Современные технологии обработки металлов давлением

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 γ′-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 охрупчиванию 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 температурно-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 β-области, существенно отличаются от характеристик материала, деформированного в двухфазной (α+β)-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 β-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 β-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 (α+β) 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 β- и (α+β)-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 температурно-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 обработки 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 температурно-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.