ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Применение равноканального углового прессования (РКУП) металлического порошка позволяет получить практически беспористые заготовки с высокой твердостью, высоким уровнем накопленной деформации и образованием ультрамелкозернистой структуры. Актуальным вопросом для исследования полунепрерывного процесса РКУП остаётся надёжная оценка энергосиловых параметров процесса и прогнозирование пористости спрессованных материалов. Это, в свою очередь, связано с необходимостью разработки достаточно точных, надёжных и простых для практического применения математических моделей. Целью работы является разработка аналитической модели процесса равноканального углового прессования пористого материала. В качестве модели материала для исследования выбран порошкообразный отсев губчатого титана марки ТГ-100. Объектом исследования является процесс полунепрерывного равноканального углового прессования осесимметричного пористого брикета титановой губки в канале пресс-формы. Предполагается, что при РКУП используется пуансон для создания противодавления. Для решения определены схема процесса, статически допустимая схема нагрузки на слой интенсивной деформации и кинематически допустимая схема течения пластически сжимаемой среды в слое. В соответствии с принятыми схемами построена система уравнений, применяется уравнение баланса мощности. Аналитическое уравнение решается методом последовательных приближений. Осуществлено имитационное моделирование методом конечных элементов процесса РКУП пористого титана при углах пересечения каналов пресс-формы в 45°, 50°, 55° и 60°. Определена пористость заготовки на разных стадиях процесса РКУП. С использованием аналитического решения и конечно-элементного моделирования получена диаграмма изменения давления на пуансон. Результаты и обсуждение. Выявлено, что результаты аналитического решения согласуются с данными имитационного конечно-элементного моделирования. Наибольший уровень напряжений возникает в процессе равноканального углового прессования при α = 45°, однако при этом распределение относительной плотности по сечению наиболее равномерно. При увеличении угла α максимальное значение давления на рабочий пуансон уменьшается. Рациональные технологические параметры прессования пористых заготовок должны обеспечивать максимально допустимые давления на деформирующий инструмент. Согласно этому условию в каждом конкретном процессе РКУП из аналитического решения возможно определить оптимальное значение угла.

1. Experimental parameters influencing grain refinement and microstructural evolution during high-pressure torsion / A.P. Zhilyaev, G.V. Nurislamova, B.K. Kim, M.D. Baro, J.A. Szpunar, T.G. Langdon // Acta Materialia. – 2003. – Vol. 51, iss. 3. – P. 753–765. – DOI: 10.1016/S1359-6454(02)00466-4.

2. Novel ultra-high straining process for bulk materials – development of the accumulative roll-bonding (ARB) process / Y. Saito, H. Utsunomiya, N. Tsuji, T. Sakai // Acta Materialia. – 1999. – Vol. 47, iss. 2. – P. 579–583. – DOI: 10.1016/S1359-6454(98)00365-6.

3. Production of submicrocrystalline structure in large-scale Ti–6Al–4V billet by warm severe deformation processing / S.V. Zherebtsov, G.A. Salishchev, R.M. Galeyeva, O.R. Valiakhmetova, S.Yu. Mironova, S.L. Semiatin // Scripta Materialia. – 2004. – Vol. 51. – P. 1147–1151. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2004.08.018.

4. Work hardening and microstructure of AlMg5 after severe plastic deformation by cyclic extrusion and compression / M. Richert, H.P. Stuwe, M.J. Zehetbauer, J. Richert, R. Pippan, Ch. Motz, E. Schafler // Materials Science and Engineering: A. – 2003. – Vol. 355, iss. 1–2. – P. 180–185. – DOI: 10.1016/S0921-5093(03)00046-7.

5. Mani B., Jahedi M., Paydar M.H. Consolidation of commercial pure aluminum powder by torsional-equal channel angular pressing (T-ECAP) at room temperature // Powder Technology. – 2012. – Vol. 219. – P. 1–8. – DOI: 10.1016/j.powtec.2011.11.034.

6. Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation / R.Z. Valiev, Yu. Estrin, Z. Horita, T.G. Langdon, M.J. Zehetbauer, Y.T. Zhu // JOM. – 2006. – Vol. 58. – P. 33–39. – DOI: 10.1007/s11837-006-0213-7.

7. Segal V. Review: modes and processes of severe plastic deformation (SPD) // Materials. – 2018. – Vol. 11 (7). – P. 1175. – DOI: 10.3390/ma11071175.

8. William G., Voorkes J. Conform and Linex – continuous aluminium extrusion machines // Light Metal Age. – 1978. – Vol. 36, iss. 1–2. – P. 18–20.

9. Thomas B.M., Derguti F., Jackson M. Continuous extrusion of a commercially pure titanium powder via the Conform process // Materials Science and Technology. – 2017. – Vol. 33, iss. 7. – P. 899–903. – DOI: 10.1080/02670836.2016.1245256.

10. Segal V.M. Mechanics of continuous equal-channel angular extrusion // Journal of Materials Processing Technology. – 2010. – Vol. 210. – P. 542–549. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2009.11.001.

11. Lapovok R., Tomus D., Bettles C. Shear deformation with imposed hydrostatic pressure for enhanced compaction of powder // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 58, iss. 10. – P. 898–901. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2008.01.010.

12. Ultrafine-grained porous titanium and porous titanium/magnesium composites fabricated by space holder-enabled severe plastic deformation / Y. Qi, K.G. Contreras, H.D. Jung, H.E. Kim, R. Lapovok, Y. Estrin // Materials Science and Engineering: C. – 2016. – Vol. 59. – P. 754–765. – DOI: 10.1016/j.msec.2015.10.070.

13. Microstructural characteristics and superplastic-like behavior in aluminum powder alloy consolidated by equal-channel angular pressing / K. Matsuki, T. Aida, T. Takeuchi, J. Kusui, K. Yokoe // Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48, iss. 10. – P. 2625–2632. – DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00061-6.

