При СВС-прессовании круглых пластин

Для цельности дальнейшего изложения еще раз напомним, что технологический цикл процесса СВС-прессования состоит из четырех основных стадий: синтез в режиме горения, задержка, прессование и выдержка при постоянном давлении прессования. На стадии горения в результате химических реакций холодная шихта превращается в горячие продукты синтеза. При горении происходит теплообмен уже образовавшихся и вновь образующихся продуктов СВС с окружающей средой. После завершения синтеза во всем объеме заготовки следует временная пауза (задержка), связанная с временем срабатывания исполнительной системы пресса или протеканием процессов дореагирования. После завершения стадий горения и задержки осуществляется прессование продуктов синтеза совместно с оболочкой. На стадии прессования продолжается теплообмен, приводящий к охлаждению продуктов синтеза и нагреву оболочки. При этом происходит изменение реологических свойств материала заготовки и оболочки. В свою очередь уплотнение материалов приводит к изменению их теплофизических свойств. Цикл прессования заканчивается выдержкой при постоянном давлении прессования в течение заданного времени.

Таким образом, математическая модель процесса СВС-прессования должна содержать математическое описание процесса теплообмена на стадиях синтеза и задержки, а также процесса неизотермического пластического деформирования на стадиях прессования и выдержки под давлением. Математическая модель теплообмена на стадиях синтеза и задержки рассмотрена в разд. 2. В разд. 4 описана математическая модель изотермического пластического деформирования при СВС-прессовании. Обе модели представляют собой постановку и решение методом конечных элементов нестационарных краевых задач теплообмена и пластического деформирования с шагами по временной координате. Путем объединения двух решений было получено решение краевой задачи неизотермического пластического деформирования.

Здесь следует отметить, что процессы теплообмена и пластического деформирования различаются количеством рассматриваемых объектов. В теплообмене участвуют три тела конечных размеров – заготовка, оболочка и инструмент. Пластической деформации подвергаются два тела – заготовка и оболочка. Соответственно отличаются топологические характеристики конечно-элементных сеток при решении тепловой и механической задач. Были разработаны алгоритм и программный модуль взаимной привязки топологических характеристик для рассматриваемых сеток. При решении неизотермической задачи использовались размеры сетки, соответствующие задаче нестационарного теплообмена, так как они меньше размеров сетки для задачи изотермического пластического деформирования. Величина временного шага принималась равной шагу по времени задачи изотермического пластического течения.

При неизотермическом процессе в пределах каждого временного шага решения задачи пластического течения выполняется шаг решения задачи нестационарного теплообмена. Затем производится расчет зависящих от температуры реологических характеристик и зависящих от плотности теплофизических свойств. Полученные значения являются начальными для следующего временного шага решения.

В качестве деформируемых продуктов синтеза рассматривался твердый сплав состава TiC-35% Ni, образующийся при горении системы Ti-С-35% Ni. Температура горения составляет Т _г = 2090 ^оС [11] и превосходит эвтектическую температуру системы TiC-Ni, равную Т _эвт = 1280 ^оС [40]. Соответственно продукты синтеза представляют собой двухкомпонентную смесь твердых частиц карбида титана и карбидоникелевого расплава. Методика и результаты расчета теплофизических свойств пористых гетерогенных продуктов СВС системы Ti-C-Ni в зависимости от их фазового состава и плотности были рассмотрены в разд. 2. Там же приведены соотношения, связывающие теплофизические свойства песка с его плотностью. Напомним, что практическое равенство результатов решения физически линейной и нелинейной задач нестационарной теплопроводности для реальных значений временных параметров позволяет не учитывать зависимость от температуры теплофизических свойств продуктов синтеза и песчаной оболочки.

Сопротивление деформации твердожидких продуктов синтеза определяется объемной долей твердой фазы, которой в сплавах системы TiC-Ni является карбид титана. Реологические константы для карбида титана и их зависимость от температуры рассмотрены в разд. 4. Напомним, что объемная доля твердой фазы r_S в пористом твердожидком теле связана с относительной плотностью r пористого и объемной долей расплава m_L соотношением

r_S = r (1 – m_L). (6.1)

Согласно результатам расчета, выполненного в разд. 2, изменение объема расплава m_L при охлаждении сплава TiС-35% Ni от температуры горения до эвтектической температуры можно аппроксимировать следующей линейной зависимостью:

m_L (Т) = 2, 17× 10^-4 Т - 0, 015. (6.2)

Влияние температуры деформации на механические свойства песка рассмотрено в разд. 4. В целом, приведенных ранее эмпирических данных и расчетных зависимостей для вычисления теплофизических и механических свойств продуктов СВС и песчаной оболочки достаточно для количественного описания процесса неизотермического деформирования.

