Способ изготовления осесимметричных деталей

Способ изготовления осесимметричных деталей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области обработки металлов и сплавов давлением, в частности к способам изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения, например дисков для газотурбинных двигателей из многофазных жаропрочных сплавов, в том числе на основе никеля и титана.

При изготовлении деталей ответственного назначения важнейшей является задача повышения качества, которое обеспечивается формируемой в них при деформации и наследуемой после термообработки однородной микроструктурой, придающей деталям высокие эксплутационные свойства. Кроме того, в процессе изготовления при ультразвуковом контроле (УЗК) деталей с такой структурой легче выявить различные дефекты.

Изготовить детали типа дисков без использования дорогостоящих штампов и мощных прессов можно, используя приемы, описанные в известном способе [1] получения осесимметричных деталей железнодорожных колес. В нем заготовка после ряда объемных деформаций подвергается локальной деформации прокаткой посредством валков или роликов. Однако режимы деформации в колесопрокатных станах не позволяют прокатывать осесимметричные детали из труднодеформируемых и малопластичных материалов, таких как жаропрочные сплавы.

Возможность изготовления деталей со сложной формой из жаропрочных сплавов обеспечивается деформацией в условиях сверхпластичности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ изготовления осесимметричных деталей из многофазных сплавов [2]. Известный способ включает локальное формообразование прокаткой заготовки, имеющей центральную и периферийные части, при этом используют заготовку из многофазного сплава с подготовленной для сверхпластической деформации (СПД) структурой, локальное формообразование заготовки осуществляют в регулируемых термомеханических условиях при температурах, лежащих в интервале выше 0;4 Т_пл, где Т_пл - температура плавления, но ниже температуры собирательной рекристаллизации, и скоростях деформации от 10² до 10^-3 с^-1, при этом центральную часть заготовки деформируют сжатием или сжатием с кручением инструментом в виде пинолей, а периферийные части - прокаткой инструментом в виде роликов, имеющих по меньшей степени три независимые степени свободы с удельным усилием q, удовлетворяющим условию

,

где σ_sн - сопротивление деформации материала заготовки в продеформированных, центральной перед прокаткой, и уже прокатанных периферийных частях; σ_sd - напряжение течения материала в деформируемых центральной до начала прокатки и прокатываемых периферийных частях.

Способ включает термообработку, режимы которой зависят от сформированной в результате прокатки микроструктуры.

В прототипе также приводятся способы изготовления заготовок с подготовленной к сверхпластической деформации мелкозернистой структурой. Эти способы представляют собой трудоемкие многоэтапные процессы дробной деформации. Однако они не обеспечивают получения однородной структуры в массивных заготовках для дисков. Необходимо отметить, что максимально возможная однородность характеризуется не только небольшими отклонениями размеров зерен, но и выровненным фазовым и химическим составами, а также бестекстурным состоянием материала.

Формообразование детали согласно способу-прототипу осуществляется роликами, вращающимися вокруг наклонных к плоскости прокатки собственных осей и регламентировано перемещающихся вдоль и поперек радиуса заготовки (имеется в виду не произвольное перемещение поперек радиуса, а параллельное оси симметрии заготовки). В практике эти движения обычно называют, соответственно, радиальной и осевой подачами. Комбинируя радиальную и осевую подачи, ролики перемещают по траектории, соответствующей контуру детали. Кроме того, для формообразования важна окружная подача. Она возникает в результате вращения заготовки вокруг собственной оси и, следовательно, относительно роликов. Во вращение заготовку приводят либо роликами, либо пинолями, либо теми и другими совместно. Подачи, измеряемые в мм/мин или мм/об, являются основными механическими параметрами прокатки, характеризующими не только скорость и степень, но и усилие деформации. Все указанные величины чувствительны к изменениям подач и возрастают или уменьшаются с их увеличением или уменьшением.

