CC BY
45
УДК 539.3
СЛОИСТЫИ МАТЕРИАЛ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ
© А. А. Ганеева
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, г. Уфа, Россия, e-mail: [email protected]
Ключевые слова: слоистый материал; сварка давлением; сверхпластическая формовка; сосуд давления; микроструктура; ударная вязкость.
Исследован слоистый материал с «тормозящим» трещину расположением слоев, полученный сваркой давлением листовых заготовок из титанового сплава ВТ6. Показаны перспективы применения слоистого материала для изготовления сферической оболочки.
ВВЕДЕНИЕ
Титановые сплавы и их сварные конструкции находят широкое применение в различных отраслях машиностроения, тем самым обусловливая актуальность исследований, направленных на повышение их эксплуатационных характеристик.
Поскольку сварные конструкции изготавливаются из двух и более заготовок, их можно рассматривать как слоистые. В то же время конструкции преднамеренно могут быть изготовлены из слоистого материала. Применение слоистого материала позволит решить ряд актуальных задач, в частности современного авиационного машиностроения, связанных с формообразованием изделий сложной конфигурации и повышением их эксплуатационной надежности.
В работах [1, 2] приводятся результаты исследований слоистого материала с «разделяющим» трещину расположением слоев, полученного сваркой давлением пяти листовых заготовок из титанового сплава ВТ6.
Сварка в твердой фазе обладает целым рядом достоинств, в частности, не нарушает структуры материалов, равнопрочно им, а совмещение с сверхпластиче-ской формовкой (СПФ) обеспечивает несомненные преимущества по сравнению с традиционными методами изготовления конструкций.
В данной работе приведены результаты исследований слоистого материала с «тормозящим» трещину расположением поверхностей соединения, и показана возможность изготовления из данного материала сферической оболочки методом СПФ.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала для исследований использовали двухфазный титановый сплава ВТ6 в виде листов с микрокристаллической структурой, полученных промышленной прокаткой. Слоистый материал получали сваркой давлением тринадцати листовых заготовок толщиной 0,8 мм при традиционных режимах. Листовые заготовки располагали одну относительно другой с образованием угла между направлениями прокатки (НП) в них.
Сферическую оболочку изготавливали путем сверхпластической формовки пакета, состоящей из двух половин, каждая из которых представляла собой изотропный слоистый материал из пяти листовых заготовок толщиной 1 мм [3].
Испытания на ударный изгиб проводили на маятниковом копре марки Schenck Trebel RPSW 150/300 при комнатной температуре.
Для проведения испытаний изготавливали образцы с С-образным надрезом с «тормозящим» трещину расположением слоев, т. е. линия надреза располагалась параллельно поверхности соединения (рис. 1). Данные образцы были вырезаны из слоистого материала в направлениях, перпендикулярных относительно друг друга (направления 1 и 2) и соответствовали типу 1 по ГОСТ 9454-78, т. е. имели стандартные размеры -10x10x55 мм.
Металлографические и фрактографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе JXA-6400.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При микроструктурном исследовании слоистого материала зоны твердофазных соединений практически не отличаются от основного материала, лишь при тщательном исследовании на больших увеличениях обнаруживаются единичные поры малой плотности распределения, которые расположены внутри зерен. Как отмечалось в работе [2], поры размером менее 1 мкм не оказывают влияния на свойства слоистых материалов.
Рис. 1. Образец для испытаний на ударный изгиб
Результаты испытаний на ударный изгиб свидетельствуют о том, что способ укладки листов при сборке в пакет оказывает влияние на свойства слоистого материала с «тормозящим» трещину расположением листов (табл. 1).
Таблица 1
Ударная вязкость слоистого материала с «тормозящим» трещину расположением слоев
Угол между НП в листовых заготовках
КСи, МДж/м2
Площадь поперечного сечения __________образцов, мм2_________
10x10
10x4*
Направление вырезки
1 2 1 2
90° 0,57 0,57 0,84 0,88
0° 0,49 0,6 0,83 0,97
Примечание. * Значения ударной вязкости образцов приведены в соответствии с [2].
Рис. 2. Микроструктура зоны твердофазного соединения
В случае укладки листовых заготовок со сменой направления прокатки (угол между НП в заготовках составляет 90°) слоистый материал характеризуется изотропными свойствами, в противном случае - свойства анизотропные. В работе [2] было отмечено, что изменение НП в одной заготовке приводит к снижению уровня анизотропии свойств (табл. 1). Следовательно, величина положительного эффекта будет максимальной в случае использования большего и/или четного количества заготовок с образованием угла между направлениями прокатки в них, а угол между НП будет составлять п/п, где п - количество заготовок.
При фрактографическом анализе изломов образцов слоистого материала выявлено, что разрушение происходит с образованием вязкого излома ямочного строения (рис. 3). Изломы образцов слоистого материала с различным расположением угла между НП в заготовках несколько отличаются. При исследовании образцов, в которых угол между НП в листовых заготовках составляет 90°, можно отметить наличие некоторой периодичности на поверхности разрушения (рис. 3, а, в), связанной с тем, что трещина на своем пути пересекает слои, имеющие разные структурные и механические характеристики. Действительно, в образцах слоистого
материала с «тормозящим» трещину расположением слоев трещина пересекает листовую заготовку в направлении нормали к плоскости листа, а затем следующую - уже в поперечном направлении к плоскости листа, и т. д. В связи с этим в отличие от поверхности разрушения образцов, в которых НП в листовых заготовках совпадают, на половине поверхности разрушения образцов, в которых НП в заготовках не совпадают, излом неровный.
