Исследований

Моделировался процесс СВС-прессования кольцевых заготовок со следующими размерами [59]: начальные радиусы заготовки
r ₁₀ = 74 мм; R ₁₀ = 113 мм; радиусы матрицы r ₂ = 67 мм; R ₂ = 120 мм; начальная высота шихтовой заготовки h ₁₀ = 35 мм; начальная высота всего деформируемого объема h ₀ = 49 мм. Скорость перемещения плунжера пресса принималась равной v ₀ = 5 мм/c. Время задержки прессования составляло t _з = 5 с. В экспериментах осуществлялось ступенчатое изменение нагрузки с выдержками при постоянном давлении q в течение заданного времени t _в. Программы нагружения взяты из работы [59].

При СВС-прессовании КГИ теплоизолирующей оболочкой служит не песок, а жесткие песчаные фильтры с относительной плотностью r _ф = 0, 5 и пределом прочности на сжатие 2, 5 МПа [76]. Шихтовая заготовка размещается внутри жестких фильтров с радиальными зазорами порядка D r» 1 мм. С таким же радиальным зазором фильтры устанавливаются и внутри матрицы. Конструктивные особенности теплоизоляции КГИ учитывались в математических моделях теплообмена и пластического деформирования следующим образом. Так как полость между заготовкой и фильтрами заполняется горячими газами, выделившимися при горении, то принималось, что на стадии задержки прессования теплообмен заготовки с оболочкой не происходит. При силовом нагружении происходит разрушение жестких фильтров и они превращаются в песок насыпной плотности r ₂₀. Уплотнение сыпучей оболочки, образовавшейся после разрушения жестких фильтров, начинается после того, как заполнится весь объем радиальных зазоров. До этого момента теплоизолирующая оболочка не оказывает сопротивления деформации и происходит свободная осадка заготовки без изменения ее радиальных размеров на величину

, (6.20)

где V _з – объем радиальных зазоров; S ₁ – площадь основания заготовки. Для рассматриваемых размеров кольца при D r =1 мм; r _ф = 0, 5 и r ₂₀ = 0, 61 начальная высота заготовки при свободной осадке уменьшится на величину D h ₁ = 4, 3 мм и составит h ₁ = h ₁₀ - D h ₁» 31 мм. Соответственно с этого момента времени наступает полный контакт заготовки с оболочкой и оболочка начинает оказывать сопротивление деформации. При свободной осадке теплообмен учитывался только на опорных поверхностях заготовки. Боковые поверхности считались полностью теплоизолированными.

Результаты расчета, представленные на рис. 6.8, показывают достаточно хорошее соответствие с экспериментальными данными. Следует отметить, что при умеренных давлениях прессования, не превышающих q =100 МПа, расчет показывает более высокую степень уплотнения по сравнению с экспериментом. Аналогичный результат получен и в работе [59]. Это расхождение может быть связано с образованием закрытой пористости и неполным выдавливанием зажатых в порах газов из внутренних объемов при давлениях прессования до q = 100 МПа. Эффект образования закрытой пористости в рамках рассматриваемой модели не описывается, что, вероятно, и является причиной расхождения результатов расчета и эксперимента в диапазоне умеренных давлений. Достаточно хорошее соответствие результатов расчета с экспериментальными данными работы [59] подтверждает адекватность принятых теплофизических и реологических моделей горячих продуктов синтеза и песчаной оболочки и в случае прессования КГИ со ступенчатым нагружением.

Уровень физической и математической постановки и метод решения краевой задачи неизотермического деформирования позволяют выполнить подробный анализ закономерностей теплообмена, уплотнения и формообразования при СВС-прессовании кольцевых изделий. По результатам расчетов кратко рассмотрим основные закономерности процессов теплообмена и формообразования для второго эксперимента.

На рис. 6.9 приведены расчетные данные о динамике распределения температуры по радиусу r и высоте z в заготовке и оболочке в их средних сечениях. Температурное поле в заготовке близко к однородному полю температур. Максимальная разность температур в центре Т _ц и на контактной поверхности заготовки Т _к не превышает D Т = Т _ц - Т _к = 50 ^оС, что меньше 3%. Это позволяет для оценочных расчетов теплового режима при СВС-прессовании в песчаной оболочке использовать приближение однородного температурного поля.

	Р и с. 6.8. Зависимости средней относительной плотности заготовки r 1 и давления прессования q от времени t: 1, 2, 3 – номера экспериментов; эксперимент – сплошные линии; расчет – штриховые линиии
а
б
Р и с. 6.9. Распределение температуры по радиусу r (а) и высоте z (б) заготовки и оболочки в различные моменты времени t: 1 – t = t з = 5 с; 2 – t = 15 с; 3 – t = 20 с

Скорость охлаждения КГИ в песчаной оболочке невысокая и составляет в среднем 8 град/с (рис. 6.10). Это в два раза меньше, чем скорость охлаждения малогабаритных изделий [51]. Вместе с тем непрерывное охлаждение приводит к постепенному уменьшению способности материала к пластическому течению и уплотнению. Практический интерес представляет оценка температурно-временных и силовых параметров, при которых в неизотермических условиях можно получить беспористый материал.