При осуществлении прокатки в условиях сверхпластичности в уже прокатанной до необходимых размеров части заготовки наблюдается внеконтактная с роликом деформация. Здесь и далее под внеконтактной деформацией понимается деформация уже прокатанных и сформированных частей заготовки, поверхности которых не контактируют с роликами до конца прокатки. Такая деформация имеет место из-за того, что утонившаяся в результате обжатия роликами прокатанная часть испытывает силовое воздействие со стороны соседних частей, нагруженных усилиями прокатки, реактивными и инерциальными силами и моментами сил, и к тому же материал в прокатанной части вследствие повышения однородности структуры приобретает более низкое напряжение течения. Для предотвращения внеконтактной деформации прокатанной части в прототипе регулируют термомеханические условия так, чтобы соблюдалось неравенство (1).

Однако, регулируя механические условия, а точнее механические параметры, прокатки посредством указанных выше подач, невозможно выполнить неравенство (1). Например, к наиболее характерному виду внеконтактной деформации прокатанной части - закручиванию - приводят касательные напряжения, значения которых, как известно, меньше, чем растягивающие нормальные напряжения. Если снизить удельное усилие воздействия роликов на периферийную часть до уровня меньшего, чем касательные напряжения, то перестанет выполняться вторая часть неравенства, согласно которому удельное усилие должно быть достаточным для прокатки.

В качестве наиболее эффективного приема, обеспечивающего выполнение неравенства (1), в прототипе используют снижение температуры прокатанной части посредством ее охлаждения, т.е. регулируют температуру прокатанной части. Здесь необходимо отметить, что регулирование температуры деформации при прокатке (для краткости в дальнейшем в описании употребляется термин «температура прокатки»), т.е. в периферийной прокатываемой части, и регулирование температуры в уже прокатанной части являются различными процессами, что обусловлено значительными размерами прокатываемых дисков и низкой теплопроводностью жаропрочных сплавов. Охлаждение приводит к возникновению в сформированной части детали градиентного и нестационарного полей температур. Температура в ней меняется от значений, при которых деформация не происходит, до температур, соответствующих СПД с переходом через области с так называемой эквикогезивной температурой, при которой граница и тело зерен имеют равную прочность. Там, где разделяются пластическая и жесткая зоны, имеет место разрыв скоростей сдвиговой деформации. При резкой локализации границы указанных зон, скорость и степень деформации в них интенсивно увеличиваются [3], приводя в лучшем случае к разрушению материала, а в худшем - к накоплению опасных при эксплуатации изделия дефектов. В области, нагретой ниже эквикогезивной температуры, материал подвергается малым критическим деформациям, которые, как известно, приводят к возникновению неравновесных границ, создающих напряжения в материале. При последующей термообработке такие границы становятся причиной недопустимого для деталей ответственного назначения огрубления структуры. В области с температурой, соответствующей СПД, до которых фронт охлаждения не дошел, по-прежнему имеет место локализованная деформация прокатанной части, приводящая к неоднородности структуры.

Таким образом, способ-прототип предусматривает сложные приемы, связанные с регулированием температур и удельных усилий, которые направлены на предотвращение внеконтактной с роликом деформации прокатанной части, но в действительности лишь придающие ей нерегламентированный и локализованный характер, не приводящий к повышению качества деталей.

Возможности способа также ограничены использованием заготовок, в которых структура подготавливается, как отмечено выше, трудоемким путем [2].

Задачей данного изобретения является повышение однородности структуры материала детали при ее изготовлении за счет полезного использования внеконтактной деформации.

Другой задачей изобретения является расширение технологических возможностей способа за счет использования исходных заготовок со структурой, способной к сверхпластической деформации, которую обеспечивают традиционные промышленные методы изготовления заготовок. При использовании таких заготовок решается также задача повышения экономичности способа.

Изобретение решает ряд дополнительных задач, связанных с созданием приемов, позволяющих с наибольшей эффективностью решить основные задачи.

Поставленная задача решается способом изготовления осесимметричных деталей из заготовок, выполненных из многофазных сплавов, способных к сверхпластической деформации, включающим прокатку с регулированием температуры и скорости деформации при прокатке в температурно-скоростном интервале сверхпластичности, регулирование температуры в прокатанной части заготовки, а также термообработку, в котором, в отличие от известного, прокатку совмещают с внеконтактной сверхпластической деформацией прокатанной части заготовки, которую обеспечивают выбором значений скорости деформации при прокатке и температуры прокатанной части заготовки.

