CC BY
1
УДК 621.77.04
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-621-622
ПОЛУЧЕНИЕ ГИБРИДНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ПОРОШКОВОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА RS-356
ОСАДКОЙ С КРУЧЕНИЕМ
Во Фан Тхань Дат, П.А. Петров, И.А. Бурлаков, Нгуен Хань Тоан
Показаны результаты формообразования гибридных заготовок из порошкового алюминиевого сплава RS-356, приведены зависимости реологических свойств от температуры и величины деформации, а также режимы изготовления гибридных заготовок осадкой с кручением. Показано, что приведенные режимы формообразования заготовок обеспечивают соединение заготовок с высоким качеством, что подтверждают приведенные микроструктуры.
Ключевые слова: алюминиевый сплав RS-356, гибридные заготовки, осадка с кручением, микроструктуры.
В машиностроительных отраслях промышленности в последнее время начинают широко применять так называемые гибридные заготовки, представляющие собой металлический лист, изготовленный из однородных либо разнородных материалов, отличающихся по прочности, маркам и толщине. Использование таких заготовок позволяет учесть особенности работы готовой детали и, как следствие такого подхода, получать облегченные и экономичные детали. Существует ряд методов получения гибридных заготовок, таких как сварка лазерным лучом [1, 2], электронно-лучевая сварка [3], электродная сварка [4, 5] и сварка трением с перемешиванием (Friction-Stir Welding, FSW) [5,6]. Каждый из упомянутых методов имеет свои преимущества и недостатки.
Одной из малоизученных технологий пластического формоизменения, позволяющей изготавливать тонкостенные осесимметричные поковки, является штамповка (осадка) с кручением [7]. Суть процесса заключается в формообразовании гибридной заготовки вращающимися друг относительно друга бойками. Ось вращения бойков совпадает с осью осаживаемой заготовки. За счет сил трения на контактной поверхности крутящий момент передается деформируемым заготовки и производит их диффузионное соединение. В результате приложения к заготовке наряду с осевой силой крутящего момента возникает сложная схема напряженно-деформированного состояния, обеспечивающая, как показали металлографические исследования, практически 100% контакт свариваемых заготовок [8]. Анализ отечественной и зарубежной информации позволил установить, что многие технологически важные параметры процесса осадки с кручением недостаточно изучены. В частности, отсутствуют данные о возможности формообразования гибридных заготовок из ряда новых сплавов, в частности алюминиевого порошкового сплава RS-356, характеризующегося относительно низкими пластическими свойствами.
Целью настоящей работы являлось получение надежного неразъемного соединения заготовок из алюминиевого сплава RS-356 осадкой с кручением с изучением микроструктуры в зоне их контакта.
Для достижения поставленной цели необходимо было выбрать исследуемый материал, определить распределение температуры в процессе деформации, найти зависимость сопротивления деформации материала образцов от температуры, определить рациональный режим нагрева заготовок и инструмента, определить свойства полученных гибридных заготовок путем изучения микроструктуры и химического состава образцов в меридиональном сечении вдоль линии контакта.
В качестве исследуемого материала был выбран порошковый алюминиевый сплав RS-356 (химический состав % (вес): Al - 92,58; Si - 6,83; Mg - 0,29; Mn - 0,002; Fe - 0,14; Ti - 0,15; Cu - 0,002; Zn - 0,003 [4]), образцы из которого изготовили 3D-печатью по технологии SLM на установке «EOS». Микроструктура исходного материала приведена на рис. 1. Для определения пластичности сплава были изготовлены методом электроэрозии цилиндрические образцы диаметром и высотой 10 мм.
х100 х500 х1000
Рис. 1. Структура исходного образца из порошкового алюминиевого сплава RS-356
Осадку пакета из 2-х образцов с кручением осуществили на модернизированном гидравлическом прессе модели ДБ-2432 силой 1,6 МН до высоты 2,0 ... 2,1 мм со скоростью осевого перемещения пуансона 1 мм/сек с частотой его вращения 12 об/мин [7]. Контактные поверхности образцов перед деформацией тщательно зачищались и протирались спиртом. Для изучения микроструктуры и микротвердости осаженные образцы разрезались в меридиональной плоскости с применением метода электроэрозии и исследовались с применением бинокулярного микроскопа «Olympus Delta" с увеличениями х100, х500, х1000 и х2500 и твердомера "DuraScan 20", а также электронного
микроскопа "FEI QUANTA 650" с увеличением х5000. Замеры микротвердости были проведены на приборе "LEICA MHT-10" с нагрузкой на индентор 100 г. Моделирование процесса осадки с кручением выполнено с применением программного комплекса QForm [9].