Р и с. 6.10. Кинетика изменения средней температуры заготовки Т (1) и объема жидкой фазы mL (2)

Следуя работам [150, 234], температуру, при которой синтезированный материал сохраняет способность к пластическому течению и уплотнению, будем называть температурой живучести Т _ж, а время охлаждения до температуры Т _ж – временем живучести t _ж. Соответственно длительность цикла обработки давлением остывающих продуктов СВС не должно превышать времени живучести.

Кроме температурно-временных параметров способность материала к пластической деформации зависит от величины напряжений и напряженно-деформированного состояния, поэтому количественную оценку параметров Т _ж и t _ж следует проводить для конкретной схемы деформирования продуктов СВС. Известные теоретические методы оценки Т _ж и t _ж для СВС-прессования используют простейшие одномерные модели процессов теплообмена и пластического деформирования [234]. Так, для оценки теплового режима используется аналитическое решение об охлаждении бесконечного слоя вещества, помещенного в неограниченную среду с граничными условиями четвертого рода. Описание процесса пластического деформирования производится по схеме одностороннего прессования в закрытой матрице без оболочки. Естественно, что эти оценки носят качественный характер. Математические модели процессов теплообмена и пластического деформирования, учитывающие реальное физическое состояние материалов и граничные условия, позволяют более точно оценить искомые температурно-временные и силовые параметры. В дальнейшем под температурой живучести Т _ж будем понимать температуру, при которой для заданных размеров заготовки и оболочки, а также величины давления прессования q заготовка уплотняется до беспористого или близкого к нему состояния. Исходным технологическим параметром является заданное давление прессования q, величина которого определяется усилием пресса и габаритными размерами заготовки и инструмента. Процедура оценки температурно-временных рамок неизотермического процесса СВС-прессования состоит в следующем. Сначала для заданного давления q находится температура живучести материала. Затем по кривой охлаждения заготовки определяются время живучести и соответственно максимально допустимая длительность цикла обработки давлением остывающих продуктов СВС.

Для определения параметров Т _ж и t _ж процесса СВС-прессования кольцевых заготовок из сплава TiB-40% Ti выполнена серия вычислительных экспериментов по изотермическому прессованию с монотонным нагружением. Варьировалась изотермическая температура заготовки Т ₁ и определялось давление q, при котором средняя по объему относительная плотность прессованной заготовки составляет не менее r ₁ = 0, 99. Результаты расчетов приведены на рис. 6.11.

q, МПа

Р и с. 6.11. Влияние температуры на расчетное давление прессования заготовок до относительной плотности r 1 = 0, 99

Как и следовало ожидать, с уменьшением температуры Т ₁ увеличивается величина давления q, необходимая для получения беспористого материала. Вместе с тем следует отметить ряд особенностей на кривой q (Т _ж). Во-первых, при температуре Т _ж ³ 1700 ^оС беспористый материал получается при одном и том же давлении прессования, равном q» 33 МПа. Этот результат следует связать с твердожидким состоянием уплотняемого материала заготовки. Вязкость жидкой фазы на несколько порядков меньше вязкости твердого тела, и сопротивление деформации твердожидкого тела определяется реологией и количеством твердой фазы. Дисперсное твердожидкое тело становится механически устойчивым к внешнему силовому воздействию, если объемная доля твердой фазы r_S будет равна насыпной относительной плотности r_{S Н}. Если r_S £ r_{S Н}, то твердая фаза находится во взвешенном состоянии и материал не оказывает сопротивления деформации. При температурах Т ³ Т _эвт = 1677 ^оС объемная доля жидкой фазы m_L в сплаве TiB-40% Ti составляет m_L ³ 0, 46. Согласно зависимости (6.11) объемная доля твердой фазы r_S при уплотнении сплава от начального состояния с r ₁₀ = 0, 55 до беспористого состояния с r ₁ = 1 находится в пределах r_S = 0, 3 - 0, 54. Это меньше или незначительно больше, чем теоретическая насыпная относительная плотность, которая для монодисперсных сферических частиц равна r_{S Н} = 0, 53. Частицы твердой фазы изолированы расплавом от контакта друг с другом, и материал заготовки не оказывает сопротивления деформации в течение всего процесса прессования, поэтому при Т ³ Т _эвт величина давления q полностью определяется механическими свойствами оболочки и не зависит от свойств заготовки. При температурах Т < Т _эвт объема расплава недостаточно, чтобы исключить контактное взаимодействие и деформирование частиц твердой фазы, поэтому с уменьшением температуры и количества расплава увеличиваются объем пластически деформируемой твердой фазы и расчетное давление прессования q. При температуре, меньшей, чем температура полной кристаллизации Т _кр = Т _эвт - 50 ^оС, жидкой фазы нет, и отмечается резкое увеличение давления q с уменьшением температуры. Практический опыт СВС-прессования подтверждает, что при давлениях прессования q = 200-250 МПа необходимым условием получения высокоплотного материала на основе тугоплавких соединений является наличие в нем жидкой фазы. Для рассматриваемого варианта максимальное давление составляет q = 225 МПа. Из диаграммы q - Т ₁ можно получить значение Т _ж» 1630 ^оС и из зависимости «Т (t) – допустимое время цикла нагружения» – t _ж» 20 с. Этот результат хорошо согласуется с длительностью цикла ступенчатого нагружения в экспериментах.

