Примеры технологических процессов объемной штамповки в режиме СПД

Горячая объемная штамповка имеет обширный опыт практического использования режимов сверхпластичности в процессах ОМД, которые позволяют осуществлять штамповку точных поковок сложной формы и больших размеров из малопластичных материалов при малых усилиях деформирования [17].

Есть сведения об использовании в отечественной и зарубежной металлообработке для штамповки в режиме СПД магниевых сплавов (МА8, МА15, МА21 и др.), алюминиевых сплавов (АК6, АК4-1, АМгб, В95, 7075, 7475 и др.), титановых сплавов (ВТ6, ВТЗ-1, ВТ9, ВТ14, IМ1-317, IМ1-318 и др.), никелевых сплавов (ЖС6У, ЖСбКП, ХН62МВКЮ, Astroloy, IN100, Waspoloy и др.), сталей (Р18, Р6М5, 45, 1Х12Н2ВМФ, AISI-4340 и др.), а также других металлических материалов [15].

Одним из первых вариантов использования СПД для получения деталей сложной формы был предложен как аналогия обработки материалов, относящихся к вязким жидкостям. Схема этого процесса напоминает литье в металлическую форму под давлением (рис.12) [15,17]. Процесс заключается в выдавливании цилиндрической заготовки 1 через соответствующие каналы 2 в полости ручьев штампа 3.

Этот процесс, позволяющий получать детали неограниченно сложной формы, возможен исключительно для сверхпластичных материалов, таких как Zn- 22% Al, AI — 33 % Си, AI — 13 % Sn. Однако эти, так называемые классические сверхпластичные сплавы, не находят широкого промышленного применения.

Более перспективными в настоящее время являются комбинированные процессы обработки давлением промышленных сплавов (алюминиевых, магниевых, титановых, никелевых сплавов, сталей) на базе резкого перехода от обычной деформации к СПД и наоборот.

Наиболее простым является создание состояния сверхпластичности в результате резкого снижения скорости деформации до 10-1т10'3 с'1 при размере зерна металла менее 5- 8 мкм. Другой возможностью является двухстадийная деформация. На первой стадии при обычной скорости деформации методом ковки или штамповки происходит дробление исходной структуры (размер зерна 10 - 100 мкм) заготовки до мелкозернистой с размером зерна 5- 8 мкм.

На второй заключительной стадии скорость деформации снижается до значений, обеспечивающих СПД. Первая стадия процесса должна вестись при сравнительно низкой температуре, чем снижается скорость собирательной рекристаллизации, а вторая стадия при более высокой температуре (0,5- 0.6) Тпл. К, но при существенно меньшей скорости деформации.

Комбинированный процесс «выдавливание-штамповка»

Рис. 12. Комбинированный процесс «выдавливание-штамповка»: а - штамп; б - пример сечения готовой детали

Примером практической реализации такого подхода может служить процесс штамповки точных поковок сложной формы (колес шасси с ободом и ступицей) наружным диаметром 100...380 мм и толщиной полотна 1,6-10,3 мм из титанового сплава типа ВТб (основа Ti-6%AI-6% Sn) при температуре 900...980°С на гидравлических прессах усилием 9 и 27 МН (рис.13) [17].

Примеры поковок из сплава ВТ6 отштампованных в режиме сверхпластичности

Рис.13. Примеры поковок из сплава ВТ6; отштампованных в режиме сверхпластичности

Этот же принцип комбинированной штамповки используется и при изготовлении поковки крупногабаритной панели с лучевым оребрением габаритами 1700 х 700 мм из магниевого сплава МА 2-1 (рис. 14).

По традиционной технологии такие панели штамповали на мощных гидравлических прессах с усилием 300- 750 МН. Опытная поковка этой панели с использованием СПД получена на менее мощном прессе усилием 150 МН в штампе, предварительно нагретом вне пресса до температуры штамповки.

Штамповку начинали при номинальной скорости рабочего хода пресса, а по достижении заданного усилия выдерживали деформируемую заготовку под нагрузкой в течении 1- 3 минут или производили повторные деформирования, каждый раз доводя усилия лишь до заданного уровня.

