Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования .9
1.1 Требования к лопаткам ГТД, определяющие эксплуатационные характеристики. Существующие технологии получения лопаток ГТД из титановых сплавов .9
1.2 Основные направления повышения эксплуатационных характеристик лопаток ГТД из титановых сплавов .13
1.3 Формирование ультрамелкозернистой структуры в сплаве Ti-6Al-4V методами интенсивной пластической деформации .19
1.4 Анализ методов получения УМЗ – структуры по критериям технологичности 42
1.5 Постановка цели и задач исследования .46
Глава 2. Материалы и методы исследования .48
2.1 Химический состав и свойства титанового сплава ВТ6 48
2.2 Методы подготовки образцов 49
2.3 Макро- и микроисследование полуфабрикатов и деталей 49
2.4 Методы и оборудование для определения механических свойств в титановых сплавах .52
2.5 Методы и оборудование для формирования УМЗ-состояния в исследуемых заготовках 55
Глава 3. Исследование влияния физико-механических условий разрабатываемых процессов на формирование структуры и свойств в полуфабрикатах из титанового сплава ВТ6 для производства лопаток ГТД 60
3.1 Влияние и выбор температурных и деформационно-скоростных параметров на формирование УМЗ-структуры в сплаве ВТ6 .60
3.2 Исследование структуры и реологических свойств сплава ВТ6 при различных режимах деформации .72
3.3 Исследование сверхпластической деформации титанового сплава ВТ6. Определение рациональных температурных и скоростных условий деформации 79
Глава 4. Моделирование технологического процесса получения заготовок лопаток из сплава ВТ6 с регламентированной структурой и повышенными механическими свойствами 87
4.1 Моделирование основных процессов пооперационного формообразования заготовки лопатки с помощью методов математического моделирования .87
4.2 Оценка влияния операции выдавливания на структуру сплава ВТ6 98
4.3 Исследование выдавливания в процессе физического моделирования .100
4.4 Исследование влияния дополнительной термомеханической обработки на структуру и свойства УМЗ сплава ВТ6 .107
Глава 5. Разработка комбинированной технологии, промышленное освоение и оценка эффективности разработанного технологического процесса получения лопаток ГТД с регламентированной структурой и повышенным комплексом эксплуатационных свойств .112
5.1 Разработка и аттестация технологии подготовки регламентированной УМЗ структуры в заготовках из титановых сплавов .112
5.2 Разработка технологии изотермической штамповки лопаток из сплава ВТ6 при пониженных температурах 114
5.3 Обоснование экономической эффективности внедрения разработанной технологии при производстве лопаток газотурбинных двигателей 128 Основные выводы по работе 136 Список использованной литературы
- Основные направления повышения эксплуатационных характеристик лопаток ГТД из титановых сплавов
- Макро- и микроисследование полуфабрикатов и деталей
- Исследование структуры и реологических свойств сплава ВТ6 при различных режимах деформации
- Разработка технологии изотермической штамповки лопаток из сплава ВТ6 при пониженных температурах
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в России реализуется ряд правительственных программ по серийному производству перспективных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), конкурентоспособных как на внутреннем, так и на внешнем рынке.
Анализ эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей показал, что наиболее ответственными деталями современных ГТД являются лопатки. Во время работы авиационного двигателя эти детали подвергаются воздействию знакопеременных и центробежных нагрузок, дополнительных напряжений от высокочастотных вибраций при наличии коррозионной среды и повышенной температуры. Поэтому, при создании ГТД новых поколений для гражданской и военной техники, возникает необходимость обеспечения максимального резерва прочности каждой детали, с учетом условий эксплуатации и конструктивных особенностей.
Решением этой материаловедческой задачи может являться улучшение свойств металлических материалов путем формирования в них заданной структуры, позволяющей существенно повысить эксплуатационные свойства деталей, а также обеспечить технологичность и экономичность процессов их изготовления. Одним из перспективных путей решения данной задачи является применение материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, обладающих повышенными механическими свойствами.
Однако, промышленное освоение производства ответственных деталей с использованием таких материалов сдерживается тем, что получение УМЗ структур не может быть обеспечено в условиях известных деформационных схем, а требует развития новых технологий, направленных на решение задач структурообразования, определения рациональных режимов и, в конечном итоге, создания экономически целесообразной технологии получения изделий с однородной УМЗ-структурой и улучшенными эксплуатационными свойствами.