В работах [4, 5] сообщается, что для подобного типа слоистых образцов с «тормозящим» трещину расположением листовых заготовок имеет место последовательное разрушение заготовок с многократным зарождением новой трещины, что обусловливает высокие значения ударной вязкости по сравнению с монолитным образцом. Излом, возникающий при разрушении исследуемых образцов, подобен излому монолитного материала, что, вероятно, связано с практически бездефектным соединением слоев. Однако повторное зарождение трещины было замечено при исследовании поверхности разрушения образцов изотропного слоистого материала, показавших более высокие значения ударной вязкости по сравнению с другими исследуемыми образцами (рис. 3, а).
Таким образом, преимущество слоистого материала заключается в том, что путем определенного расположения зон соединений относительно действующей нагрузки и листовых заготовок друг относительно друга с образованием угла между НП в них можно управлять характером разрушения материала и достигнуть изотропии механических свойств, соответственно. При этом слоистые материалы можно получать в виде крупногабаритных полуфабрикатов с повышенным комплексом свойств по сравнению с обычными (монолитными) крупногабаритными полуфабрикатами, которым свойственна крупнозернистая структура с высокой степенью неоднородности, а соответственно, и пониженный уровень комплекса свойств.
В связи с этим данный слоистый материал можно рассматривать как перспективный материал для изготовления изделий ответственного назначения, в частности таких, как сферические оболочки, широко используемые в технике в качестве сосудов давления. Поскольку качество таких изделий определяется структурой и свойствами используемого материала, а также обеспечением необходимой геометрии изделия, был разработан способ изготовления сферической оболочки путем свободной формовки пакета, каждая половина которого представляет собой слоистый материал с изотропными свойствами [3].
При реализации данного способа в процессе формоизменения пакета, благодаря тому, что каждая его половина представляет собой изотропный слоистый материал, в котором заготовки расположены одна относительно другой с образованием угла между направлениями прокатки в них, тенденции к большей деформации в одной заготовке противодействует тенденция к меньшей деформации в другой заготовке. Использование изотропного слоистого материала в качестве половины пакета обеспечивает равномерную деформацию как зон фланца, так и зон купола формуемой оболочки, что позволяет избежать разнотолщинности оболочки. В результате отсутствуют различные отклонения от заданной геометрии оболочки: так, фестоны в области фланцев не образуются, отклонение экваториального сечения оболочки от окружности не наблюда-
Рис. 4. Вид пакета и готовой оболочки 0 180 мм
ется, смещение точек сварного шва из экваториальной плоскости, приводящее к появлению на оболочке местного выпучивания, также не наблюдается (рис. 4). Местное выпучивание является трудно прогнозируемым дефектом и требует для своего исправления трудоемких калибровочных операций. Выпучивание в зависимости от степени утонения может привести к необратимому браку.
Микроструктурное исследование образцов, вырезанных из готовой оболочки, показало, что зона соединения не отличается от основного материала, поры отсутствуют. Результаты исследований свидетельствуют о том, что единичные поры, наблюдаемые в зоне
соединения в слоистом материале, представляющем собой половину пакета, из которого изготавливается оболочка, «залечиваются» за счет дополнительной деформации в процессе сверхпластической формовки.
Расчетное напряжение в оболочке, установленное по результатам натурных испытаний на разрушение внутренним давлением газа, составило 1000 МПа. Разрушение произошло вне зоны экватора.
Поскольку оболочка является изделием, работающим под внутренним давлением, и изготовлена из слоистого материала, то характер распространения трещины при разрушении оболочки подобен характеру распространения трещины в ударных образцах слоистого материала с «тормозящим» трещину расположением слоев.
ВЫВОДЫ
Слоистый материал с изотропными свойствами, полученный сваркой давлением, можно рассматривать как перспективный материал для изготовления изделий ответственного назначения. Изотропность свойств достигается за счет расположения листовых заготовок относительно друг друга с образованием угла между направлениями прокатки в них.
Слоистый материал характеризуется вязким разрушением при ударном изгибе. На поверхности разрушения образцов, в которых угол между НП в листовых заготовках составляет 90°, отмечено наличие некоторой периодичности, вероятно связанной со спецификой движения трещины в этих образцах.
Применение слоистого материала с изотропными свойствами позволило получить сверхпластической формовкой сосуд давления правильной сферической формы.
Расчетное напряжение в оболочке, установленное по результатам натурных испытаний на разрушение внутренним давлением газа, составило 1000 МПа. Разрушение произошло вне зоны экватора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ганеева А.А., Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я. Слоистый композит из титанового сплава ВТ6 // Перспективные материалы. Спец. выпуск. 2009. № 7. С. 79-82.
2. Ганеева А.А., Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я. Ударная вязкость слоистых полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6 // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 12. С. 36-40.
3. Ганеева А.А., Круглов А.А., Афанасьева Н.А., Лутфуллин Р.Я. Способ изготовления оболочки // Патент РФ на изобретение № 2380185. 27.01.2010. Бюл. №3.
4. Гуляев В.П., Кошелев П.Ф., Лыглаев А.В. Перспективные методы исследования хрупкого разрушения металлов. Новосибирск: Наука, 1977. 124 с.
5. Яковлева И.Л., Терещенко Н.А., Мирзаев Д.А., Панов А.В., Шабуров Д.В. Ударная вязкость и пластические свойства составных образцов по сравнению с монолитными // ФММ. 2007. № 2. С. 212-221.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Ganeeva A.A. Layered material and its application for manufacturing of pressure vessel. The layered material with an arrangement of the layers “breaking” a crack is manufactured by means of pressure welding and investigated. The perspectives of application of a layered material for manufacturing of a pressure vessel are shown.
Key words: layered material; pressure welding; superplastic forming; pressure vessel; microstructure; impact toughness.
