научная статья по теме ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ Машиностроение
Текст научной статьи на тему «ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ»
ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
© 2009 г. Круглов A.A., Лутфуллин Р.Я.
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Приводятся результаты применения наноструктурных титановых сплавов, в частности сплава ВТ6, для изготовления полых конструкций сверхпластической формовкой и методом совмещения ее со сваркой давлением. На примерах изготовления полусферических оболочек, моделей полой лопатки вентилятора авиационного двигателя и сварных полуфабрикатов показаны возможности использования наноструктурных титановых сплавов.
Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или оно возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к нано-материалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними - к нанотехно-логиям [1]. Наноматериалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм и за счет этого обладающие значительным ростом объемной доли поверхности раздела, имеют качественно новые функциональные и эксплуатационные характеристики [2].
Обработка наноматериалов и сохранение высокого уровня свойств в изделиях требует поиска новых технологических методов, позволяющих осуществлять интеграцию нанокомпонентов в полноценно функционирующие системы большого масштаба. Освоение нанотехнологий позволит создать эффективную наноиндустрию и обеспечить разработку новых конкурентоспособных изделий.
Благодаря обнаруженному эффекту низкотемпературной сверхпластичности [3] и прогрессу, достигнутому в разработке методов получения наноструктурных объемных полуфабрикатов, в частности из титановых сплавов [4], открылись перспективы изготовления полых конструкций методами сверхпластической формовки (СПФ) и сварки давлением.
В качестве исследуемого материала взят известный титановый сплав ВТ6 (Ti-6Al-4V) в виде листов толщиной 0.8 мм со средним размером зерен, не превышающим 200 нм. Традиционная температура СПФ сплава Ti-6Al-4V составляет 900° [5]. При такой температуре на поверхности формуемого листа образуется хрупкий альфированный слой, который необходимо удалять абразивной обработкой и химическим травлением [6]. Последнее обстоятельство является серьезным препятствием при изготовлении методом СПФ тонкостенных оболочек и многослойных конструкций из титановых сплавов.
550 600 650 700 750 800 т, град.
При проведении экспериментов температуру формовки, начиная с 800°, снижали с шагом в 50° до минимально возможной температуры, при которой из листа можно получить полусферу с R = 35 мм при одном и том же значении давления газа. Зависимость времени t формовки полусферы от температуры т представлена на рис. 1 (P = const). Полусферы с R = 35 мм были получены в интервале от 800 до 550°.
Из титановых листов с наноструктурой СПФ были получены оболочки цилиндрической формы диаметром 70 мм и высотой 35 мм при температурах 650 (а) и 600° (б) (рис. 2). Толщина стенки в цилиндрических оболочках составила 0.15, . 0.25 мм.
Известно [7], что альфированный слой на поверхности формуемой заготовки из титанового сплава образуется при температуре выше 750°. Следовательно путем снижения температуры обработки за счет наноструктуры можно решить задачу получения тонкостенных изделий методом СПФ без альфированного слоя. Другой проблемой, возникающей при высокотемпературной обработке титановых сплавов, является интенсивный рост зерен. В работе [8] показано, что отжиг при температурах выше 650° приводит к резкому росту зерен в наноструктурном титановом сплаве ВТ6. Выбирать температуру СПФ необходимо так, чтобы сохранить наноструктуру в готовом изделии и тем самым обеспечить высокие функциональные свойства.
Удовлетворительная формуемость наноструктурного титанового сплава ВТ6 в температурном интервале 550-600°, как показали эксперименты, позволяет сохранить размер зерен меньше 1 мкм в отформованной заготовке.
Другим важным свойством наноструктурного титанового сплава является повышенная твердофазная свариваемость (без расплавления) [9]. Известно [10], что сверхпластическая деформация ускоряет кинетику формирования твердофазного соединения за счет влияния на этот процесс основного механизма - развития зернограничного проскальзывания и, тем самым, существенно сокращает длительность процесса соединения для одноименных титановых сплавов в сравнении с классической диффузионной сваркой. С уменьшением среднего размера зерен от микронных до нанометриче-ских эффект влияния сверхпластической деформации на твердофазную свариваемость резко повышается. Прежде всего это проявляется в существенном, на 150-300°, снижении температуры и уменьшении потребного усилия для осуществления сварки в твердом состоянии.
Повышенные технологические свойства наноструктурных титановых сплавов позволяют существенно расширить технологические возможности при изготовлении полых изделий за счет совмещения СПФ со сваркой давлением: от лицевой пластины головки клюшки для игры в гольф до лопатки вентилятора авиационного двигателя [11]. На рис. 3 показана модель полой лопатки трехслойной конструкции с гофровым наполнителем [12].
Повышенную свариваемость наноструктурного титанового сплава можно использовать для изготовления объемных полуфабрикатов. Известен способ получения объемных полуфабрикатов с микрокристаллической структурой из титанового сплава,
согласно которому между соединяемыми заготовками устанавливают прокладку из того же материала, что и материал заготовок, но с размером зерен на порядок меньше, чем в заготовках. Этот прием позволяет локализовать деформацию в прокладке и при значительных степенях деформации (не менее 0,2) обеспечить активное протекание процесса зерногра-ничного проскальзывания в объеме прокладки. В результате существенно снижается количество дефектов твердофазного соединения.
Если для изготовления полуфабрикатов величина объемной деформации не является лимитирующим параметром, то при изготовлении изделий требуемого размера через промежуточные прокладки необходимо по возможности уменьшить величину объемной деформации. Это становится возможным при использовании наноструктурных титановых Рис. 3 прокладок. В этом случае локализовать деформацию в прокладке удастся при степени деформации не более 0,05. Кроме того, для этого потребуется менее мощное прессовое оборудование и процесс сварки можно осуществить при пониженной температуре.
При изготовлении многослойных конструкций гофрового типа из титанового сплава для повышения качества твердофазного соединения можно эффективно использовать наноструктурные прокладки, как показано в [13]. За счет применения более пластичных, чем листовые заготовки, прокладок распределение напряжений в зоне соединения приближено к решению Прандтля задачи о сжатии тонкого пластического слоя конечной толщины между жесткими плитами [14]. При приложении давления к листовым заготовкам в прокладке образуются жесткая зона, выходящая на поверхность в центре прокладки, и пластическая зона по периферии прокладки. Наличие пластической зоны способствует осуществлению необходимой для образования физического контакта деформации, которая предотвращает появление подрезов и скопление микропор на периферии участков соединения.
Другим примером использования наноструктурных прокладок является лицевая пластина головки клюшки для игры в гольф из титанового сплава [15]. Лицевая пластина представляет собой многослойную конструкцию в виде обшивки с наполнителем гофрового типа. В данном случае эффект применения наноструктурных прокладок не ограничивается повышением качества твердофазного соединения. Решается известная для игроков в гольф проблема снижения отдачи в руку, благодаря высоким демпфирующим свойствам наноструктуры.
При изготовлении гофровых конструкций актуальной проблемой была и остается проблема утяжин, образующихся на наружной поверхности обшивок в местах, не подкрепленных внутренним элементом. Утяжины устраняют путем утолщения обшивок обычно в 2-3 раза по сравнению с листом наполнителя. Известен способ [16], в котором для предотвращения утяжин перед сборкой пакета листы обшивки подвергают нагреву до температуры, превышающей верхний предел интервала сверхпластичности, до увеличения размера зерна. При данном способе фактически приходится огрублять структуру материала обшивки, т.е. ухудшать прочностные характеристики изделия в целом. Такой прием неприемлем [17] для изделий ответственного назначения. Ту же цель можно эффективно достигнуть путем использования наноструктурного листа наполнителя в сочетании с листами обшивки из промышленного проката. За счет эффекта низкотемпературной сверхпластичности наноструктурный лист наполнителя обеспечит равномерную деформацию при формировании ребер жесткости гофровой конструкции при пониженной температуре. Увеличение затрат на материал для наполнителя гофровой конструкции будет компенсировано снижением температуры процесса ее изготовления.
За счет применения наноструктурных листов или прокладок для сварки промышленных листов можно повысить прочность сферических сосудов давления из титано-
вого сплава, способ изготовления которых описан в работе [18]. Сваркой давлением листовых заготовок, имеющих разную структуру, можно получить полуфабрикат в виде структурного композита. После СПФ такого полуфабриката полученный сосуд будет состоять из слоев с разной структурой. Границы между разноструктурными слоями будут эффективно препятствовать развитию магистральных трещин, что обеспечит высокие усталостные свойства в сосуде.
Приведенные примеры не могут отразить весь спектр эффективного применения наноструктурных титановых сплавов, так как это только результаты, реализованные в Институте проблем сверхпластичности металлов РАН, но они свидетельствуют о том, что за ними будущее отечественного машиностроения.
1. Aлфeрoв Ж.И., Aceee A.Л., Гanoнoв C.B. u др. Наноматери
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.