CC BY
181
11. Techel A. et al. Laser Additive Manufacturing of Turbine Components, Precisely and Repeatable. Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (IWS), http://www.lia.org/blog/category/laser-insights-2/laser-additive -manufacturing/
12. Louvis E. et al. Selective laser melting of aluminium components //Journal of Materials Processing Technology. 2011. V. 211 №2. P. 275-284.
13. Каблов E.H., Петрушин H.B. Компьютерный метод конструирования литейных жаропрочных никелевых сплавов /В кн.: Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С.Т. Кишкина /Под ред. E.H. Каблова. М.: Наука. 2006. С. 56-78.
14. Горюнов A.B., Ригин В.Е. Современная технология получения литейных жаропрочных никелевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2014. №2. С. 3-7.
15. Оспенникова О.Г., Евгенов А.Г., Неруш C.B., Афанасьев-Ходыкин А.Н. Исследование мелкодип-серных порошков припоев на никелевой основе применительно к получению высокотехнологичного полуфабриката в виде самоклеющейся ленты на органическом связующем //Вестник УГАТУ. 2012. №5 (50). С. 137-144.
16. Каблов E.H., Евгенов А.Г., Рыльников B.C., Афанасьев-Ходыкин А.Н. Исследование мелкодисперсных порошков припоев для диффузионной вакуумной пайки, полученных методом атомиза-ции расплава //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 79-87.
17. Неруш C.B., Евгенов А.Г., Ермолаев A.C., Рогалев A.M. Исследование мелкодисперсного металлического порошка жаропрочного сплава на никелевой основе для лазерной LMD наплавки //Вопросы материаловедения. 2013. №4(76). С. 98-107.
18. Евгенов А.Г., Неруш C.B., Василенко С.А. Получение и опробование мелкодисперсного металлического порошка высокохромистого сплава на никелевой основе применительно к лазерной LMD-наплавке //Труды ВИАМ. 2014. №5. Ст. 04 (viam-works.ru).
19. Неруш C.B., Евгенов А.Г. Исследование мелкодисперсного металлического порошка жаропрочного сплава марки ЭП648-ВИ применительно к лазерной LMD-наплавке, а также оценка качества наплавки порошкового материала на никелевой основе на рабочие лопатки ТВД //Труды ВИАМ. 2014. №3. Ст. 01 (viam-works.ru).
УДК 621.77
Е.И. Разуваев1, Н.В. Моисеев1, Д.В. Капитаненко1, М.В. Бубнов1
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Представлены современные принципы и подходы к разработке технологических процессов изготовления деформированных заготовок дисков и лопаток из жаропрочных никелевых, титановых и других сплавов с целью достижения оптимального комплекса функциональных и технологических характеристик. Рассмотрен процесс изотермической штамповки дисков с применением специальной окалиностойкой штамповой оснастки, работающей без применения вакуумной камеры.
Ключевые слова: структура, сплав, процесс, пластическая деформация, термомеханическая обработка.
Modern principles and approaches to development of processing procedures for manufacture of wrought billets of disks and blades from heat-resistant nickel, titanium and other alloys for the purpose to achieve an optimum combination of operational and processing characteristics were described in the paper. Isothermal forging of disks in a special oxidation-resistant stamping tool without the use of a vacuum camera was considered.
Keywords: structure, alloy, process, plastic deformation, thermomechanical treatment.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Развитие авиакосмической техники и других отраслей машиностроения в значительной мере обеспечивается разработкой и применением новых, более сложных композиций конструкционных материалов, обладающих высокими прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, а также специальными физико-механическими свойствами (памятью формы, низким температурным коэффициентом
линейного расширения и т. п.) [1, 2]. Объем производства и применения таких материалов непрерывно растет. Создание таких материалов достигается путем многокомпонентного легирования, а также формирования гетерофазных структур, термостабильных до температур, близких к температуре плавления. Это приводит к снижению технологичности и затрудняет изготовление из них деформированных заготовок и полуфабрикатов с применением традиционных способов обработки давлением. Вместе с тем известно, что режимы термической обработки и термомеханические параметры деформации оказывают решающее влияние не только на возможность формоизменения, но и на формирование структуры.