Поставленные задачи решаются также в том случае, если:

- прокатку заготовок с исходной структурой, средний размер зерен в которой равен или превышает 20 мкм, осуществляют, поддерживая скорость деформации при прокатке в интервале (10^-3-10^-1) с^-1 и температуру в прокатанной части не ниже температуры деформации при прокатке;

- при изготовлении дисков из двухфазных титановых сплавов используют фигурную осесимметричную заготовку, имеющую центральную и периферийную части, разделенные поднутрениями, для ввода роликов перед периферийной частью, причем наружный D_н и внутренний D_в диаметры периферийной части выбирают из соотношения 1,4≤d_н/D_в≤1,8, а толщину Н_о - из соотношения 0,4≤ε_o=(Н_о-h_п)/H_o≤0,7, где ε_o - относительное обжатие периферийной части роликами по толщине, а h_п - толщина прокатанной части;

- при изготовлении дисков из двухфазных титановых сплавов используют плоскую осесимметричную заготовку - шайбу, толщину Н_о которой выбирают из соотношения 0,4≤ε_о=(Н_о-h_п)/H_o≤0,7, где ε_o - относительное обжатие заготовки роликами по толщине, h_п - толщина прокатанной части, при этом внутренний диаметр периферийной части D_в определяют с учетом соотношения 1,4≤D_н/D_в≤1,8, где D_н - наружный диаметр периферийной части, и формируют перед его прокаткой внедрением в заготовку роликов;

- при изготовлении дисков из жаропрочных никелевых сплавов используют фигурную осесимметричную заготовку, имеющую центральную и периферийную части, разделенные поднутрениями для ввода роликов перед периферийной частью, причем наружный D_н и внутренний D_в диаметры периферийной части выбирают из условия 1,3≤D_н/D_в≤1,7, а толщину - из условия 0,5≤ε_o=(Н_о-h_п)/H_o≤0,7, где ε_о - относительное обжатие периферийной части роликами по толщине, Н_о и h_п - соответственно толщина периферийной части и прокатанной части;

- прокатку выполняют охлаждаемыми роликами;

- прокатку заготовок с исходной структурой, средний размер зерен в которой ограничен интервалом 1-20 мкм, осуществляют, поддерживая скорость деформации при прокатке в интервале (10^-1-100) с^-1 и температуру в прокатанной части не выше температуры деформации при прокатке;

- прокатку заготовок с исходной структурой, средний размер зерен в которой менее 1 мкм, осуществляют, поддерживая скорость деформации при прокатке в интервале (10⁰-10²) с^-1 и температуру в прокатанной части не выше температуры деформации при прокатке;

- фиксацию заготовки выполняют охлаждаемыми пинолями;

- прокатанную часть охлаждают посредством воздуха, подаваемого на ее поверхность из выходных отверстий каналов, выполненных в роликах.

Сущность изобретения заключается в полезном использовании внеконтактной с роликом деформации прокатанной части в температурно-скоростных условиях сверхпластичности как особого вида релаксации напряжений (использования энергии деформации), приводящего к повышению однородности структуры.

Выше отмечалось, если материал заготовки имеет относительно однородную исходную структуру, то после СПД структура заготовки становится более однородной за счет выравнивания ее химического, фазового составов и приобретения бестекстурного состояния. В заготовках с неоднородной исходной структурой, например, состоящей из смеси крупных и мелких зерен, кроме указанных процессов при СПД происходит выравнивание структуры в результате измельчения крупных зерен.