Крупногабпритная панель с лучевым оребрением из сплава МА2-1

Рис.14. Крупногабпритная панель с лучевым оребрением из сплава МА2-1

Таким образом, материал заготовки в течение периода выдержки при заданной нагрузке имел возможность течь, заполняя ручей штампа, при скоростях, близких к оптимальным, для режима СПД.

Практика штамповки данной панели показала, что условия сверхпластичности, позволяющие уменьшить усилия штамповки, способствуют и уменьшению разнотолщинности и анизотропии свойств получаемой поковки.

Успешными оказались результаты использования низкотемпературной сверхпластичности при штамповке компрессорных лопаток авиационных ГТД из титанового сплава ВТ б [18- 20]. Для получения необходимой УМЗ структуры со средним размером зерна 0,4 мкм использовали муль- тиосевую ковку по схеме осадка- протяжка с накопленной логарифмической степенью деформации не менее 5,0 при температуре t< tpeKp..

Дальнейшее развитие этот метод получил при проведении всесторонней ковки в изотермических условиях в специальном блоке [19]. Сообщается, что деформация в таких условиях заготовок из титанового (а+в)- сплава ВТб с исходным размером (3- зерен 230 мкм проводилась при температуре 650°С и скорости деформации ~10-Зс'1. В результате в заготовке сформировалась равномерная УМЗ структура со средним размером зерен 0,6 мкм.

УМЗ структура позволила при последующей изотермической деформации в условиях СПД поковок лопаток ГТД снизить температуру штамповки от 920°С (серийная технология) до 700°С, т.е. более, чем на 200°С., что существенно улучшило работоспособность, экономичность и условия эксплуатации изотермических блоков. Штамповку осуществляли на серийном гидравлическом прессе усилием 16 МН со степенью деформации 88% при средней скорости деформации ~ 10'3с В качестве смазки использовалась стеклоэмаль ЭВТ-7 с температурой размягчения около 600°С. При этом полученные поковки лопаток (рис.15) обеспечили улучшение прочностных и усталостных характеристик конечного изделия и сохранение в допустимых пределах пластичности и трещиностойкости.

Внешний вид лопаток компрессора ГТД (Сплав ВТ 6), отштампованных в условиях СПД

Рис. 15. Внешний вид лопаток компрессора ГТД (Сплав ВТ 6), отштампованных в условиях СПД

Таким образом данный технологический процесс, реализующий метод мультиосевой деформации и преимущества УМЗ структуры при СПД титановых сплавов, может рассматриваться как перспективный для промышленного внедрения.

Более сложные проблемы возникают при традиционной и сверхпластической деформациях современных жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС), что обусловлено их сложными химическим и фазовым составами, высокой температурой обработки, низкой пластичностью и высоким сопротивлением деформированию.

По этой причине процессы ковки и штамповки, например, дисков из ЖНС, до сих пор применяемые на некоторых отечественных предприятиях, отличаются чрезвычайной трудоемкостью и обеспечивают низкий (< 15 %) коэффициент использования металла. При этом из-за неравномерного распределения деформаций в дисках формируется неоднородная структура, вследствие которой конструкционная прочность деталей оказывается ниже потенциально возможной [21].

В отличие от российских предприятий, технологии изготовления дисков, применяемые за рубежом, основаны на использовании сверхпластической штамповки.

Так например, известен способ обработки ЖНС, названный «Гето- райзинг-процесс» (фирма Pratt and Wetney). Способ заключается в измельчении структуры путем предварительной деформации со степенью не менее 80% при температуре ниже температуры рекристаллизации, охлаждении до комнатной температуры и последующей деформации в условиях сверхпластичности при температурах 1050- 1150°С в изотермическом блоке со скоростями деформации 10'4 - 10'2 с'1. Для обеспечения режима гидродинамического режима трения с коэффициентом трения менее 0,05 используют стеклосмазки (рис.16).

