Современное состояние и перспективы промышленного применения интенсивной пластической деформации и других видов обработки для изготовления объемных металлических полуфабрикатов с ультрамелкозернистой и наноструктурами
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Петров Анатолий Павлович
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 11
Дополнительно
Уровень образования:
Аспирантура
Артикул: 613472.01.99
Тематика:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 7 РАЗДЕЛ 1. ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ДАВЛЕНИЕМ УДК 669.017:621.73 DOI 10.12737/8139 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ДРУГИХ ВИДОВ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУФАБРИКАТОВ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ И НАНОСТРУКТУРАМИ Петров Анатолий Павлович профессор, д.т.н. ФГБОУ ВПО "МАТИ – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского" 121552, г. Москва, Оршанская ул., д.3, тел. (499) 141-94-53. e-mail: petrovap@mati.ru В статье рассматриваются характеристики ультрамелкозернистых и нано кристаллических металлических материалов, оцениваются их уникальные свойства, сложность изготовления. Особое внимание уделено методам получения НК материа лов конструкционного назначения и перспективам промышленного внедрения. Проблемой прочности и пластичности, исследованиями уникальных свойств металлических материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) и нано кристаллической (НК) структурами в последние годы успешно занимают ся многие отечественные и зарубежные научные коллективы с финансиро ванием их работ как по государственным так и по международным про граммам. Получают поддержку как фундаментальные, так и прикладные исследования, направленные на разработку инновационных технологий для конкретных изделий и полуфабрикатов. Причем, все больше внимания уделяется развитию так называемых "эволюционных" нанотехнологий, це лью которых является оптимизация параметров существующих технологи
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 8 ческих процессов, оборудования и оснастки для достижения у получаемых изделий особых свойств и поверхностных эффектов, проявляющихся на микро - и наноуровнях. Между макроуровнем материала, описываемым континуальными теориями сплошной среды, и атомным уровнем, подчиняющимся законам квантовой механики, находится промежуточный наноструктурный уровень данного материала. Нанотехнологии призваны реализовывать различные методы (физические, химические и др.) перевода вещества в нанокристал лическое состояние, что и приводит к качественному изменению его свойств. Значительный интерес к объемным УМЗ и НК материалам обуслов лен тем, что конструкционные и функциональные свойства этих материа лов существенно улучшаются по сравнению со свойствами их крупнозер нистых аналогов. Это обусловлено наличием в УМЗ и НК структурах ча стиц (кластеров), тонких слоев, зерен и фаз, у которых характерный размер не превышает 500 нм – для УМЗ структур и 100 нм- для НК структур . Принципиально важным для НК структур является также наличие высоко угловой разориентировки границ зерен. При таких размерах и параметрах структурных элементов в 3…5 раз повышается прочность чистых металлов и до 1,5 раз- прочность современных многофазных сплавов при сохране нии в допустимых пределах пластичности и трещиностойкости. На 20…30 % повышается усталостная прочность, в несколько раз возрастает стой кость к износу и эрозии [1-5]. Согласно геометрической классификации Р.Зигеля [5] (рис.1) можно выделить нанодисперсные (атомные кластеры и наночастицы), многослой ные наноматериалы, наноструктурные покрытия и объемные нанострук турные материалы. С точки зрения получения наноструктурных материа лов конструкционного назначения наибольший интерес представляют материалы групп 1-3.
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 9 Рис.1. Классификация наноматериалов по Р.Зигелю: 0 – атомные кла стеры и наночастицы; 1 – многослойные материалы; 2 - наноструктур ные покрытия; 3 - объемные наноструктурные материалы. НК материалы, относящиеся к группе 1, могут быть получены [5] методами физического (PVD) и химического (CVD) осаждения из газовой фазы, электроосаждения, многократной прокатки и др. Так например, твердость и предел прочности многослойного НК материала толщиной 50 мкм, состоящего из слоев молибдена и вольфрама толщиной 4 нм, полу ченного методом CVD, в 15 раз превышают аналогичные характеристики сплава соответствующего состава. Для получения наноструктурных покрытий (группа 2) также исполь зуют разные методы физического и электрохимического воздействия на поверхность металла: плазменное нанесение покрытий, физическое и хи мическое осаждения из газовой фазы, магнетронное напыление, микроду говое оксидирование и др. Большой научно-практический интерес представляют результаты ра боты по реализации нового подхода к проблеме повышения конструкци онной прочности - не за счет получения НК структуры во всем объеме де
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 10 тали, а только в ее поверхностном слое, выполняемые в Харьковском национальном автомобильно-дорожном университете [7]. Показано, что наиболее эффективным методом наноструктурирования поверхности стальных (18ХГТ, 40ХФА и др.) заготовок является ионно-плазменная об работка, которая не только модифицирует свойства поверхностного слоя, но и существенно увеличивает прочность всего изделия (объемную проч ность): временное сопротивление повышается на 24%, предел текучести на – на 42%. При этом относительное удлинение остается на том же уровне, а относительное сужение даже имеет тенденцию к росту ( на 3-4%). Это яв ление объяснено залечиванием мелких имеющиеся и вновь образующихся при деформации поверхностных дефектов аналогично эффекту акад. А.Ф. Иоффе при растяжении образцов из каменной соли в воде, особым поведе нием наноструктурных слоев при последующей деформации, реализацией механизмов недислокационной пластичности. Наиболее перспективны для изготовления деталей конструкционного назначения УМЗ и НК материалы, относящиеся к группе 3. Для получения объемных нанокристаллических материалов наибольшее распространение получили компактирование нанопорошков (метод порошковой металлур гии) и интенсивная пластическая деформация (ИПД). Методы и технологические процессы порошковой металлургии по лучения объемных наноматериалов, их возможности и перспективы прак тического использования в различных отраслях подробно изложены в мо нографии [5]. Несмотря на безусловные достижения, промышленная реа лизация этих процессов сдерживается качеством получаемых полуфабри катов, обусловленном сохранением остаточной пористости, загрязнением нанопорошков при их получении и компактировании, большой трудоемко стью практического использования [1,4,8]. Все это послужило основанием для поиска альтернативных способов получения объемных материалов с наноразмерной микроструктурой.
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 11 Для решения указанной проблемы Р.З.Валиевым с сотрудниками [1,4] было предложено использование методов обработки, названной ими интенсивной пластической деформацией (ИПД). Задачей методов ИПД яв ляются формирование наноструктур в объемных металлических образцах и заготовках путем измельчения их микроструктуры до наноразмеров. Методы ИПД заключаются в деформировании заготовок с большими сдвиговыми степенями деформации в холодном состоянии или при отно сительно низких температурах нагрева Т < (0,3 … 0,4) Тпл и высоком дав лении, что позволяет получать объемные беспористые металлические наноматериалы с однородной по всему объему заготовки наноструктурой с большеугловыми границами зерен. К числу наиболее исследованных и перспективных для промышлен ного применения методов ИПД относятся: • кручение под высоким давлением; • равноканальное угловое прессование; • мультиосевая деформация; • аккумулируемая прокатка. Кручение под высоким давлением обычно производят на установках (рис.2, а), являющихся модификациями известной наковальни Бриджме на [1, 3-6]. Заготовка укладывается в углубление вращающегося нижнего бойка, что предотвращает вытекание металла на плоскость разъема бойков и обеспечивает в пластической зоне высокое квазигидростатическое дав ление (до 10 ГПа), позволяющее деформировать заготовку простым сдви гом с высокой степенью деформации (истинная логарифмическая дефор мация до 10) без разрушения. Именно этот метод впервые эксперимен тально показал реальную возможность получения сплошных металличе ских заготовок (дисков) с НК структурой интенсивной пластической де формацией [1]. И сейчас метод успешно используется для моделирования предельного измельчения структуры материала [6] и как один из эффек
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов"
12
тивных способов получения практически беспористых заготовок из по
рошков [1].
Равноканальное угловое (РКУ) прессование (рис. 2,б) было разрабо
тано проф. В.М.Сегалом для деформации заготовок простым сдвигом без
изменения формы и размеров их поперечного сечения. Метод получил раз
витие в работах Р.З. Валиева с сотрудниками [1,4] как перспективный для
промышленного применения для получения НК материалов различного
конструкционного назначения.
Рис.2. Принципы методов интенсивной пластической деформации [1]:
а - кручение под высоким давлением;
б - равноканальное угловое прессование.
При РКУ прессовании заготовка многократно продавливается через
два канала равного поперечного сечения, пересекающихся обычно под уг
лом 90°, что позволяет достигать высоких степеней деформации простым
сдвигом. В случае обработки труднодеформируемых материалов деформа
ция осуществляется при повышенных температурах, но не выше (0,3…0,4)
Tпл..
В процессе РКУ прессования для структурообразования весьма важ
ным является направление и число проходов заготовки через каналы[1]. С
целью интенсификации сдвиговых деформаций и, соответственно, прора
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением
13
ботки структуры металла используют 3 основных варианта (маршрута)
(рис.3).
Применение этих маршрутов и их разновидностей приводит к
упрочнению деформируемого металла и существенному росту усилия на
первых 3-5 проходах, На последующих проходах наступает установившая
ся стадия и усилие практически не меняется [1].
В монографиях [1,4] приведена обширная информация о результатах
металлографических исследований структуры заготовок и параметрах тех
нологии РКУ прессования Al, Fe, Ni, Ti, W и их сплавов.
Рис.3. Варианты РКУ - прессования [4]:
а – маршрут А; б – маршрут В; в – маршрут С.
Показано, что характер формирующейся УМЗ и НК структуры,
удлинение зерен, доля большеугловых границ зерен определяются не
только степенью деформации, но и геометрией оснастки и режимами прес
сования. Необходимо также учитывать влияние на конечную структуру
деформационного разогрева металла при РКУ прессовании, исходной
структуры заготовок и фазовый состав сплава. Следует отметить, что, судя
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов"
14
по опубликованным данным, все исследования РКУ прессования пока про
водятся в лабораторных условиях и не вышли на уровень промышленного
опробования и внедрения. Это обусловлено незавершенностью исследова
ний уровня и стабильности свойств и структуры получаемых полуфабри
катов конструкционного назначения, а также несовершенством технологи
ческой оснастки и отсутствием оптимизации параметров самого процесса
РКУ прессования. Для внедрения этого перспективного процесса в произ
водство требуется разработка конкретных технологических рекомендаций
по основным группам сплавов.
Г.А.Салищев с соавторами [9] для получения УМЗ структуры в заго
товках из труднодеформируемых сплавов предложили использовать так
называемую мультиосевую деформацию всесторонней ковкой при темпе
ратурах T< Tрекр. (рис.4).
Рис.4. Технологическая схема интенсивной пластической деформации
ковкой [9].
Дальнейшее развитие этот метод получил при проведении всесто
ронней ковки в изотермических условиях в специальном блоке [2]. Сооб
Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 15 щается, что деформация в таких условиях заготовок из титанового (α+β)- сплава ВТ6 с исходным размером β-зерен 230 мкм проводилась при темпе ратуре 650 °С и скорости деформации ~10-3с-1. В результате в заготовке сформировалась равномерная УМЗ структура со средним размером зерен 0,6 мкм. УМЗ структура позволила при последующей изотермической дефор мации поковок лопаток ГТД снизить температуру штамповки от 920 °С (серийная технология) до 700 °С, т.е. более, чем на 200 °С., что существен но улучшило работоспособность, экономичность и условия эксплуатации изотермических блоков. Штамповку осуществляли на серийном гидравли ческом прессе усилием 16 МН со степенью деформации 88% при средней скорости деформации ~ 10-3с-1. При этом полученные поковки лопаток обеспечили улучшение прочностных и усталостных характеристик конеч ного изделия и сохранение в допустимых пределах пластичности и трещи ностойкости. Таким образом, данный технологический процесс, реализу ющий метод мультиосевой деформации и преимущества УМЗ структуры обрабатываемого металла, может рассматриваться как перспективный для промышленного внедрения. Для получения плоских полуфабрикатов с УМЗ и НК структурами методом ИПД на серийном листопрокатном оборудовании предложено ис пользовать аккумулируемую прокатку с соединением (АПС) [6]. Сущность АПС состоит в последовательной прокатке, резке прока танной заготовки, сборке разрезанных заготовок в пакет исходной толщи ны, следующей прокатке пакета и т.д. до исчерпания ресурса пластичности прокатываемого металла. В процессе прокатки происходит не только де формация, но и соединение контактирующих слоев для получения в ко нечном итоге единого твердого тела. Для лучшего соединения слоев и уменьшения усилия прокатки возможен нагрев заготовок до температур T< Tрекр..
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 16 И хотя в процессе АПС не соблюдается одно из основных условий ИПД (наличие в зоне деформации высокого квазигидростатического дав ления), он успешно опробован на алюминиевых сплавах и низкоуглероди стых сталях, в которых был получен средний размер зерна 80…300 нм [6]. Это дает возможность, во-первых, использовать полученные плоские по луфабрикаты непосредственно для обшивки корпусов изделий, реализуя их повышенные прочностные свойства. А, во-вторых, осуществлять после дующие операции листовой штамповки (формовка, вытяжка и др.) в усло виях сверхпластичности при существенно меньших температурах и более высоких скоростях деформации. Метод АПС также применим для получе нии композитов с субмикро- и наноразмерной толщиной слоя [10]. Опубликованные работы отечественных и зарубежных исследовате лей [1-10] свидетельствуют о реальной возможности изготовления в про изводственных условиях на существующем серийном технологическом оборудовании металлических полуфабрикатов и изделий конструкционно го назначения с УМЗ и НК структурами. Для этой цели разрабатываются специальные методы обработки, виды оснастки и приспособлений, иссле дуются и оптимизируются технологические режимы и переходы, позволя ющие воздействовать на обрабатываемые материалы таким образом, чтобы в них сформировалась структура с требуемыми параметрами по величине зерна, углами границ зерен, видам и морфологии дислокаций и др. Успехи в исследованиях физической природы и реологии методов интенсивной пластической деформации, других методов высокоэнергети ческого воздействия на металл, положительные результаты промышлен ного опробования разработанных технологий определяют прогресс в ме таллообработке и создают предпосылки в области практического исполь зования в изделиях современного машиностроения объемных конструкци онных материалов с УМЗ и НК структурами, обладающих уникальными свойствами.