14. Xia K., Wu X. Back pressure equal channel angular consolidation of pure Al particles // Scripta Materialia. – 2005. – Vol. 53, iss. 11. – P. 1225–1229. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2005.08.012.

15. Cold compaction study of Armstrong Process® Ti–6Al–4V powders / W. Chen, Y. Yamamoto, W.H. Peter, S.B. Gorti, A.S. Sabau, M.B. Clark, S.D. Nunn, J.O. Kiggans, C.A. Blue, J.C. Williams, B. Fuller, K. Akhtar // Powder Technology. – 2011. – Vol. 212, iss. 2. – P. 194–199. – DOI: 10.1016/j.powtec.2011.08.007.

16. Crowley G. How to extract low-cost titanium // Advanced Materials and Processes. – 2003. – Vol. 161, iss. 11. – P. 25–27.

17. Chen G.Z., Fray D.J., Farthing T.W. Direct electrochemical reduction of titanium dioxide to titanium in molten calcium chloride // Nature. – 2000. – Vol. 407. – P. 361–364. – DOI: 10.1038/35030069.

18. Donaldson A., Cordes R.A. Rapid plasma quenching for the production of ultrafine metal and ceramic powders // JOM. – 2005. – Vol. 57, iss. 4. – P. 58–63. – DOI: 10.1007/s11837-005-0083-4.

19. Obtaining of titanium powder from titanium sponge by self-propagating high-temperature synthesis hydration and dehydration / V.I. Ratnikov, V.K. Prokudina, A.F. Belikova, N.V. Sachkova // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2010. – Vol. 51, iss. 4. – P. 352–358. – DOI: 10.3103/S1067821210040176.

20. Bukhvalov A.B., Gorshkov M.M., Litvinov B.V. Effect of hydrogenation and hot-cold rolling of compact from titanium sponge on its structure, strain hardening, and fracture behavior // Metal Science and Heat Treatment. – 2004. – Vol. 46, iss. 11–12. – P. 527–534. – DOI: 10.1007/s11041-005-0013-7.

21. Porous material based on spongy titanium granules: structure, mechanical properties, and osseointegration / A.P. Rubshtein, I.Sh. Trakhtenberg, E.B. Makarova, E.B. Triphonova, D.G. Bliznets, L.I. Yakovenkova, A.B. Vladimirov // Materials Science and Engineering: C. – 2014. – Vol. 35. – P. 363–369. – DOI: 10.1016/j.msec.2013.11.020.

22. Analysis of compressibility behavior and development of a plastic yield model for uniaxial die compaction of sponge titanium powder / A. Hadadzadeh, M.A. Whitney, M.A. Wells, S.F. Corbin // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 243. – P. 92–99. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.12.004.

23. Влияние температуры на компактируемость брикетов из титановой губки, легированной водородом / А.В. Нестеренко, В.И. Новожонов, А.Г. Залазинский, А.В. Скрипов // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2015. – № 2. – С. 52–57. – DOI: 10.17073/0021-3438-2015-2-52-57.

24. Нестеренко А.В., Новожонов В.И., Вичужанин Д.И. Влияние деформационной обработки на свойства и структуру полуфабрикатов, полученных твердофазной консолидацией титановой губки // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2015. – № 4. – С. 42–47. – DOI: 10.17073/0021-3438-2015-4-42-47.

25. Нестеренко А.В., Новожонов В.И., Залазинский А.Г. Влияние деформационной обработки на свойства и структуру титана, полученного пластической деформацией титановой губки легированной водородом // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 3. – P. 98–108. – DOI: 10.17804/2410-9908.2015.3.098-108.

26. Патент № 2686436 Российская Федерацияна: № 2018132622: заявл. 12.09.2018; опубл. 25.04.2019, Бюл. № 12. Пресс-форма для двухстороннего прессования порошка / Березин И.М., Залазинский А.Г.

27. Порошковая металлургия и напыленные покрытия / под ред. Б.С. Митина. – М.: Металлургия, 1987. – 792 с.

28. Колмогоров В.Л. Напряжения. Деформации. Разрушение. – М.: Металлургия, 1970. – 229 с.

29. Друянов Б.А. Прикладная теория пластичности пористых тел. – М.: Машиностроение, 1989. – 165 с.

30. Залазинский А.Г., Колмыков В.Л., Соколов М.В. О физических уравнениях пористого материала // Известия вузов. Цветная металлургия. – 1997. – № 4. – С. 39–43.

31. Залазинский А.Г. Пластическое деформирование структурно-неоднородных материалов. – Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2000. – 492 с.

32. Залазинский А.Г., Поляков А.П. Построение разрывного решения для процесса выдавливания пластически сжимаемого тела // Известия вузов. Машиностроение. – 2001. – № 4. – С. 43–53.

33. Gurson A.L. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: Pt. I. Yield criteria and flow rules for porous ductile materials // Journal of Engineering Materials and Technology. – 1977. – Vol. 99. – P. 2–15.

34. Effect of acute tool-angles on equal channel angular extrusion/pressing / A.V. Nagasekhar, Y. Tick-Hon, S. Li, H.P. Seow // Materials Science and Engineering: A. – 2005. – Vol. 410–411. – Р. 269–272. – DOI: 10.1016/j.msea.2005.08.043.

35. Finite element analysis of the plastic deformation zone and working load in equal channel angular extrusion / S. Li, M.A.M. Bourke, I.J. Beyerlein, D.J. Alexander, B. Clausen // Materials Science and Engineering: A. – 2004. – Vol. 382, iss. 1–2. – P. 217–236. – DOI: 10.1016/j.msea.2004.04.067.