Для осуществления СПД, кроме небольших усилий, необходимы три условия: наличие структуры, способной к СПД, соответствующих температуры и скорости деформации. Такие условия при внеконтактной деформации прокатанной части соблюдаются:

- исходная заготовка имеет структуру, способную к СПД (более того, в результате локальной формообразующей деформации структура в прокатанной части становится более мелкозернистой и/или однородной и это повышает ее способность к СПД);

- температурные условия обеспечивают регулированием (поддержанием) в прокатанной части температуры в пределах температурного интервала сверхпластичности сплава (конкретный интервал сверхпластичности зависит от сплава и его структуры; в общем случае он ограничен гомологическими температурами (0,4-0,85)Т_пл, где Т_пл - температура плавления);

- скоростные условия деформации прокатанной части, при поддержании в ней температуры в указанном интервале, обеспечивают регулированием скорости деформации при прокатке. Хотя скорость внеконтактной деформации прокатанной части и отличается от скорости деформации при прокатке периферийной части вследствие внутреннего трения, но в то же время, вследствие действия закона сохранения количества движения, она соответствуют широкому скоростному интервалу СПД.

Ранее отмечалось, что регулирование скорости деформации при прокатке, ее увеличение или уменьшение осуществляют соответствующими изменениями значений подач роликов и заготовки. Рамки варьирования значениями подач определяют расчетным путем или по экспериментальным данным. В частности, ниже показано, что определенный выбор исходных размеров периферийной части обеспечивает в заготовках с заданной исходной структурой внеконтактную деформацию прокатанной части со скоростью, соответствующей условиям сверхпластичности, если прокатка заготовки ведется с характерными для типового оборудования подачами.

Внеконтактная деформация может осуществляться кручением, кручением и растяжением или только растяжением. Кручение имеет место, когда прокатка осуществляется либо двумя парами роликов, расположенных на разных диаметрах и имеющих попарно разные скорости вращения, либо роликами, расположенными на одном диаметре, но вращающимися с разными скоростями, либо роликами и пинолями, вращающимися с разными скоростями. Во всех случаях разница в скоростях вращения указанных инструментов обеспечивает сдвиг в плоскостях, ортогональных оси вращения заготовки.

Кручение и растяжение имеют место при прокатке заготовок роликами, когда последним задаются повышенные значения радиальных подач. При этом фиксация центральной части осуществляется пинолями. Растяжение имеет место при прокатке дисков с тонким полотном из заготовок с относительно однородной структурой, когда заготовка фиксируется на оправке с возможностью вращения относительно нее. Растяжение также имеет место, когда прокатку осуществляют посредством одних роликов, например трех пар роликов, расположенных под углом 120° друг относительно друга, а также симметрично относительно плоскости, содержащей ось заготовки, и на равных от центра заготовки расстояниях. Повышение однородности структуры по предлагаемому способу происходит вследствие накопления в материале больших деформаций и релаксации остаточных напряжений. Сначала деформация в материале прокатанной части накапливается в процессе ее формообразования, а затем к ней добавляется внеконтактная деформация.

Причем внеконтактная деформация прокатанной части на протяжении всего процесса прокатки совмещается с локальным формообразованием следующих новых участков прокатанной части, которые по завершению формообразования также вовлекаются во внеконтактную сверхпластическую деформацию.

Результат от полезного использования внеконтактной сверхпластической деформации в рассматриваемом способе превосходит результат, достигаемый в известных способах обработки, в которых применяют СПД для улучшения структуры в крупногабаритных заготовках [4]. Хотя СПД обеспечивает более равномерное распределение деформации в объеме материала по сравнению с другими видами деформации, эффективно использовать это свойство в известных способах не удается. Этому препятствуют неоднородность исходной структуры в крупногабаритных заготовках и другие факторы, например трение, приводящие к возникновению зон локализации деформации, где структура приобретает однородность, и застойных зон, где структура не изменяется. Для выравнивания структуры в заготовке применяют всестороннюю ковку, в ходе которой образуются новые зоны локализации деформации, и, тем самым, объем материала с однородной структурой расширяется. Основное достоинство всесторонней ковки - это немонотонность деформации, благодаря которой повышается однородность структуры, основной недостаток - высокая трудоемкость.

Внеконтактная СПД прокатанной части существенно немонотонна. В случае растяжения прокатанной части под воздействием радиально направленных компонент усилий прокатки немонотонность обуславливается периодичностью изменения направления действия этих сил из-за вращения заготовки относительно роликов. Кручение прокатанной части, происходящее под воздействием на нее моментов сил, возникающих в прокатываемой и центральной частях, немонотонно по природе этой деформации. Причем кручение прокатанной части в условиях сверхпластичности наиболее эффективно для повышения однородности структуры. В этом случае энергия деформации не расходуется на образование новой макроскопической поверхности, т.к. размеры прокатанной части при кручении не меняются. Поэтому большая часть энергии деформации идет на образование внутренних поверхностей в материале - границ зерен, т.е. на измельчение и выравнивание структуры. К тому же кручение прокатанной части является наиболее характерным видом внеконтактной деформации.

В учетом изложенного для прокатки по предлагаемому способу могут быть использованы заготовки, изготовленные по традиционным технологиям. Трудоемкость производства и стоимость таких заготовок значительно ниже, чем заготовок, полученных специальными способами [2].

Предлагаемый способ, в отличие от прототипа, позволяет получать из таких заготовок детали с однородной структурой за счет использования внеконтактной деформации. Предлагаемый способ эффективен также для заготовок, изготовленных методами порошковой металлургии. Известно, что интенсивная СПД заметно повышает механические свойства порошковых сплавов.

Для прокатки по предлагаемому способу можно использовать и заготовки с субмикро- и нанокристаллическими зернами (средний размер зерен менее 1 мкм). Получение таких заготовок является развивающимся направлением техники. Его перспективность обусловлена не только тем, что заготовки с дисперсными зернами позволяют существенно расширить температурно-скоростной интервал прокатки в условиях СПД, но и вышеотмеченным повышением однородности структуры за счет выравнивания химического, фазового составов, приобретения бестекстурного состояния, а также полного снятия деформационных напряжений.

Рассмотренные новые приемы способа в совокупности с известными приемами являются необходимыми и достаточными для решения поставленных задач. В частности, однородность структуры, обеспеченная внеконтактной СПД, наследуется после термообработки, придавая деталям высокие и изотропные механические свойства.

Рассмотрим сущность изобретения в его дальнейшем развитии.

Регулирование скорости деформации при прокатке и температуры в прокатанной части выполняют с учетом исходной структуры заготовки. Чем грубее исходная структура материала, тем большие требуются величина и время накопления деформации для трансформации крупнозернистых зерен в равноосные мелкие зерна. Этому способствуют пониженные скорости и повышенные температуры деформации. В заготовках с более мелкозернистой исходной структурой повышение ее однородности достигается при меньших степенях деформации и за меньшее время обработки, поэтому их целесообразно прокатывать с более высокими скоростями деформации, и, следовательно, с большей производительностью и поддерживать в прокатанной части более низкую температуру.

Поддержание более высокой температуры в прокатанной части по сравнению с температурой прокатки достигается, например, таким техническим приемом, как прокатка охлаждаемыми роликами. Целесообразность этого приема обусловлена не только обеспечением более интенсивной внеконтактной деформации в прокатанной части, но и повышением стойкости инструмента.

Понижение температуры прокатанной части может осуществляться хладагентом, например воздухом, циркулирующим в каналах, выполненных в пинолях, или подаваемым на прокатанную часть из выходных отверстий каналов, выполненных в роликах.

Увеличение или уменьшение толщины периферийной части соответственно уменьшает или увеличивает наружный диаметр исходной заготовки, т.к. ее размеры выбирают с учетом закона сохранения объема. В первом случае вследствие увеличения усилия и степени деформации периферийной части повышаются скорость и степень внеконтактной деформации прокатанной части, а во втором - уменьшаются. Для заготовок с подготовленной структурой, изготовленных промышленным способом, экспериментально выявили соотношения размеров периферийной части, выдерживание которых обеспечивает при прокатке на типовом оборудовании и поддержании в прокатанной части необходимой температуры внеконтактную деформацию прокатанной части в температурно-скоростных условиях сверхпластичности, приводящую к улучшению структуры.