Поковки турбинных дисков, полученных с помощью Геторайзинг- процесса

Рис. 16 . Поковки турбинных дисков, полученных с помощью Геторайзинг- процесса: а- из сплавов Astroloy (слева) и Waspaloy (справа); б- диск сложной формы из сплава IN-100

Эта технология позволила снизить расходы дорогостоящих ЖНС более чем в 2 раза, уменьшить затраты на обработку резанием и осуществлять штамповку поковок сложной формы за один ход пресса. Например, как указывают разработчики , при штамповке турбинного диска из сплава Astroloy способом «геторайзинг» масса исходной заготовки - 72,6кг, а масса диска после обработки резанием - 68кг. Ранее такие диски получали обычной штамповкой из заготовки массой 181кг. Как свидетельствуют расчеты, сверхпластическое деформирование является серьезной альтернативой при использовании обычных прессов усилием от 50МН. Выгоды от снижения усилия штамповки превосходят затраты на обогрев штампов и защитную атмосферу.

В качестве дальнейшего совершенствования этого способа, по мнению специалистов Института проблем сверхпластичности АН РФ (г. Уфа), для подготовки УМЗ структуры ЖНС перед СПД целесообразно распространить алгоритм всесторонней изотермической ковки, разработанной первоначально для СПД титановых сплавов, на никелевые сплавы: ЭП742, ЭП962, ЭП975, Waspaloy, Rene 88, Astroloy, Inconel 718, Inconel 718 Plus.

Альтернативной предложенной выше технологии штамповки дисков и других осесимметричных деталей ГТД из ЖНС на прессах является технология раскатки в условиях сверхпластичности [21].

По сути, технология раскатки дисков из жаропрочных никелевых сплавов является нанотехнологией. Сначала, на первом этапе, посредством деформационно-термической обработки в ЖНС изменяют состояние наноразмерных интерметаллидных частиц. Их укрупняют до размеров 300-1000 нм, меняют место их расположения от внутризеренного к межзе- ренному. При этом изменяют также тип межфазных границ, которые преобразуются от когерентных к некогерентным, так что углы разориентиров- ки между сходственными кристаллографическими осями и плоскостями фаз становятся большеугловыми.

Одновременно до размеров от одного до нескольких микрометров измельчают зерна матрицы, границы которых вследствие адсорбции решеточных дислокаций приобретают неравновесное состояние. В результате такого преобразования структуры ЖНС приобретают противоположные свойства - при температурах, близких к температуре эксплуатации, они теряют жаропрочность и приобретают сверхпластичность. Причиной такого кардинального изменения свойств является существенное увеличение расстояния между частицами у9- фазы и рост протяженности границ зерен и фаз, что облегчает как внутризеренную деформацию матрицы, так и скольжение по границам зерен и фаз. Благодаря такому преобразованию структуры ЖНС приобретают не только высокую пластичность, но и низкое напряжение течения, что важно для снижения нагрузки на инструмент и мощности деформирующего оборудования.

Вторым этапом осуществляют формообразование дисков методом раскатки в условиях сверхпластичности, а в завершение производят термообработку дисков с целью восстановления их высокой прочности и жаропрочности. Иными словами, зерна у- матрицы обратно укрупняют, частицы yf- фазы уменьшают до нанометрических размеров, а межфазные границы преобразуют в когерентные.

Таким образом, путем деформационно-термического воздействия достигается управление размерами и характером расположения нанораз- мерных элементов структуры ЖНС. Осуществляется переход от нанометрических размеров до микрометрических, от строго совпадающей направленности кристаллографических осей на межфазных у/у9- границах до большеугловых разориентировок и обратно. Благодаря этому сначала осуществляется переход от нетехнологичных жаропрочных свойств до технологичных сверхпластичных свойств, а затем в готовом изделии восстанавливаются свойства жаропрочности.

Существенным фактором при последующей термообработке детали, изготовленной в условиях СПД, является относительно равномерный рост зерен, обусловленный практическим отсутствием неравномерного деформационного наклепа и анизотропии структуры, что позволяет соответственно получать изделие с требуемой однородной крупнозернистой структурой и изотропными механическими свойствами.

