Диски, втулки, валы, лопатки и другие части авиадвигателей делают из титановых сплавов. Такие детали получаются прочными и легкими, что позволяет совершенствовать конструкцию самолетов. Но их создание — трудоемкий процесс, высокопрочный сплав тяжело поддается обработке. Например, точение, фрезерование, сверление, протягивание таких деталей значительно влияет на их качество: часто разрушение начинается с поверхности, на которую активно воздействовали инструментами. Ученые ПНИПУ определили наилучшие параметры механической обработки образцов с ультрамелкозернистой структурой, чтобы повысить надежность и эффективность выпуска деталей авиадвигателей.
Исследование опубликовано в журнале Metals. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030». Для создания деталей авиадвигателей выбирают титановые сплавы, потому что они имеют малый удельный вес и высокую прочность. Но вместе с тем титан может налипать и задираться, а также спаиваться с режущим инструментом. В результате инструмент быстро изнашивается и требует преждевременной замены.
Параметры механической обработки материала, в том числе точение, зависят от физико-механических свойств и микроструктуры или, по-другому, его зернистости. Если рассмотреть образец, сделанный из исследуемого сплава в микроскоп, то можно увидеть «зерна»: они бывают разных размеров, форм и ориентации. От них зависят физико-химические свойства металлов – прочность, срок эксплуатации, реакция на различные среды.
Ультрамелкозернистые материалы, в том числе новые титановые сплавы, имеют размер зерен менее одного микрометра и измеряются уже в нанометрах. Они заметно выигрывают перед крупнозернистыми сплавами по прочности и устойчивости к повреждениям, что подтверждается законом Холл-Петча. Эта структура специально создается исследователями для обеспечения нужных эксплуатационных свойств у деталей. Для получения таких заготовок микроструктуру крупнозернистых сплавов меняют несколькими способами, один из них – прессование.
Детали из получаемых таким способом титановых материалов более надежны и долговечны. Но в настоящее время исследований обрабатываемости титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой недостаточно для практического применения. Поэтому ученые Пермского Политеха изучили физические параметры процесса резания при механической обработке материалов.
Для проведения эксперимента пермские политехники совместно с учеными Уфимского университета науки и технологий, выбрали заготовки из сплава Ti-6Al-4V (в основе титан, а также алюминий, ванадий, цирконий, кремний, железо). Образцы в течение 20 минут закаляли при температуре 950 градусов, а затем отжигали при 675 градусов в течение четырех часов для повышения эффективности измельчения зерна. Затем ученые сформировали в заготовках ультрамелкозернистую структуру методом прессования.
Далее пермские ученые провели серию экспериментов на компьютерном центре диагностики процесса резания. Политехники использовали исследовательский стенд, включающий токарный станок, приспособление для закрепления деталей и диагностическое оборудование для измерения физических параметров процесса резания. Ученые обработали участки заготовок длиной от 8 до 10 миллиметров на различных скоростях резания. Затем при помощи специальных приборов в лаборатории резания исследовали их микроструктуру, микротвердость и шероховатость, чтобы выяснить, как параметры резания влияют на эти показатели.
Для заготовки важна низкая шероховатость – чем более гладкая деталь, тем выше ее качество. Политехники добились требуемой шероховатости поверхности образцов с обеими структурами, но при обработке титанового сплава с ультрамелкозернистой структурой этот эффект достигнут на увеличенной скорости резания, обеспечивающей повышение производительности процессов в 1,5 раза и более. Технология имеет задельный характер и исследования, проводимые с образцами из нового ультрамелкозернистого материала, будут введены в производство ответственных деталей.
«При выбранных скоростях резания на поверхности сплавов с обеими структурами не было признаков локального перегрева материала и других дефектов. Все это свидетельствует об улучшении обрабатываемости титанового сплава при условии формирования ультрамелкозернистой структуры», – объясняет декан механико-технологического факультета ПНИПУ Михаил Песин.
Исследование ученых Пермского Политеха показало, что при изменении микроструктуры титанового сплава до ультрамелкозернистой и выборе правильной скорости резки, повышается производительность и качество обработки деталей для двигателей летательных аппаратов. Они становятся более надежными при эксплуатации.