Наиболее высокой жаропрочностью и, соответственно, низкой технологической пластичностью обладают гетерофазные никелевые сплавы, содержащие более 40% упрочняющей у'-фазы, применяемые для изготовления дисков и других деталей ГТД [3-5]. В результате исследований, выполненных в ВИАМ, разработаны технологические процессы термомеханической обработки высокожаропрочных труднодеформируемых сплавов на никелевой основе, обеспечивающие повышение технологической пластичности и достижение сверхпластичности путем комплексного воздействия пластической деформации и термической обработки. В отличие от традиционной технологии горячей деформации в однофазном состоянии (твердый раствор) новая технология предусматривает формирование структуры, позволяющей проводить эффективное формоизменение в гетерофазном состоянии. Задача заключается в определении условий термомеханической обработки, обеспечивающей формирование регламентированной структуры с высокой технологической пластичностью. Предварительная термическая обработка слитков и заготовок способствует устранению или снижению ликвационной неоднородности в сложнолегированных композициях и формированию структуры с предпочтительной морфологией (размером, формой и распределением) частиц упрочняющих фаз. Последующая пластическая деформация в максимально приближенных к всестороннему неравномерному сжатию условиях при строго регламентированных температурно-скоростных параметрах, обеспечивающих процесс динамической рекристаллизации, позволяет сформировать мелкозернистую структуру, обладающую более высокой пластичностью, а в случае формирования ультрамелкозернистой структуры - сверхпластичностью. Необходимость деформации таких сплавов в двухфазном состоянии обусловлена резким сужением или отсутствием температурного диапазона существования однофазного состояния. В результате снижения температуры процесс деформации (при отсутствии изотермических условий) сопровождается распадом твердого раствора с выделением мелкодисперсных частиц упрочняющих фаз, способствующих охрупчива-нию и резкому повышению сопротивления деформации сплава. Особенностью гетерофазных сплавов является также их высокая чувствительность к скорости деформации, что, в свою очередь, требует применения для их обработки давлением технологического оборудования с оптимальной, желательно регулируемой, скоростью нагружения, так как температурно-скоростные параметры деформации контролируют процесс разупрочнения. В отличие от горячей деформации в однофазном состоянии, когда упрочнение практически отсутствует, при деформации в двухфазной области упрочнение проявляется более значительно, особенно с понижением температуры в процессе формоизменения [6, 7]. Поэтому очень важно обеспечить условия деформации, при которых устанавливается равновесие процессов «упрочнение-разупрочнение». Наиболее полно такие условия достигаются при изотермической деформации, обеспечивающей возможность поддержания температуры и скорости в оптимальных для данной композиции узких диапазонах в процессе всего цикла формоизменения заготовки. Таким образом, процесс должен осуществляться при строгом соблюдении оптимальных темпе-ратурно-скоростных параметров деформации. Такие параметры (деформации сплавов в гетерофазном состоянии) устанавливаются с учетом критических температур конкретной плавки (полного растворения основных упрочняющих фаз, динамической рекристаллизации, полиморфного превращения и т. п.). Процесс изотермической деформации является наиболее перспективным при изготовлении высококачественных полуфабрикатов с регламентированной структурой из труднодеформируемых гетерофазных
сплавов. Для практического осуществления таких технологий в ВИАМ определены оптимальные параметры термомеханической обработки сплавов, созданы специализированное оборудование и высокожаропрочная штамповая оснастка. Разработка специальных высокожаропрочных окалиностойких композиций штамповых материалов с рабочей температурой до 1150-1200°С позволила осуществить процессы изотермической деформации титановых и жаропрочных никелевых сплавов в установках открытого типа, выгодно отличающихся от дорогостоящих вакуумных установок, в которых используются штампы из тугоплавких сплавов, простотой конструкции и более высокой производительностью. Разработаны также специальные технологические покрытия, обеспечивающие защиту деформируемых заготовок от окисления и газонасыщения при нагреве и являющиеся одновременно эффективной смазкой при деформации [8-12].
Известно, что технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов также определяются характером структуры, формирование которой зависит от термомеханических параметров деформации. В связи с тем, что структура и свойства полуфабрикатов, деформированных при температурах однофазной Р-области, существенно отличаются от характеристик материала, деформированного в двухфазной (а+Р)-области, важным критерием при выборе оптимального температурного диапазона обработки является температура полиморфного превращения (не только конкретного сплава, но и конкретной плавки). Деформация титановых сплавов при температуре Р-области обеспечивает высокую технологическую пластичность при меньших энергозатратах, однако не позволяет сформировать однородную мелкозернистую структуру с заданным комплексом свойств, которая требуется для большинства изделий. Кроме того, обработка титановых сплавов с нагревом при температурах Р-области сопровождается значительным окислением и газонасыщением поверхностного слоя, который необходимо полностью удалять механической обработкой, чтобы обеспечить высокие эксплуатационные свойства детали.