Размеры периферийной части для заготовок из двухфазных титановых сплавов рекомендуется выбирать из следующих соотношений: 1,4≤D_н/D_в≤1,8, где D_н - наружный, a D_в - внутренний диаметры периферийной части, а также 0,4≤ε₀=(Н_о-h_п)/Н_о≤0,7, где ε₀ - обжатие (степень деформации) периферийной части по толщине, Н_о и h_п - соответственно исходная толщина периферийной части и полотна. Указанные соотношения справедливы для заготовок с разными формами: фигурных, имеющих поднутрения для ввода роликов, которые оформляют в процессе их штамповки, а также заготовок в виде шайб, которые получают посредством осадки плоскими бойками. Изготовление заготовок в виде шайб менее трудоемко, чем штампованных фигурных заготовок. Внутренний диаметр периферийной части в шайбе получают перед прокаткой путем внедрения в нее роликов на диаметре D_в, что увеличивает время изготовления детали и расход материала, поэтому шайбы применяют для изготовления небольших партий деталей.

Размеры периферийной части для заготовок из жаропрочных никелевых сплавов с мелкозернистой исходной структурой, вследствие повышенных усилий прокатки, рекомендуется выбирать из следующих соотношений: 1,3≤D_н/D_в≤1,7, где D_н - наружный, a D_в - внутренний диаметры периферийной части, а также 0,4≤ε=(Н_о-h_п)/Н_о≤0,7, где ε₀ - обжатие (степень деформации) периферийной части по толщине. Н_о и h_п - соответственно исходная толщина периферийной и прокатанной частей. Хотя прием выбора размеров заготовки основан на эмпирическом знании результатов предшествующих прокаток, тем не менее, он удобен для практического применения в серийном производстве;

Перечень фигур, поясняющих изобретение

На фиг.1 представлена схема прокатки диска из фигурной заготовки. На фиг.2 представлена схема прокатки диска из плоской заготовки: а - позиция роликов до внедрения их в заготовку; б - при прокатке. На фиг.3 показана структура прокатанного диска из сплава ВТ18У. На фиг.4 показана структура прокатанного диска из сплава ВТ9. На фиг.5 представлена фигурная заготовка для прокатки дисков.

Фиг.1 поясняет наиболее распространенную схему прокатки дисков из жаропрочных сплавов с использованием пинолей и роликов. На фиг.1 приведены: 1 - прокатываемая заготовка, 2 и 3 - пиноли, 4, 5, 6, 7 - ролики с комбинированной формой рабочей части. Стрелками обозначены направления движения инструмента и заготовки.

На фиг.2 приведены: 8 - прокатываемая заготовка, 9 и 10 - ролики с комбинированной формой рабочей части, 11 и 12 - ролики с конической рабочей частью. Узел фиксации заготовки на фиг.2 не показан.

В качестве примеров рассмотрены способы изготовления дисков диаметром 450-800 мм, применяемых в газотурбинных двигателях, из заготовок, исходные диаметры которых были в 1,5-2 раза меньше.

Как правило, диски имеют центральную часть - ступицу. Деформацию ступицы пинолями используют для создания развитой контактной поверхности сцепления, обеспечивающей фиксацию заготовки для приведения ее пинолями во вращение при прокатке.

Диски имеют также полотно и обод, формируемые прокаткой в условиях сверхпластичности. При этом полотном диска становится уже обжатая роликами до заданной толщины периферийная части заготовки, а ободом - «остаток периферийной части, неизрасходованной на изготовление полотна в результате его смещения по радиусу без существенного изменения исходной толщины». В этой связи применительно к дискам прокатанной частью является сформированное к данному моменту полотно, поэтому при описании примеров вместо термина «прокатанная часть заготовки» употреблен термин «полотно диска».

Способ не исключает возможность повышения однородности структуры и механических свойств в ступице и ободе. Однако приемы, используемые для выравнивания структуры и повышения свойств во всем диске, выходят за рамки данного способа и не рассматриваются в нижеприведенных примерах.

Примеры не исчерпывают всех возможных конкретных вариантов практической реализации предлагаемого способа изготовления осесимметричных деталей, а также используемых для этого материалов. Кроме дисков предлагаемый способ позволяет изготавливать также и другие изделия, имеющие центральную и прокатанную роликами части, например детали типа чаши. Во всех примерах приведены сплавы, проявляющие способность к СПД. Эта способность характеризуется тем, что при деформации в температурно-скоростных условиях сверхпластичности они демонстрируют большое равномерное удлинение до разрушения, низкое напряжение течения, высокую чувствительность напряжения течения к скорости деформации, а также тем, что в результате СПД в них формируется однородная мелкозернистая структура.

Приведенные в примерах сведения об использованном оборудовании типа дископрокатного стана СРД800 (не показан) подтверждают применимость способа в промышленных масштабах.

Деформацию, в том числе внеконтактную, заготовок, предназначенных для изготовления деталей ответственного назначения, контролируют.

Современные технические средства позволяют определить значение угла закручивания непосредственно во время прокатки. Для этого на не обкатываемую роликами цилиндрическую поверхность заготовки наносят метки в виде покрытия, спектр излучения которых в нагретом состоянии отличается от спектра материала заготовки. Период вращения таких меток определяют посредством оптоэлектронных приборов, например пирометра. Далее его используют для определения угла закручивания, сравнивая с периодом вращения центральной части вместе с пинолями. Угол закручивания соответствует степени сдвиговой деформации прокатанной части. При кручении в окрестностях некоторого радиуса R_i материал в прокатанной части движется с угловой скоростью ω_i=2π/Т_i, где Т_i - период вращения материала на радиусе R_i, а в окрестностях радиуса R_i+1 - с угловой скоростью ω_i+1=2π/Т_i+1, где Т_i+1 - период вращения материала на радиусе R_i+1. На расстоянии ΔR=R_i+1 - R_i материал за время прокатки Т_р подвергнется сдвигу, равному углу закручивания

γ=|ω_i+1-ω_i|Т_р=ΔωТ_р=2πТ_р|1/T_i+1-1/Т_i|

Закручивание прокатанной части может изменять направление. К этому приводит наличие зон опережения и отставания течения материала в очаге деформации, изменение условий согласования вращения роликов и заготовки, флуктуации напряжения в электросети и другие факторы. В этом случае деформацию определяют по сумме углов закручивания.

Норму угла закручивания (степень деформации сдвига) определяют по результатам предшествующей успешной прокатки диска или при испытании образца, подвергнутого кручению в эквивалентных прокатке условиях деформации. При отсутствии технических средств для определения угла закручивания прокатанной части в процессе деформации угол закручивания можно выявить после прокатки по естественным меткам, появляющимся на поверхности прокатанной части. Естественные метки представляют собой спиральные канавки глубиной ˜ 0,1 мм. Поверхность обточенной заготовки при нагреве окисляется, образуя, например в титановых сплавах, малопластичный альфированный слой. В результате относительного сдвига материала окисленный слой растрескивается, образуя указанные канавки.

Современные оптоэлектронные устройства позволяют также оценить деформацию прокатанной части при ее растяжении. В этом случае определяют изменение положений на светочувствительном датчике отраженных лучей при сканировании по поверхности прокатанной части прямого луча лазера. Изменение положений отраженных лучей происходит из-за удаления поверхности прокатанной части от источника света вследствие ее утонения при растяжении.

Информация вышеотмеченных оптоэлектронных устройств обрабатывается, демонстрируется и используется управляющим прокаткой технологическим компьютером. Если утонение прокатанной части приводит к уменьшению толщины до размера, близкого к предельно необходимому, то уменьшают скорость деформации преимущественно за счет снижения радиальной подачи роликов. При чрезмерном закручивании прокатанной части уменьшают преимущественно окружную подачу заготовки.

Пример 1. На стане СРД800 прокатывали диски для ГТД из фигурных заготовок, которые изготовили на металлургическом комбинате по типовой технологии из псевдоα - титанового сплава ВТ18У {Химический состав сплава, в % по массе: (6.2-7.3)Аl; (2.0-3.0)Sn; (3.5-4.5)Zr; (0.4-1.0)Мо; (0.5-1.5)Nb, остальное - Ti.} В исходном состоянии средний размер β-превращенных зерен составлял ˜800 мкм.