Таким образом, исследования, направленные на разработку серийных технологических процессов получения регламентированной структуры, обеспечивающей заданные прочностные и эксплуатационные свойства в конечном изделии, являются актуальными для современного авиационного двигателестроения.
Актуальность темы диссертации подтверждается также тем, что базовую часть составляют исследования, выполненные автором в рамках Государственного контракта № 13.G25.31.0019 по теме «Создание технологий и промышленного производства узлов и лопаток ГТД с облегченными высокопрочными конструкциями для авиационных двигателей новых поколений» в рамках реализации постановления Правительства РФ № 218 от 09.04.2010 г.
Цель работы: Установление закономерностей формирования регламентированной структуры для повышения прочностных свойств деталей из титанового сплава ВТ6 при производстве лопаток газотурбинных авиационных двигателей.
Задачи исследования, поставленные в работе:
1. Провести анализ деформационных методов формирования УМЗ структуры, выявить
влияние их режимов на структуру и прочностные свойства титанового сплава ВТ6;
2. Исследовать влияние УМЗ структуры сплава ВТ6 на его деформируемость при
пониженных температурах;
3. Установить и исследовать зависимость прочностных свойств деталей из титанового
сплава ВТ6 от параметров УМЗ структуры и температуры обработки;
-
Выявить и обосновать технологические режимы комбинированной технологии интенсивной пластической деформации (ИПД) получения заготовок из титанового сплава ВТ6 с УМЗ структурой для изготовления деталей, работающих в условиях циклических нагрузок;
-
Предложить и апробировать технические решения, обеспечивающие повышение прочностных характеристик рабочих лопаток ГТД.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Установлено, что ИПД в условиях всестороннего объёмного сжатия в закрытой
штамповой оснастке позволяет снизить температуру обработки титанового сплава ВТ6 до
600С, повысить однородность деформации, сохранить технологическую пластичность при
стабильности размеров заготовок, что приводит к формированию в сплаве однородной
глобулярной УМЗ структуры с размером -зерен 0,3-0,5 мкм. При этом, предпочтительной
является исходная пластинчатая или мартенситная структура, полученная ускоренным
охлаждением из -области;
2. Установлено, что формирование однородной глобулярной УМЗ структуры в
заготовках из титанового сплава ВТ6 повышает прочностные характеристики сплава в
среднем на 20% по сравнению с исходным состоянием и составляют: в=1340±40 МПа;
0,2=1200±30 МПа. При этом величина малоцикловой усталости составляет 760±20 МПа, что
в среднем на 20% превышает стандартные для этого сплава значения;
3. Показано, что остаточная технологическая пластичность в УМЗ сплаве ВТ6 после
ИПД достаточна для последующего пластического формообразования при температуре
650С вместо 800С и позволяет получить лопатки ГТД без разрушения с повышенными
прочностными характеристиками (в=1383±15 МПа; 0,2=1278±21 МПа), что в результате дает
снижение массы деталей не менее, чем на 7%.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
1. Определены режимы комбинированной обработки, включающей ИПД в закрытом
штампе и последующую штамповку деталей из титанового сплава ВТ-6, позволяющие
получать лопатки ГТД с УМЗ структурой и прочностными характеристиками,
превышающими характеристики лопаток из ВТ-6, полученных по традиционной технологии.
(Способ ИПД обработки титанового сплава ВТ6 защищен патентом RU №2486275);
2. На основе проведенных исследований обоснована возможность эффективного
формирования заданной структуры и свойств в полуфабрикатах и точных заготовках лопаток
ГТД посредством комбинированной обработки с применением метода ИПД при пониженных
температурах, что позволило снизить затраты на штамповую оснастку в среднем до 40 %;
3. Результаты анализа формирования заданной структуры разработанными методами
были использованы при выполнении совместного проекта ПАО «УМПО» (г. Уфа) и ФГБОУ
ВПО «УГАТУ» (г. Уфа) и освоены в условиях производства ПАО «УМПО».
Положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности влияния структурного состояния сплава ВТ6 на технологическую
пластичность при пониженных температурах деформирования;
2. Влияние технологических режимов деформационно-термической обработки с
применением методов ИПД и окончательного формообразования детали на формирование
заданной структуры материала;
3. Технические и технологические решения, обеспечивающие получение лопаток компрессора ГТД с УМЗ структурой по приемлемой для серийного производства себестоимости.
Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, подтверждается использованием современного аттестованного испытательного оборудования и специализированных стендов, стандартных методов контроля деформационных, температурных, скоростных параметров, структуры и свойств исследуемых материалов, положительными результатами использования предлагаемых режимов обработки в технологических процессах получения полуфабрикатов и изделий – лопаток ГТД.
Личный вклад автора состоит в постановке задач, организации исследований, автор лично участвовал в их проведении, осуществлял микроструктурные исследования, выполнял обработку и анализ полученных результатов. Принимал активное участие в подготовке и написании научных публикаций. Соавторы публикаций по теме диссертации принимали участие в подготовке объектов исследования и обсуждении полученных результатов.
Реализация результатов работы. Разработанная технология получения лопаток компрессора ГТД с повышенным комплексом эксплуатационных свойств при штамповке из полуфабрикатов титанового сплава ВТ6 с подготовленной ИПД структурой освоена на предприятии ПАО «УМПО». Методы эффективного формирования заданной структуры и свойств в полуфабрикатах и точных заготовках изделий также используются на этом предприятии. Результаты исследований используют в учебном процессе на кафедрах «Наноструктурные материалы», «Машиностроение» ФГБОУ ВО «УГАТУ» и «МТК» НЧИ КФУ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на VIII международнoй конференции «Высокие давления – 2004. Фундаментальные и прикладные аспекты» (г. Донецк, Украина, сентябрь, 2004 г.); на международной конференции «Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией, научная серия НАТО» (г. Донецк, Украина, сентябрь, 2004 г.); на VIII международной конференции ESAFORM (г. Клуж-Напока, Румыния, апрель, 2005 г.); на III международной конференции «Наноматериалы, полученные интенсивной пластической деформацией» (г. Фукуока, Япония, сентябрь, 2005 г.); на междунородной конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2005 г.); на IV международной конференции «Ультрамелкозернистые материалы» (г. Сан Антонио, США, март, 2006 г.); на открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» (Уфа, 2013 г.); на II международной научно-практической конференции «Модернизация экономики и управления» (Ставрополь, 2014 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 печатных работы, из них 7 статей в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ (1 журнал индексируемый Scopus), 9 тезисов докладов, 1 учебно-методическое пособие, получено 7 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, включающих 97 наименований. Диссертация изложена на 147 страницах, содержит 76 рисунков, 21 таблицу и 5 приложений.
Основные направления повышения эксплуатационных характеристик лопаток ГТД из титановых сплавов
Наиболее широко для формирования УМЗ и даже наноструктуры используются два метода: кручение под высоким давлением [27-29] и (РКУП) [24] (рисунок 1.4). Оба метода весьма эффективны для изготовления лабораторных образцов. РКУП могут быть получены значительно более массивные заготовки с УМЗ структурой (размер формирующегося зерна около 100 нм) (рисунок 1.4 б) [3]. Метод заключается в осуществлении деформации простым сдвигом путем продавливания заготовки через два канала, пересекающихся под углом. Важным преимуществом данного метода является сохранение первоначальной формы деформируемого образца, поэтому заготовка может быть подвергнута нескольким циклам прессования. Увеличением количества проходов достигаются требуемые степени деформации; преобразование структуры, как правило, заканчиваются к 8 - 10 проходу (истинные деформации более 5-6). В качестве недостатков данного способа следует отметить ограничения по размеру (отношение диаметра к длине заготовки должно быть в диапазоне 1:5 для обеспечения ее устойчивости при прессовании), а так же трудности реализации РКУ прессования для высокопрочных и малопластичных сплавов, преодолеть которые возможно деформацией при повышенных температурах. Однако последнее ведет к повышению требований к инструменту и, соответственно, удорожанию процесса. Тем не менее из сплава ВТ6 были изготовлены образцы диаметром 60 мм и длиной 300 мм с размером кристаллитов 500 нм
Существенными практическими преимуществами обладает метод всесторонней ковки («abc» деформации) [30], (рисунок 1.5 б). Всесторонняя ковка широко применяется в производстве полуфабрикатов из титановых сплавов [31]. Выгодность этого метода заключается в применении существующего прессового оборудования и несложной технологической оснастки. В работах [32, 33] приводятся результаты исследований формирования наноструктур в титане и его двухфазном сплаве ВТ6 в процессе “abc”-деформации, особенностей их строения и механических свойств, возможностей масштабирования такого процесса для получения УМЗ полуфабрикатов промышленного размера. Показано, что при температурах деформации ниже 400С (для ВТ1-0) и 650С (для ВТ6) может быть сформирована УМЗ структура с размером зерен менее 200 нм в первом материале и 400 нм во втором. По разработанному методу “abc”-деформации изготовлены массивные заготовки из титана ВТ1-0 (размером 120x100x40 мм) и сплава ВТ6 (диаметром 150 мм в и длиной 200 мм) с УМЗ структурой.