Деформация титановых сплавов в двухфазном состоянии (а+Р) позволяет формировать регламентированные структуры, обеспечивающие достижение комплекса высоких технологических и эксплуатационных характеристик [13]. Для всех титановых сплавов, разработанных в ВИАМ, установлены оптимальные технологические схемы и термомеханические параметры деформации в Р- и (а+Р)-областях, обеспечивающие формирование структуры с требуемым (предпочтительным) комплексом свойств и учетом условий эксплуатации изделий.
Особенностью титановых сплавов является проявление способности к сверхпластической деформации в двухфазном состоянии при определенных структурных и тем-пературно-скоростных параметрах. Технологические процессы с использованием сверхпластической деформации титановых сплавов находят все более широкое применение в промышленности при изготовлении экономичных полуфабрикатов сложной формы. При этом практически не лимитируется степень деформации и в 5-10 раз снижается усилие, необходимое для требуемого формоизменения заготовки. Полуфабрикаты, изготовленные изотермической и сверхпластической деформацией, отличаются более однородной структурой, повышенным и стабильным уровнем свойств. Специально разработанная композиция высокопрочного титанового сплава проявляет сверхпластичность при температуре на 75-100°С ниже температуры сверхпластической деформации промышленных сплавов. Это позволяет использовать менее жаропрочные и более дешевые штамповые материалы и существенно увеличить их стойкость [14-17].
Формирование оптимальной регламентированной структуры способствует также успешному осуществлению последующих технологических операций [18]. Например, формирование в поковках и штамповках из алюминийлитиевых сплавов изотропной структуры определенного типа позволяет повысить качество и надежность сварных конструкций.
Значительный практический интерес представляют технологические процессы изготовления точных заготовок лопаток ГТД из жаропрочных никелевых и титановых сплавов с использованием регламентированной холодной деформации. Холодное вальцевание лопаток, наряду со снижением трудоемкости окончательной механической об-
работки и ручных операций по доводке пера, обеспечивает повышение коэффициента использования дорогостоящих металлов и качества лопаток.
Новая технология включает в себя более точный расчет технологических операций на стадии изготовления предварительной заготовки, регламентированную холодную деформацию на операциях вальцовки пера и переходной зоны - от пера к замку лопатки. При этом достигается формирование однородной структуры во всех элементах лопатки и, соответственно, повышение эксплуатационных характеристик.
Заслуживают внимания технологические процессы изготовления листовых, прутковых и трубных полуфабрикатов из разнородных материалов, а также крупногабаритных листов и сверхтонкой фольги пакетным методом.
В связи с разработкой и все более широким применением технологических процессов сверхпластической формовки листовых деталей, определены оптимальные тем-пературно-скоростные параметры сверхпластической деформации большого числа промышленных и опытных титановых, алюминиевых и магниевых сплавов.
Разработка комбинированных листовых материалов (алюмопластов, металлопластов и т. п.) также потребовала изыскания способов их эффективного формоизменения. Разработан и освоен в промышленности технологический процесс изготовления втулок подшипников скольжения из металлопласта методом вытяжки из листа. Определены предельные коэффициенты формоизменения алюмопластов различных композиций.
Заключение
В представленном обзоре технологических процессов показана необходимость и актуальность дальнейших поисков эффективных способов изготовления деформированных полуфабрикатов и заготовок из перспективных конструкционных материалов новых классов, например, сплавов на интерметаллидной основе, титановых и алюминиевых сплавов с дисперсным упрочнением и других. На данном этапе очень важно не допустить отставания в разработке эффективных технологических процессов изготовления деформированных полуфабрикатов из перспективных материалов и создать условия для их широкого промышленного применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на пе-
риод до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Каблов E.H. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь. 2010. № 4. С. 2-7.
3. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Комплексная инновационная технология изотермической штамповки на воздухе в режиме сверхпластичности дисков из супержаропрочных сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 129-141.
4. Способ изготовления штамповок дисков из слитков высокоградиентной кристаллизации из никеле-
вых сплавов: пат. 2389822 Рос. Федерация; опубл. 29.04.2009.
5. Морозова Г.И. Закономерность формирования химического состава у'/у-матрицы многокомпонент-
ных никелевых сплавов //ДАН. 1991. Т. 320. №6. С. 1413-1416.
6. Способ получения изделия из деформируемого жаропрочного никелевого сплава: пат. 2387733 Рос.
Федерация; опубл. 31.03.2009.
7. Ломберг Б.С., Овсепян C.B., Бакрадзе М.М., Мазалов И.С. Высокожаропрочные деформируемые никелевые сплавы для перспективных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 98-103.
