют положительную связь с размером зерна.
Таким образом, для уменьшения размера зерна в заготовке в конце технологического процесса изготовления следует уменьшить температуру нагрева на первом, третьем и четвертом этапах в пределах ковочного температурного интервала.
Список литературы
1. Овсепян С.В., Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М, Термическая обработка деформируемых жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД, ВИАМ/2011 -205923.
2. Чабина Е.Б., Влияние эксплуатационных факторов на состояние поверхностей раздела в материале высокожаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД // Труды ВИАМ №8, 2015.
3. Суперсплавы II: в 2 кн. / пер. с англ. Ю.П. Либерова, А.Б. Цепелева; под ред. Р.Е. Шалина. М.: Изд-во «Металлургия», 1995.
4. DEFORM v11.0 (PC) Documentation.
5. Huang D., Wu W.T., Lambert D., Computer Simulation of Microstructure Evolution during Hot Forging of Waspaloy and Nickel Alloy 718, SFTC Paper #368.
6. Loyda A., Hernandez-Munoz G.M., Hernandez-Munoz L.A., Microstructure Modeling of a Ni-Fe-Based Superalloy During the Rotary Forging Process // Journal of Materials Engineering and Performance. Vol. 25. Issue 6. Р. 2128 - 2137.
7. Reyes L.A., Paramo P., Salas Zamarripa A., Influence of Processing Parameters on Grain Size Evolution of a Forged Superalloy, Journal of Materials Engineering and Performance. Vol. 25. Issue 1. Р. 179 - 187.
8. Ryan T.P., Modern Experimental Design. New York: Wiley-Interscience Publication, 2007. 593 с.
9. Новик Ф. С., Арсов Я. Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение, 1980. 304 с.
Коробова Наталья Василевна, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, mt-6@yandex. ru, Россия, Москва, МГТУ ««СТАНКИН»,
Сидоров Александр Александрович, канд. техн. науч., преподаватель, sidorow@tesis.com.ru, Россия, Москва, МГТУ «СТАНКИН»,
Семенов Александр Александрович, студент, alt-stage@yandex. ru, Россия, Москва, МГТУ «СТАНКИН»
ESTIMATION OF THE IMPACT OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF THE PROCESS OF MANUFACTURING A DISK FROM A NICKEL SUPERALLOY IN 718 BY MODELING OF MICROSTRUCTURE
N. V. Korobova, A.A. Sidorow, A.A. Semenov 151
This paper is devoted to assessing the influence of the parameters of the technological process of manufacturing a disk for a gas turbine engine from a heat-resistant nickel alloy on the microstructure of the workpiece in order to identify the relationship between the technological parameters of the manufacturing of disc and the grain sizes in it.
Key words: Nickel based alloys, stamping, grain size, modeling, JMAK, estimation.
Korobova Natalia Vasilevna, doctor of technical sciences, professor, head of chair, mt-6@yandex.ru, Russia, Moscow, MSTU "STANKIN",
Sidorov Alexander Alexandrovich, candidate of technical sciences, teacher, sidorow@tesis.com.ru, Russia, Moscow, MSTU "STANKIN",
Semenov Alexander Alexandrovich, student, alt-stage@yandex. ru, Russia, Moscow, MSTU "STANKIN"
УДК 621.833
ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ ПРОКАТКИ
ЛАТУННЫХ ЛИСТОВ НА СТРУКТУРУ И ТВЕРДОСТЬ
А.С. Калмыков, Р.Л. Шаталов, А.Л. Генкин
На двухвалковом стане 150х235 были продолжены эксперименты по влиянию изменения направления прокатки листов на структуру и свойства латуни Л63. Установлено положительное влияние кантовки на 90° листа на уменьшение размера зерна и анизотропии микроструктуры и твердости образца, величина которой увеличивается. Однако данный эффект наблюдается при степени обжатия 30 % и более.
Ключевые слова: направление прокатки, холодная прокатка латуни, латунь Л63, микроструктура, диаметр зерна, твердость.
Основной особенностью латуни Л63 является то, что она в холодном состоянии имеет более высокие прочностные характеристики по сравнению с другими марками латуней. Латунь Л63 относится к классу а+в латуней. [1].
Опытную прокатку проводили в два прохода на лабораторном двухвалковом стане 150х235, оборудованным микропроцессорной системой измерения усилий прокатки [2]. В первом проходе все испытуемые образцы были прокатаны в продольном направлении вдоль оси прокатки. Затем при последующей прокатке во втором проходе у половины образцов было изменено направление деформации за счёт кантовки листов на 90о [3]. Результаты прокатки представлены в таблице.
Цель работы: математическое моделирование и обработка полученных данных после проведения опытных прокаток образцов из латуни Л63.
Механические свойства определяли по следующей методике.
1. После проведения опытной прокатки были подготовлены шлифы и с использованием микроскопа «Саг17е1вв» исследовали структуры образцов после прокатки в продольном и поперечном направлениях. На рис.
152