Однако, при использовании простых ковочных (плоских) бойков для реализации деформационной схемы возникает проблемы с повторяемостью результатов обработки. В связи с этим в серийных технологиях производства узлов и деталей ГТД метод не используется.
Необходимо отметить, что для измельчения микроструктуры двухфазных титановых сплавов применяются и другие методы [27, 30, 34, 36]. В работе [37] была использована гидроэкструзия (рисунок 1.6 а). в результате были получены прутки из титанового сплава ВТ6 длиной 300 мм и диаметром 10 мм с размером зерен 0,1 мкм. Между тем, применение гидроэкструзии требует использования больших обжатий при прессовании, поэтому данный метод является дорогостоящим и трудоемким. По-видимому, более эффективным, с точки зрения уменьшения степени деформации и снижения по этой причине усилий прессования, может быть метод сдвиг-прессование [38] (рисунок 1.6 б), заключающийся в прессовании заготовки через матрицу, которая дополнительно вращается относительно контейнера, создавая сдвиговую деформацию в заготовке. Однако, технически данный способ для прессования титановых сплавов сложен и пока реализован в лабораторных условиях. В последние годы для получения длинномерных прутков развивается так называемый конформ-процесс (рисунок 1.6 в) [36]. Его сущность заключается в предварительном наматывании подвергаемого деформации прутка на барабан, на следующей операции пруток сматывается и протаскивается через каналы устройства для РКУП. Очевидна возможность получения длинномерных прутков по диаметру близкому к проволоке, но очевидно также и то, что деформируемый материал должен быть пластичным, для того, чтобы легко наматываться на барабан.
Макро- и микроисследование полуфабрикатов и деталей
Отметим, однако, что в общем случае зависимость предела усталости от размера зерна не является универсальной. Так в работе [57] на технически чистых алюминии и меди данная зависимость не выявлена. Однако было показано, что в материалах, у которых тип решетки и структура облегчает множественное скольжение, нет зависимости сопротивления усталости от размера зерен, а в тех случаях, когда множественное скольжение затруднено, измельчение зерен приводит к росту предела выносливости. В соответствии с этим, как отмечается в [43], часто уменьшение размера зерна ведет к заметному повышению предела выносливости в многоцикловой области усталости, но оказывает слабое влияние в малоцикловой. Это, по-видимому, связано с тем, что в малоцикловой области, в отличие от многоцикловой, величина максимальных напряжений цикла близка или превышает предел текучести и, соответственно, “легкость” множественного скольжения дислокаций может быть структурно нечувствительна.
В работе [58] для определения предела усталости сплава Ti-6Al-4V в КЗ и УМЗ состояниях были выполнены усталостные испытания на изгиб с вращением с контролируемым напряжением на плоских образцах толщиной 2 мм. Испытания проводились при комнатной температуре на воздухе на базе 2 10-7 циклов с коэффициентом асимметрии цикла, равном нулю, что означает со средним растягивающим напряжением.
Проведенные исследования показали, что предел усталости УМЗ сплава на 20% выше предела усталости КЗ сплава. Авторы полагают, что связь между размером зерна и пределом усталости может быть описана с помощью уравнения, похожего на закон Холла-Петча, поэтому измельчение зерна приводит к повышению предела усталости. Показано, что энергия разрушения есть сумма энергий зарождения трещины и распространения трещины. Измельчение структуры обычно приводит к уменьшению энергии распространения трещины из-за образования более гладких траекторий трещин [59]. Соответственно, повышение усталостной прочности УМЗ материалов имеет место благодаря значительному повышению энергии зарождения трещины. Это означает, что повышение общей усталостной долговечности может также иметь отрицательный эффект в том смысле, что это может ухудшить сопротивление росту докритической трещины при усталостных испытаниях с постоянной амплитудой. Тем не менее, увеличение предела прочности и предела усталости сплава Ti-6Al-4V благодаря измельчению структуры значительно ниже, чем было описано ранее для чистых металлов [43,56] Этот феномен связан с более высокой исходной прочностью сплава по сравнению с прочностью чистого титана, благодаря закалке и упрочнению пластинами -фазы в -матрице. В сплаве Ti-6A1-4V эффект границ зерен и дислокационного упрочнения, полученный в результате всесторонней ковки, сильнее, чем эффект упрочнения тонкими (+)-пластинами, полученными в результате термической обработки. Однако разница между прочностью КЗ и УМЗ сплавов составляет 20-25%, в то время как предел прочности и предел усталости УМЗ чистого титана более чем в 2 раза выше предела прочности и предела усталости КЗ материала. Подобное обсуждение проводилось также в случае с УМЗ алюминиевыми сплавами, в результате чего установлено, что ИПД может быть более полезной для достижения уникальных комбинаций прочности и пластичности в не термообработанных сплавах [60]. Таким образом, авторами было показано, что измельчение структуры сплава Ti-6A1-4V приводит к повышению предела усталости при комнатной температуре на 20%.
Общая тенденция повышения предела выносливости с измельчением структуры позволяет предполагать более высокие значения CJR для материала с УМЗ структурой в многоцикловой области по сравнению с более крупнозернистым материалом. Наряду с этим, можно прогнозировать рост выносливости УМЗ материала, основываясь на существующих результатах по увеличению прочности [43,61] и изменению неупругих свойств с уменьшением размера зерен. В частности, в работе [62] показано, что для УМЗ материалов характерны более высокие значения внутреннего трения и параметра энергии Баушингера, что является свидетельством большего рассеяния энергии при циклическом нагружении и предпосылкой для роста их характеристик выносливости.
Исследование структуры и реологических свойств сплава ВТ6 при различных режимах деформации
Механическое поведение металлических материалов находится в тесной взаимосвязи с их структурным состоянием. Путем изменения последнего можно, в довольно широких пределах, управлять механическими свойствами материала. Размер зерен (или фазовых составляющих структуры) является достаточно легко изменяемым и в то же время эффективно действующим на механические свойства структурным параметром.
Наиболее разработанные на сегодняшний момент способы получения объемных полуфабрикатов с УМЗ структурой основаны на большой (интенсивной) деформации металлов по одному из предложенных методов [23,31,32]. Метод ВИД обеспечивает получение наиболее крупных заготовок (размер ограничивается лишь мощностью прессового оборудования) с однородной УМЗ структурой из двухфазных титановых сплавов [23]. Однако сам по себе процесс довольно трудоемкий, требующий обоснованного выбора таких параметров как температура деформации, исходная структура, минимально требуемое количество проходов и их последовательность. Он также требует разработки технических решений, позволяющих реализовать процесс формирования заданной структуры в материале в условиях серийного производства с учетом рациональной себестоимости и экологической чистоты [68].
Для определения влияния параметров структуры на механические свойства изучаемого сплава, и, как следствие, эксплуатационные характеристики исследуемых объектов - лопаток, проведены исследования влияния основных параметров деформационной обработки.
Одним из основных параметров влияющим на характер и интенсивность протекающих структурных изменений в сплаве ВТ6 является температура деформации. Она выбирается из следующих соображений: 1) с одной стороны, размер зерен D в металлах в ходе деформации обратно пропорционален напряжению течения а: а ос где величина N обычно находится в интервале 0,5ч-1, причем полагают, что при N«0,5 упрочнение вызвано формированием высокоугловых границ, а при N«1 - субграницами. Поскольку напряжение течения, в свою очередь, зависит от температуры деформации Т как [75]: а = к exp(Q/RT), где к - константа, Q - энергия активации, R - универсальная газовая постоянная, то очевидно, что уменьшение температуры должно приводить к уменьшению размера зерен. 2) с другой стороны, снижение температуры, и, как следствие, рост напряжения течения, затрудняет деформацию сплавов, что выражается в значительном износе или даже разрушении штампового инструмента, что является существенным фактором, если идет речь о серийном использовании методов измельчения структуры материала. Также, с понижением температуры падает технологическая пластичность металлов, особенно таких, как ВТ6, который относится к разряду труднодеформируемых. Выполненная оценка зависимости размера зерен от температуры деформации, показывает, что УМЗ структура с размером зерен менее 1 мкм в сплаве ВТ6 формируется при температурах деформации не выше 700С (рисунок 3.1, а). При этом напряжения течения в области размеров зерен около 0,5 мкм позволяют провести деформацию. Таким образом, очевидно, что температурный режим обработки сплава ВТ6 для получения УМЗ структуры является температура 550-600С, при этом размер зерен составляет 0,3-0,5 мкм при начальном напряжении течения 300 МПа. а б
Взаимосвязь температуры деформации, размера зерен и напряжения течения в сплаве ВТ6. а - температуры деформации - размер зерен; б – размер зерен - напряжение течения
Для получения заготовок с регламентированной структурой, были выполнены исследования по определению необходимой исходной структуры сплава ВТ6.
Использование мартенситной структуры, полученной закалкой в воду из -области, в качестве исходного состояния сплава ВТ6 показало очень хорошие результаты с точки зрения формирования однородной УМЗ микроструктуры в массивных заготовках посредством abc деформации [44]. Тем не менее, выполнение этого условия (подготовка исходной мартенситной структуры), во-первых, накладывает жесткие ограничения на размеры заготовок, в силу недостаточной прокаливаемости сплава [76], что, в свою очередь, приводит к ограничениям при разработке серийного технологического процесса, а во-вторых, требует введения дополнительной, довольно дорогостоящей операции в технологический процесс. Поэтому очевидна необходимость оценки влияния исходного состояния, как на саму возможность измельчения микроструктуры, так и на однородность структуры, формирующейся в сплаве в ходе теплой деформации.
Для проведения такого исследования образцы с исходной мартенситной, грубопластинчатой (после охлаждения из -области на воздухе) и глобулярно-пластинчатой (типичная структура горячекатаного прутка), поставляемого непосредственно в кузнечно-штамповые производства, микроструктурами были деформированы на 70% при 550С и скорости 10-3 с -1 для последующего изучения влияния объемной доли глобуляризованных зерен.
Структура сплава с исходной мартенситной структурой представлена на рисунке 3.2 а. Видно, что сплав имеет пластинчатую структуру, состоящую из крупных пластин толщиной около 0,3 мкм и длиной около 5мкм и более мелких, размером около 0,1х0,5мкм. В пределах исходного Р-зерна крупные пластины располагаются почти параллельно друг к другу, мелкие пластины занимают пространство между ними. В областях занятых мелкими пластинами плотность дислокаций заметно выше, чем в крупных пластинах.
Исходная грубопластинчатая структура состояла из пакетов пластин -фазы толщиной около 0,5мкм с тонкими (около 50нм) прослойками /?-фазы (рисунок 3.2 б). По границам исходных -зерен наблюдалось выделение -оторочки толщиной около 1,5 мкм.
Разработка технологии изотермической штамповки лопаток из сплава ВТ6 при пониженных температурах
Наряду с этим, были проведено моделирование технологического процесса изотермического выдавливания пера лопатки, так как данные метод будет более предпочтителен при получении заготовок лопаток для последующей приварки к диску методом ЛСТ.
Компьютерное моделирование использовали для анализа течения материала, определения необходимых усилий и накопленной деформации.
Моделирование проводилось по реологическим данным, полученным в изотермических условиях при температуре деформирования 650С. Свойства материала были заданы в виде табличной функции значений. Модель материала была принята идеально пластичной. Инструмент был задан жестким телом. Количество элементов в заготовке составляет 126608, что обеспечивало высокую точность расчетов. Скорость деформирования, по результатам пробного моделирования, подбирали таким образом, чтобы скорость деформации соответствовала условиям сверхпластичности и одновременно обеспечивала технологичность процесса. В результате опробована скорости деформирования 0,05 мм/с.