Эффективным также оказалось использование методов СПД при пластической деформации заготовок из сложнолегированных, например, быстрорежущих инструментальных сталей [11]. Из анализа фотографий (рис.17) готовой фрезы, а также заготовок для нее, отштампованных в условиях сверхпластичности (при 800°С) и по традиционной технологии (в интервале температур 1200-1100°С) видно существенное различие в припусках на последующую обработку резанием полученных поковок. Штамповка в режиме сверхпластичности позволяет значительно приблизить конфигурацию заготовки к конфигурации готового инструмента. Обычная штамповка при высокой температуре позволяет изготовить лишь простейший по форме диск.

Готовая фреза из быстрорежущей стали (а) и заготовки после штамповки при обычных температурах- 1150°С (б) и в условиях сверхпластичности- 800°С (в) [11]

Рис. 17. Готовая фреза из быстрорежущей стали (а) и заготовки после штамповки при обычных температурах- 1150°С (б) и в условиях сверхпластичности- 800°С (в) [11]

Необходимо отметить еще одно важное преимущество СПД этих сталей, а именно - значительное снижение температуры нагрева заготовок перед деформацией (в данном случае с 1150- 12000С до 8000С). А поскольку не производится высокотемпературный нагрев, то снижаются ока-

линообразование и обезуглероживание, что также обусловливает воз-

50

можность штамповки с малыми припусками. Отсутствие наклепа деформируемого сплава при СПД исключает операцию последующего отжига поковок перед их обработкой резанием. И, наконец, при СПД сталей (для них характерна субкритическая сверхпластичность в состоянии пред- превращения - по О.А. Кайбышеву) не требуется предварительное измельчение зерен структуры сложной термической обработкой или пластической деформацией, и нет необходимости снижать скорость деформирования по сравнению с обычной.

На основе установленных закономерностей эффекта сверхпластичности и определения оптимальных режимов его проявления в быстрорежущих сталях типа Р6М5 в Тульском государственном университете (Бурцева О.И., Гвоздев А.Е.) разработана малопереходная ресурсосберегающая технология штамповки в условиях сверхпластичности и повышенной пластичности, которая включает следующие операции:

  • а) подготовка исходных заготовок для деформирования (сталь Р6М5 поставляется после отжига с НВ<255);
  • б) нанесение на заготовки защитно-смазочного покрытия из стеклографитовой смеси (80% кристаллического графита и 20% стекла №268 с размером частиц не более 100 мкм) и его сушку (температура 150...200 оС); нагрев заготовок до температуры сверхпластичности;
  • в) загрузку в изотермический штамп и деформирование на гидравлическом прессе с регулируемой скоростью движения инструмента;
  • г) снятие защитно-смазочного покрытия;
  • д) контроль размеров заготовки, доделочные операции.

В оптимальных условиях СПД образец для получения заготовок металлорежущего инструмента из стали Р6М5 должен деформироватся на гидропрессе в изотермическом блоке при температуре 820°С со скоростью деформации 0,003 с’1.

Для подготовки структуры к СПД деформирование целесообразно проводить в две стадии. Первая стадия проводится при 770°С со скоростью деформации 0,003 с"1, а вторая - при температуре 830°С с той же скоростью. Структура после первой стадии в стали Р6М5 получается полигони- зованной с более дисперсной по отношению к исходному состоянию карбидной фазой. Это позволяет на второй стадии деформирования реализовать в материале повышенные ресурсы деформационной способности (не достигаемые на первой) и получать заготовки без разрушения.

При осадке стали Р6М5 в условиях СПД сопротивление материала пластическому деформированию не возрастает, что проводит к снижению технологического усилия осадки примерно на 30% по сравнению с тем, которое реализуется при постоянной скорости деформирования. Численное моделирование процесса осадки образцов из стали Р6М5, выполненное с использованием метода конечных элементов, позволило установить закон нагружения, при котором поддерживается постоянная заданная скорость деформации в очаге пластической деформации и обеспечивается минимальное усилие процесса в течение всего периода деформирования.

При внедрении разработанной технологии коэффициент использования металла возрастает до 0,85, усилие деформирования снижается на 30 %, температура нагрева заготовок уменьшается на 25...30%, снижается окисление металла, повышается стойкость штамповой оснастки. Стойкость металлорежущего инструмента возрастает в 1,8...2,2 раза за счет измельчения зерна аустенита, повышения твердости и прочности стали на изгиб в 1,3...1,5 раза.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >