ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 4, 2014
УДК 621.71:539.374.001.57
© 2014 г. Круглов А.А.
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ СФЕРИЧЕСКИХ СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, г. Уфа
Рассмотрены пути повышения конструкционной прочности сосудов давления из титановых сплавов. Предложено использовать технологическую схему "сварка давлением/сверхпластическая формовка" для изготовления равнопрочных сосудов. Показано, что для повышения конструкционной прочности может быть применен принцип многослойности, а также ультрамелкозернистый листовой прокат.
Сферические сосуды высокого давления из титановых сплавов находят широкое применение в аэрокосмической и других областях техники. К ним предъявляются жесткие требования по обеспечению эксплуатационных характеристик и высокой надежности. Качество сосудов во многом определяется их геометрическими параметрами, структурой и свойствами основного материала и сварных соединений.
По традиционной технологии сосуды давления изготовляют сваркой (электроннолучевой или аргонодуговой) двух полусфер. Полусферы предварительно получают сверхпластической формовкой из листовых заготовок, либо механической обработкой штамповок. Экономические расчеты показывают существенное сокращение затрат при применении метода сверхпластической формовки [1]. Однако после сварки полусфер в зоне сварного шва в сосуде формируется неоднородная крупнозернистая пластинчатая структура, обуславливающая пониженный комплекс механических свойств. Равнопрочность сосуда обеспечивают за счет увеличения толщины в зоне расположения сварного шва. Кроме того, сосуды после сварки плавлением требуют применения термической обработки для снятия внутренних напряжений.
Таким образом, поиск путей, направленных на повышение конструкционной прочности сосудов давления, остается актуальной задачей и является целью настоящей статьи.
При схеме формовка/сварка для изготовления сферического сосуда можно использовать только способы сварки плавлением. В этой связи представляет интерес применение для изготовления сосудов схемы сварка/формовка [1]. Полуфабрикатом для изготовления сосуда служит круглый пакет, состоящий из двух листовых заготовок, соединенных по периметру герметичным швом, и снабженный штуцером. Плоская форма исходных заготовок дает возможность применять способы сварки давлением, не требующие расплавления металла. Сверхпластическую формовку выполняют после сварки. В этом случае структура сварного соединения практически не отличается от структуры основного материала.
Другим преимуществом схемы сварка/формовка является возможность осуществить сверхпластическую формовку путем свободного формообразования без использования прессового оборудования [2]. Пакет закрепляют на перекладине, устанавливают в электрическую печь и подают газ в его внутреннюю полость, обеспечивая
необходимое давление. Штамп в виде двух полусферических матриц используют в качестве калибровочного инструмента.
В работах [2, 3] была выявлена важная особенность процесса свободного формообразования, заключающаяся в перемещении экваториального участка оболочки к центру в ходе формовки. В итоге диаметр экватора сферической оболочки Пэ становится существенно меньше начального диаметра пакета В0. Результаты численного моделирования процесса свободной формовки, выполненные в среде Рис. 1 программного комплекса ЛКБУБ [4], показаны на рис. 1. В работе [5] с помощью расчетной модели установлено, что перемещение экваториального участка формуемой оболочки на величину, соответствующую
значению является предельным. Причем эта величина не зависит от
размеров пакета и материала листовых заготовок.
В результате этой особенности процесса свободного формообразования происходит деформационная обработка сварного соединения, расположенного по экватору. На начальном этапе свободной формовки, когда диаметр экватора уменьшается, соединение подвергается деформации сжатия на 15—17%. В ходе дальнейшей формовки диаметр оболочки увеличивается. При этом сварное соединение подвергается уже деформации растяжением примерно на 10%.
Такая комбинированная деформация происходит в условиях сверхпластичности, что способствует устранению дефектов соединения в виде пор, и прочность в зоне соединения достигает прочности основного материала [6]. Кроме того, в процессе деформации устраняется и такой опасный дефект, как подрез на внутренней поверхности стенки сосуда. В табл. 1 приведены результаты механических испытаний образцов, вырезанных из различных участков сосуда. Плоскую форму образцам придавали путем сжатия между плитами на прессе.
Другим направлением повышения конструкционной прочности сосудов является принцип многослойности. Возросшие требования технического прогресса в части повышения мощности и надежности технологического оборудования высокого давления часто превышают возможности технологии изготовления сосудов с однослойной стенкой. Работы по определению прочности многослойных сосудов показывают высокую способность многослойных стенок сопротивляться хрупким и вязким разрушениям [7].
Для реализации указанного принципа каждую половину сварного пакета выполняют многослойной, состоящей соответственно из набора нескольких листовых заготовок (рис. 2).