Пакет из двух заготовок без предварительного нагрева осаживался с кручением холодным инструментом. Исходные данные для компьютерного моделирования в программе QForm 10.3.0 соответствовали данным, при которых проводился натурной эксперимент. Учитывая отсутствие в базе деформируемых материалов программы QForm реологических свойств сплава RS-356 нами был выполнен комплекс работ по их определению и результаты представлены в таблице 1. В качестве прототипа функциональной зависимости для построения математической модели исследуемого сплава выбрана эмпирическая модель Хензеля-Шпиттеля [10].
Таблица 1
Коэффициенты математической модели сопротивления деформации сплава RS-356 _
Тип деформации А mi m2 тз т4 т5 т7 ms т9
20 0С -300 0C 214,0419 -0,0021 -0,3945 0,003 -0,0994 -0,0028 0,3474 6,77x10-5 250
400 0С -450 0C 10,597 -0,0086 -0,082 0,3438 -0,0204 -0,0026 0,8587 -0,0006 0,8813
Для осадки с кручением исходные образцы сплава RS-356 были получены по технологии SLM на оборудовании компании EOS, имели высоту 12,5 мм и исходный диаметр 21,1 мм. Деформирование образцов осуществляли за два этапа. На первом этапе осуществляли сжатие каждого из двух образцов отдельно нагретыми в печи до температуры 250 °С между плоскими плитами до высоты 5,35 мм. Перед повторной деформацией собирался пакет из двух осаженных заготовок, который нагревали до температуры 350 °С и выполняли сжатие пакета с кручением с осевой скоростью 1 мм/сек и частотой вращения 12 об/мин до толщины 2,0 мм (рис. 2).
а б
Рис. 2. Распределение температуры в меридиональном сечении заготовки из порошкового алюминиевого сплава
RS-356 после первого (а) и второго (б) переходов
Деформирование осуществляли практически холодным инструментом (около 40-50 °С), поэтому в процессе формоизменения происходило охлаждение заготовок, как показало моделирование (рис. 2), до, примерно, 45°С на первом переходе и до 90°С на втором переходе, что приводило к образованию трещин в периферийной части после обоих переходов (рис. 3).
а б в
Рис. 3. Заготовки из порошкового алюминиевого сплава RS-356 до (а), после осадки с кручением при температуре 250 "С (б) и сечение гибридной заготовки из сплава RS-356, полученной осадкой с кручением с нагревом до
температуры 350 °С
Алюминиевый сплав RS-356 относится к группе сплавов повышенной пластичности, однако при комнатной температуре накопленная деформация без разрушения не превышает 0,45-0,48 в зависимости от скорости деформации (рис. 4).
№ образ ца Фото образца после испытания на сжатие Температура образца, оС Величина деформации е Скорость деформации £, с-1
1 20 0,48 0,001
2 К 20 0,45 0,01
3 20 0,48 0,4
4 300 0,56 0,001
5 Е&_1 300 0,46 0,01
6 300 0,31 0,4
Рис. 4. Образцы после осадки при температурах 20 и 300°С
Как видно из рисунка 4 при холодной осадке цилиндрических образцов со скоростью деформации 0,01 с-1 разрушение происходит при накопленной деформации 0,45. Повышение температуры образцов до 300 °С и более повышает пластические характеристики металла, снижает сопротивление деформации. Поэтому пакет из двух исходных заготовок предварительно нагревали в печи до 350°С для компенсации падения температуры при переносе заготовок в штамп. Осадка в рассмотренных условиях позволила получить заготовки с хорошим качеством соединения (рисунок 5).
Исходная заготовка имела равноосные а-зерна размером 10-15 мкм. Как видно на рисунков 5 и 6 в зоне контакта наблюдается интенсивное измельчение зерен, структура материала не имеет ярко выраженных макроволо-ко и, по всей видимости, представляет собой механическую смесь.
Линия контакта
Рис. 5. Макрошлиф гибридной заготовки, увеличение х50
623
х100
х100
х500 центр заготовки
х1000
•■■■'■Л'"-'
ЁШ Л ж
Н¥=98кгс/мьг
х500
Х1000
край заготовки
Рис. 6. Микроструктура гибридного образца из сплава RS-356 в меридиональном сечении
Металлографическое исследование указывает на отсутствие пор в зоне соединения и минимальное различие микроструктуры как вблизи зоны контакта, так и в зоне соединения, что подтверждает его высокое качество (рис. 7).
Линия контакта
Рис. 7. Микроструктура образца в зоне контакта (центр заготовки) - Увеличение х1000
Имеющиеся темные пятна вдоль линии контакта не являются пустотами и порами. Химический состав спектров, указанных на рисунке 7, проанализирован и приведен в таблице 2.