Были проанализированы четыре варианта изотермической штамповки (ИЗШ) методом выдавливания. Начальные условия были идентичными для всех вариантов. Как и в предыдущем случае, коэффициент трения составил 0,12, в предположении, что исходные заготовки перед штамповкой покрыты стеклосмазкой. В расчете использовался для оценки трения закон Зибеля. Результаты математического моделирования ИЗШ заготовки лопатки без назначенных припусков и скруглений (вариант №1) представлены на рисунке 4.4. На начальном этапе деформирования (рисунок 4.4 а) происходит заполнение и оформление замковой части лопатки.
В угловых зонах интенсивность накопленной деформации повышена, что говорит о зонах затрудненной деформации в этих участках. В целом формирование замковой части лопатки проходит без явных признаков возможного разрушения, что определено схемой сжимающих напряжений, характерных для процесса выдавливания. Схема напряженного состояния была определена по результатам исследований компонент напряжений в различных участках замка. Усилия при этом небольшие, составляют порядка 5 тонн, как представлено на рисунке 4.4.
После окончания формообразования замковой части происходит выдавливание пера лопатки (рисунок 4.4, б). Процесс выдавливания происходит с ростом усилий, и на конечной стадии выдавливания составляет порядка 13 тонн. Для этой зоны характерно повышение величины накопленной деформации порядка е 4. При этом на спинке пера деформация достигает значений около е 6, что связано с повышенными значениями сил контактного трения в очке матрицы. В целом формообразование протекает с полным соответствием формы инструмента. Значения усилий деформирования возможно занижены тем, что реологические свойства материала были получены при одноосном растяжении и не учитывают компоненты гидростатического сжатия, возникающей в процессе выдавливания.
В варианте изотермического выдавливания лопатки с припусками под механическую обработку были назначены припуски 1 мм на сторону по всем поверхностям поковки и введены радиусы скругления на гранях поковки равные 2 мм (вариант№2).
Эффективные деформации в заготовке при выдавливании лопатки с равномерным припуском и скруглениями острых кромок: а – начальная стадия выдавливания пера лопатки; б – окончание оформления пера лопатки. Процессы, выявленные в первом варианте изотермического выдавливания, присутствуют и в данном варианте: первоначально происходит формообразование замковой части с последующим формирование пера лопатки. Данный вариант деформирования характерен незначительным ростом усилий деформирования и уменьшением величины накопленной интенсивности деформаций в пере лопатки, что вероятно связано с более благоприятной кинематикой течения металла, являющейся следствием введения скруглений на гранях поковки. Незначительны рост усилий может быть связан с увеличением объема исходной заготовки.
Моделирование изотермического выдавливания лопатки с припусками в виде штамповочных уклонов (вариант№3) показал следующее. В этом варианте на боковой поверхности замковой части с целью создания благоприятных условий течения металла в контейнере штампа и исключения застойных зон при деформировании характерных для выдавливания были предусмотрены штамповочные уклоны.
Эффективные деформации в заготовке при выдавливании лопатки с уклонами на боковой поверхности замковой части: а – начальная стадия выдавливания пера лопатки; б – окончание оформления пера лопатки Как следует из представленных рисунков, степень накопленной деформации уменьшается в замковой части лопатки. При этом характер формообразования в пере лопатки не изменяется: в спинке лопатки наблюдается увеличение величины накопленной деформации по сравнению с корытом пера. Усилие формообразования практически не отличается от усилий, полученных при моделировании варианта 2 в пределах погрешности моделирования. С введением уклонов на боковой части замка лопатки благоприятно сказывается на формообразование замка лопатки и не оказывает заметного влияния на выдавливание пера лопатки.
Изотермическое выдавливание лопатки без припуска в верхней части (вариант №4) отличается от варианта №2 отсутствием припуска на сторону для отростка в основании замковой части лопатки. В данном случае целью моделирования было оценить характер заполнения штампа при обратном выдавливании и возможности образования при выдавливании пресс-утяжины, связанной с более сильным перепадом площадей сечения замка и отростка, который формируется при обратном выдавливании. Результаты моделирования приведены на рисунке 4.7.
В этом случае процесс деформирования характеризуется резким ростом усилия деформирования до 40 тонн, что однозначно связано с изменением геометрии поковки. При этом заметного влияния изменения отношения поперечного сечения на формообразование пера и замка лопатки не замечено. Можно отметить увеличение степени деформации на спинке лопатки по сравнению с вариантом 2 до 5 единиц истинной деформации на спинке пера лопатки, что связано с процессами трения в очке матрицы.