До нагрева заготовки под прокатку на цилиндрическую поверхность ее периферийной части (не обкатываемую роликами) нанесли искусственные метки в виде покрытия, имеющего отличный от заготовки спектр излучения

Перед прокаткой центральную часть заготовки зафиксировали пинолями (фиг.1). Затем посредством пинолей привели во вращение, задав тем самым заготовке окружную подачу. Локальное формообразование периферийной части прокаткой выполняли роликами. В данном случае использовали две пары роликов, каждый из которых вращался вокруг собственной оси и перемещался по траектории в соответствии с контуром детали посредством радиальной и осевой подач.

Прокатку осуществляли с регулированием температуры и скорости деформации в температурно-скоростном интервале сверхпластичности. Температуру прокатки и в прокатанной части поддерживали практически одинаковой вследствие того, что прокатку выполняли в печи, которую (на фиг. печь не показана) нагрели до температуры, равной (985±15)°С. В относительных величинах эта температура составляет (Т_п.п-35)°С или ˜0.6 Т_пл и лежит в интервале температур СПД титановых сплавов, ограниченного обычно значениями [(Т_п.п-20)-(Т_п.п-50)]°С, где Т_пл - температура плавления, Т_п.п - температура полиморфного превращения.

Регулирование скорости деформации при прокатке производили посредством системы управления станом (на фиг. не показана), поддерживающим заданные подачи роликов и заготовки. Подачам задали значения, обеспечивающие скорость деформации при прокатке, соответствующую скоростным условиям СПД. В частности, заготовку вращали с угловой скоростью ω=2πn/60≈10^-1 с^-1, где n - число оборотов, n=1 об/мин. При этой скорости вращения заготовки окружная подача составила V_o=R_зω=R_з2πn/60≈(12-25)мм/мин, где R_з - текущий радиус прокатки. Радиальную подачу увеличивали с 2,5 мм/мин в начале прокатки до 5 мм/мин к концу прокатки, а осевую подачу выдерживали равной 1 мм/мин в период внедрения, а затем снижали до нуля. При данных подачах средняя скорость деформации при прокатке составила ξ˜ (1-2)×10^-2 с^-1.

Поддерживая указанную скорость деформации при прокатке, а также температуру в прокатанном полотне, равной (без учета случайных флуктуаций) температуре деформации при прокатке и печи, обеспечили совмещение локального формообразования с внеконтактной деформацией прокатанной части в температурно-скоростных условиях сверхпластичности. При указанных выше значениях подач полотно подвергалось кручению.

Внеконтактную деформацию контролировали по углу закручивания полотна посредством автоматического пирометра. Пирометр через специальное отверстие, выполненное в стенке печи, фиксировал период вращения искусственных меток, нанесенных на обод заготовки в виде покрытия, имеющего отличный от заготовки спектр излучения. Сигналы от пирометра и от датчика скорости вращения пинолей и центральной части заготовки поступали в технологический компьютер, который рассчитывал угол закручивания, степень деформации, а также ее производную по времени - скорость деформации. Угол закручивания составил ˜0,6 рад, соответствующей углу была также деформация полотна сдвигом. Средняя скорость деформации была ˜5×10^-4 с^-1. Кроме того, после прокатки и охлаждения угол закручивания полотна замерили по спиральным линиям, сформировавшимся на поверхности полотна. Расхождение результатов измерений угла закручивания указанными методами было небольшим, в пределах 10%.

Измерение размеров дисков показало их соответствие требованиям чертежа. Металлографическими исследованиями было выявлено влияние внеконтактной деформации на структуру диска. Исследования показали, что наиболее однородная мелкозернистая структура сформировалась в полотне диска (центральная позиция на фиг.3). В ободе (левая позиция на фиг.3) структура изменилась в меньшей степени, приобрела так называемый тип «корзиночного плетения» и соответствовала 3-4 баллу и типу. В центральной части диска - ступице (правая позиция на фиг.3) структура практически не изменилась по сравнению с заготовкой, поскольку эта часть деформировалась пинолями с малым, необходимым только для фиксации, обжатием ˜1%. Степени деформации обода и полот