8. Солнцев С.С., Розененкова В.А. Защитные технологические покрытия на основе стекла для терми-
ческой обработки сталей и сплавов //Стекло и керамика. 2006. №11. С. 29-33.
9. Каблов E.H., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропрочных материалов и технологий их производства для авиационного двигателестроения //Крылья Родины. 2012. №3-4. С. 34-38.
10. Фиглин С.З., Бойцов В.В., Калпин Ю.Г., Каплин Ю.И. Изотермическое деформирование металлов. М.: Машиностроение. 1978. 239 с.
11. Ломберг Б.С., Овсепян C.B., Бакрадзе М.М. Новый жаропрочный никелевый сплав для дисков газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ) //Материаловедение. 2010. №7. С. 24-28.
12. Пономаренко Д.А., Моисеев Н.В., Скугорев A.B. Производство дисков ГТД из жаропрочных сплавов на изотермических прессах //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 13-16.
13. Скугарев A.B., Бурханова A.A., Ночовная H.A., Изотова А.Ю. Эффективность применения изотермической деформации при изготовлении штамповок из титановых сплавов //Титан. 2013. №1(39). С. 31-34.
14. Разуваев Е.И., Лебедев Д.Ю., Бубнов М.В. Формирование ультрамелкозернистой и наноразмерной структуры в металлах и сплавах методами деформации //Авиационные материалы и технологии. 2010. №3. С. 3-8.
15. Пономаренко Д.А., Моисеев Н.В., Скугорев A.B. Эффективная технология изготовления дисков ГТД из жаропрочных никелевых сплавов //Кузнечно-штамповочное производство. 2013. №10. С. 13-17.
16. Ломберг Б.С., Овсепян C.B., Бакрадзе М.М., Мазалов И.С. Высокотемпературные жаропрочные никелевые сплавы для деталей газотурбинных двигателей //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 52-57.
17. Ломберг Б.С., Овсепян C.B., Бакрадзе М.М. Особенности легирования и термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 3-8.
18. Разуваев Е.И., Капитаненко Д.В. Влияние термомеханической обработки на структуру и свойства аустенитных сталей //Труды ВИАМ. 2013. №5. Ст. 01 (viam-works.ru).
УДК 669.14.046.516
А.И. Щербаков1, С.А. Крылов1, В.А. Калицев1, В.А. Игнатов1
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ВЫСОКОПРОЧНОЙ МАРТЕНСИТОСТАРЕЮЩЕЙ СТАЛИ ВКС-180-ИД (01Н18К9М5Т), МИКРОЛЕГИРОВАННОЙ РЗМ
Сталь ВКС-180-ИД рекомендуется для производства высоконагруженных силовых деталей шасси, планера, двигателя. Исследованы металлургические особенности выплавки высокопрочной мартенситостареющей стали ВКС-180-ИД в вакуумной индукционной (ВИ) печи с переплавом в вакуумной дуговой (ВД) печи с применением выбранной системы микролегирования на основе РЗМ и введением оксида никеля. Технология позволяет получать стали с низким содержанием газов и примесей (углерод <0,005%; кислород <0,004%; азот <0,003%), что обеспечивает высокий уровень механических свойств как в продольном, так и поперечном направлении (предел прочности, ударная вязкость, пластичность).
Ключевые слова: высокопрочная сталь, мартенситостареющая сталь, выплавка, переплав, микролегирование РЗМ, оксид никеля, раскисление, газы, примеси, гомогенизация, ковка, прокатка, отжиг, закалка, термическая обработка, предел прочности, ударная вязкость, пластичность, неметаллические включения, карбиды, карбонитри-ды, балл зерна.
VKS-180-ID steel is recommended for production of high-loaded parts, landing gears, airframe and engine. Metallurgical characteristics of high-strength maraging steel VKS-180-ID melt in a vacuum induction furnace (VI) with the subsequent remelting in a vacuum arc furnace (VA) using the chosen system of REM-based micro-alloying and addition of nickel oxide were studied. The technology allows production of steels with a low content of gases and impurities (carbon <0.005%; oxygen <0.004%; nitrogen <0.003%) providing a high level of mechanical properties both in longitudinal and in transverse directions (tensile strength, impact strength, ductility).
Keywords: high-strength steel, maraging steel, melting, remelting, micro-alloying with REM, nickel oxide, deoxidation, gases, impurities, homogenization, forging, rolling, annealing, hardening, heat treatment, tensile strength, impact strength, ductility, nonmetallic inclusions, carbides, carbonitrides, grain size.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