Таблица 2
Химический состав секторов, указанных на рисунке 7
Название спектра А1 Si Сумма Наименование участка
Спектр 1 97.88 2.12 100.00 Линия контакта
Спектр 2 90.95 9.05 100.00
Спектр 3 93.32 6.68 100.00
Спектр 4 93.19 6.81 100.00
Спектр 5 93.23 6.77 100.00 верхний образец
Спектр 6 93.69 6.31 100.00 нижний образец
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что фаза, образовавшаяся в процессе формообразования, полностью заполняет зону контакта и по химическому составу существенно не отличается от исходного материала. Изучение влияние осадки с кручением на изменение микротвердости показало:
- в центральной зоне образца микротвердость по Виккерсу практически одинакова и равна HV0,1 105 -106 единиц, что характеризует достаточно высокое качество соединения заготовок,
- в краевой зоне различие несколько большее и составляет HV0,1 90 - 106 единиц. В периферийной зоне материал практически не деформирован и твердость составляет 60 единиц при исходной твердости 96-98 ед., что, вероятно, связано с отпуском металла при нагреве перед деформацией.
Выводы:
1. Полученные в данной работе результаты показали, что использование горячего формоизменения позволяет существенно расширить область применения процесса осадки с кручением за счет применения ее для обработки материалов давлением с относительно низкими пластическими свойствами.
2. Исследование зависимости сопротивления деформации и пластичности (по величине максимальной деформации, см. рисунок 4) образцов из алюминиевого сплава RS-356 от температуры позволило определить температурный режим нагрева заготовок и инструмента и получить гибридные (составные) заготовки с хорошим качеством соединения вдоль линии контакта. Качество соединения подтверждено исследованием микроструктуры в меридиональном сечении образца.
3. Фаза, образовавшаяся в процессе формообразования, полностью заполняет зону контакта и по химическому составу существенно не отличается от исходного материала, что должно обеспечивать прочность соединения двух образцов материала.
Список литературы
1. Xiao Rongshi, Zhang Xinyi. Problems and issues in laser beam welding of aluminum-lithium alloys. // Journal of Manufacturing Processes, 16 (2), (2014), P. 166-175.
2. Kashaev N., Ventzke V., Qam G. Prospects of laser beam welding and friction stir welding processes for aluminum airframe structural applications. // Journal of Manufacturing Processes, 36 (2018), P. 571-600.
3. Slobodyan M., Resistance, electron- and laser-beam welding of zirconium alloys for nuclear applications: A review // Nuclear Engineering and Technology, 2021.
4. Kang Zhou, Ping Yao. Overview of recent advances of process analysis and quality control in resistance spot welding // Mechanical Systems and Signal Processing, 124 (1) (2019), P. 170-198.
5. Singh V.P., Patel S.K., Ranjan A., Kuriachen B. Recent research progress in solid state friction-stir welding of aluminium-magnesium alloys: a critical review // Journal of Materials Research and Technology, 9(3), (2020), p. 6217-6256.
6. Fengxiang Xu, Guangyong Sun, Guangyao Li, Qing Li, Experimental investigation on high strength steel (HSS) tailor-weldedblanks (TWBs), Journal of Materials Processing Technology 214 (2014). P. 925-935.
7. Субич В.Н., Демин В.А., Шестаков Н.А., Власов А.В. Штамповка с кручением: Монография. М.: МГИУ, 2008. 389 с.
8. Петров П.А., Бурлаков И.А., Нгуен Хань Тоан. Перспективы применения гибридных заготовок в машиностроении. Технология металлов, № 8, 2021, C. 10-23.
9. Власов А.В., Стебунов С.А., Евсюков С.А. и др. Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки, М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 383 с.
10. Получение реологических моделей алюминиевого сплава RS-356 при различных режимах деформации. / Во Фан Тхань Дат, П.А. Петров, И.А. Бурлаков, и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. № 3. С. 78-88.
Во Фан Тхань Дат, аспирант, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Бурлаков Игорь Андреевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Нгуен Хань Тоан, аспирант, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет
PRODUCTION OF HYBRID BILLETS FROM POWDERED ALUMINUM ALLOY RS-356 BY TORTIONAL UPGRADING Vo Phan Thanh Dat, P.A. Petrov, I.A. Burlakov, Nguyen Khanh Toan
The results of forming hybrid billets from powdered aluminum alloy RS-356 are shown, the dependences of the rheological properties on temperature and the magnitude of deformation are given, as well as the modes of manufacturing hybrid billets by upsetting with torsion. It is shown that the given modes of forming the workpieces provide the connection of the workpieces with high quality, which is confirmed by the given microstructures.
Key words: aluminum alloy RS-356, hybrid workpieces, torsional upsetting, microstructures
Vo Phan Thanh Dat, postgraduate, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Petrov Pavel Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Burlakov Igor Andreevich, doctor of technical sciences, professor, i. [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Nguyen Khanh Toan, postgraduate, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