Таблица 1
Место вырезки образцов ат, МПа ав, МПа 5, %
Зона основного материала 885 951 15,3
Зона сварного соединения 881 943 12,3
2 ПМ и НМ, № 4
33
Рис. 3. Исходный полуфабрикат и сосуд с бобышками
В табл. 2 приведены результаты испытаний на разрушение внутренним давлением монолитного и многослойного сферических сосудов диаметром 180 мм из титанового сплава ВТ6.
При использовании многослойных заготовок решается и такая важная задача, как изотропия механических свойств, включая ударную вязкость, в различных сечениях сосуда. Для этого укладку заготовок следует проводить, меняя угол между направлениями прокатки в соседних заготовках [8]. Это еще одно преимущество многослойных заготовок, когда пакет собирается из однослойных заготовок, их направления прокатки должны совпадать [9].
Сосуды давления снабжают одной или двумя бобышками, в которых выполняют резьбовые отверстия для соединения с трубопроводом. Обычно бобышки приваривают с помощью сварки плавлением. При сварке давлением набора из нескольких листовых заготовок одновременно к ним можно приварить цилиндрическую заготовку. Это позволит сразу после сверхпластической формовки получить сосуд с бобышками (рис. 3) [10].
Еще одним направлением повышения конструкционной прочности сосудов давления является использование листовых заготовок с ультрамелкозернистой структурой с размером зерен менее 1 мкм. Листы с такой структурой обладают уникальным сочета-
Таблица 2
Тип сосуда Давление разрушения, МПа
Монолитный 38
Многослойный 45
34
Таблица 3
Степень деформации
Механические свойства сварных образцов
(е), % ав, МПа а02, МПа S, % ¥, %
20 1124 1061 2,7 4,3
25 1068 1025 13,3 24,8
нием физико-механических свойств [11] и высокой технологической пластичностью [12], кроме того в них проявляется эффект низкотемпературной сверхпластичности [13]. Однако при температурах обработки выше 650°, как показано в работе [14], происходит рост зерен, в результате которого размер зерен становится больше 1 мкм.
Установлено, что качество твердофазного соединения титанового сплава ВТ6 при сварке давлением в условиях низкотемпературной сверхпластичности зависит от степени деформации [15]. При этом необходимая величина степени деформации увеличивается с понижением температуры [16]. Для получения качественного соединения при температуре 650° необходимо обеспечить степень деформации не ниже 25% (табл. 3).
Эксперименты показали, что используемая форма полуфабриката и геометрия пуансона позволяют достичь при сварке заготовок по их кромкам требуемую степень деформации, а благодаря еще достаточно высокой технологической пластичности при температуре 650° можно придать сосуду требуемую сферическую форму [17].
Выводы. Применение технологической схемы сварка давлением/сверхпластическая формовка для изготовления сосудов давления из титановых сплавов позволяет повысить их конструкционную прочность.
Показано, что повышение конструкционной прочности достигается за счет равно-прочности, многослойности и уменьшения размера зерен в готовом изделии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов / Под ред. Пейтона Н., Гамильтона К. М.: Металлургия, 1985. 312 с.
2. Кайбышев О.А., Круглое А.А., Лутфуллин Р.Я. и др. Свободная формовка сферических оболочек из сверхпластичных листовых материалов // Кузнечно-штамповочное производство. 1991. № 8. С. 19-20.
3. Кайбышев О.А., Круглое А.А., Лутфуллин Р.Я. и др. Моделирование процесса формообразования сферических сосудов давления в условиях сверхпластичности // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1993. № 5. С. 65-68.
4. Круглов А.А., Загиров Т.М., Еникеев Ф.У. Конечно-элементное моделирование процесса сверхпластической формовки круглого сварного листового пакета // Кузнечно-штамповоч-ное производство. ОМД. 2012. № 5. С. 30-34.
5. Круглов А.А., Еникеев Ф.У., Лутфуллин Р.Я. Расчетная модель процесса сверхпластической формовки сферической оболочки из листового проката // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. № 10. С. 6-9.
6. Кайбышев О.А., Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я. и др. Изготовление равнопрочных сферических сосудов с использованием сверхпластической деформации // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2005. № 6. С. 94-97.
7. Ганеева А.А., Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я. Свойства слоистого композиционного материала и перспективы его использования // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 7. С. 38-40.
8. Ганеева А.А., Круглов А.А., Афанасьева Н.А. и др. Способ изготовления оболочки // Патент РФ 2380185. Б.И. 2010. № 3.
2* 35
9. Круглов А.А. Способ изготовления оболочек из листовых заготовок // Патент РФ 2019340. Б.И. 1994. № 17.
10. Круглов А.А. Сверхпластическая формовка сферических сосудов с бобышками // Кузнечно-штамповочное производство. ОМД. 2004. № 10. С. 8—11.
11. Н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.