Наряду с плотностью материала качество СВС-прессованного изделия определяется его размерной точностью. На рис. 6.12 приведена расчетная форма сечения кольцевой заготовки.

	r1 =75, 4 мм 20, 8
R2 =111, 8 мм   Р и с. 6.12. Форма сечения спрессованной кольцевой заготовки

Опорные и боковые поверхности заготовки имеют вогнутую форму в виде кратера с плоским дном. В среднем сечении внутренний радиус прессованной заготовки составляет r ₁ = 75, 4 мм и увеличился по сравнению с начальным размером r ₁ = 74 мм на 1, 4 мм; наружный радиус, наоборот, уменьшился с R ₂ = 113 мм до R ₂ = 111, 8 мм. Одной из причин искажения формы является неоднородность температурного поля, которое формируется в заготовке. Температура объемов, расположенных по периметру заготовки вблизи границ контактного теплообмена с оболочкой, на 50-100 ^оС меньше температуры центральных объемов. Наиболее ² холодными² являются объемы, находящиеся в окрестности ребер заготовки. При прессовании ² холодные² объемы деформируются и уплотняются в меньшей степени, чем горячие, и происходит искажение формы заготовки. Кроме температурного фактора неоднородное деформирование при СВС-прессовании связано с различием реологических свойств заготовки и оболочки. В частности, в разд. 5 и работах [162, 163] показано, что поверхность заготовки становится вогнутой, если сопротивление деформации продуктов синтеза меньше, чем прочность материала оболочки.

Разработанная математическая модель позволила получить количественные оценки закономерностей уплотнения и формообразования крупногабаритных кольцевых изделий и может быть использована для прогнозирования конечных свойств материала и оптимизации технологических режимов процесса.

В заключение сформулируем в концентрированной форме основные результаты исследований, выполненных в этом разделе, и некоторые рекомендации.

1. Выполненное экспериментальное и расчетное исследование влияния временных параметров на закономерности уплотнения и формообразования круглых пластин показало, что при минимально необходимых временах цикла прессования неизотермическая и изотермическая модели пластического деформирования процесса СВС-прессования круглых пластин в песчаной оболочке дают практически одинаковые результаты расчета формы и плотности заготовки. Слабая зависимость физико-геометрических свойств круглых заготовок от температурного режима обусловлена одномерным теплообменом на боковой поверхности и несущественным различием температуры периферийных объемов в неизотермической и изотермической моделях. В квадратных или прямоугольных заготовках двумерный теплообмен и охлаждение ребер на боковой поверхности приводят к сильному искажению формы спрессованной заготовки. Применение шихтовой заготовки с фасками на боковых ребрах позволяет за счет уменьшения площади теплоотводящей поверхности и скорости охлаждения ребер значительно повысить размерную точность спрессованной заготовки.

2. Неизотермическая и изотермическая математические модели достаточно хорошо описывают процесс формообразования заготовки, но завышают уровень плотности. Такое расхождение вызвано образованием усадочной пористости во внутренних объемах заготовки при кристаллизации расплава. Этот процесс в рамках принятых моделей не описывается.

3. Расчетами и экспериментальными исследованиями подтверждено, что плотность заготовок возрастает пропорционально температуре начала деформирования продуктов синтеза. Для получения максимальной степени уплотнения синтезированного материала необходимо использовать технологический цикл с минимальным временем задержки прессования.

4. Показано, что вязкое течение и уплотнение горячих продуктов СВС на стадии выдержки при постоянном давлении прессования происходит при условии пластической деформации оболочки и прекращается, когда оболочка вследствие упрочнения переходит в упругое состояние. Согласно результатам расчетов и экспериментов время перехода оболочки из пластического состояния в упругое состояние составляет 1-2 с, и дальнейшая выдержка под давлением не приводит к заметному уплотнению заготовки.

5. Выполнена расчетная оценка температурно-временных и силовых параметров, при которых в неизотермических условиях можно получить практически беспористую крупногабаритную кольцевую заготовку из сплава TiB-40% Ti. Показано, что для реальных давлений прессования 200-250 МПа необходимым условием получения высокоплотного материала на основе тугоплавких соединений является наличие в нем жидкой фазы. Соответственно температура деформации должна быть выше эвтектической температуры синтезированного сплава.