Теоретические и экспериментальные исследования проводились при СВС-прессовании круглых заготовок из сплава TiC-35% Ni при следующих технологических параметрах: радиус заготовки R ₁ = 39 мм; радиус пресс-формы R ₂ = 62, 5 мм; высота шихтового брикета
h ₁ = 13 мм; начальная относительная плотность продуктов СВС
r ₁₀ = 0, 5; толщина нижнего слоя оболочки – 5 мм; верхнего – 15 мм; скорость перемещения пуансона v ₀ = 8 мм/c. Здесь и в дальнейшем характеристики, относящиеся к заготовке, будут иметь индекс 1, к оболочке – индекс 2 и к инструменту – индекс 3. Для каждой экспериментальной точки испытывали 3 образца. Эмпирическую среднюю плотность синтезированной заготовки определяли методом гидростатического взвешивания.

Неизотермическая модель позволяет включить в набор исследуемых параметров время задержки t _з и время выдержки t _в, которые определяют температурный режим деформирования. При рассмотрении временных параметров процесса СВС-прессования необходимо учесть динамические характеристики пресса. Экспериментальные исследования проводились на гидравлическом прессе Д-1932. Время срабатывания исполнительной системы пресса составляет ~ 0, 5 с. Соответственно при точном учете временных параметров в связи с инерцией срабатывания пресса всегда происходит выдержка под давлением в течение времени t _во» 0, 5 с. Это обстоятельство не было учтено в изотермической модели, рассмотренной в разд. 5. Ниже рассматривается вопрос о степени влияния на закономерности уплотнения времени срабатывания пресса t _во. Кроме того, выполняется сравнительный анализ двух математических моделей процесса СВС-прессования: неизотермической и изотермической. В случае изотермической модели заготовка считается равномерно нагретой до температуры Т ₁; песчаная оболочка имеет комнатную температуру. Значение изотермической температуры Т ₁, равное Т ₁ = 1910 ^оС, было получено путем осреднения по объему расчетного поля температур в центральной части заготовки с режимом внутреннего охлаждения при времени задержки t _з = 0, 5 с. Отметим, что для изотермической модели средняя температура Т ₁ = 1910 ^оС больше эвтектической
Т _эвт = 1280 ^оС и продукты синтеза содержат жидкую фазу.

На рис. 6.1 представлены результаты расчета толщины центральной части h ₁ и средней относительной плотности r ₁ заготовки в зависимости от давления прессования q для изотермической и неизотермической моделей без учета времени t _во (рис. 6.1, а) и с учетом времени t _во (рис. 6.1, б). Время задержки составляло t _з = 0, 5 с. Как следует из приведенных данных, расчет по неизотермической модели показывает меньшую степень уплотнения, чем расчет по изотермической модели: кривые h ₁(q) располагаются выше, а кривые r₁(q) – ниже соответствующих кривых для изотермической модели. Изложенное относится к обоим вариантам задания времени t _во.

а

б

Р и с. 6.1. Изменение толщины h 1 (1, 2) и относительной плотности r 1 (3, 4) заготовки при расчете без учета времени t во (а) и с учетом времени t во (б): 1, 3 – неизотермическая модель; 2, 4 – изотермическая модель; ·, о – экспериментальные данные

В целом расчетные значения высоты h ₁ по обеим моделям теплового режима практически одинаковы и хорошо соответствуют экспериментальным данным.

Этот результат следовало ожидать, так как температурное поле в большей части заготовки близко к однородному и незначительно изменяется при кратковременной задержке и выдержке (рис. 6.2). Кроме того, глубина прогрева оболочки до температуры начала разупрочнения песка Т _р = 1000 ^оС составляет не более 2 мм, и можно считать, что основная масса песчаной оболочки сохраняет комнатную температуру (рис. 6.3). Соответственно тепловой режим оказывает несущественное влияние на процесс деформирования и уплотнения при минимальных значениях времен задержки и выдержки.

Менее точным, чем расчет геометрической характеристики h ₁, является расчет относительной плотности заготовки r ₁. Причем расчет по приближенному варианту при t _во = 0 показывает лучшее соответствие экспериментальным данным, чем расчет по более точному варианту с t _во = 0, 5 с.

Таким образом, получено достаточно хорошее соответствие расчета с экспериментом по геометрической характеристике h ₁, но по уровню плотности расчетная величина r ₁ оказалась больше экспериментальной. Это расхождение, по мнению авторов, связано с образованием усадочной пористости в центральной зоне заготовки в процессе охлаждения и кристаллизации жидкой фазы. Известно, что материал в расплавленном состоянии имеет больший объем, чем в твердом, и при кристаллизации сокращается в объеме. При охлаждении поверхностные объемы тела охлаждаются и затвердевают быстрее, чем его центральная часть, и препятствуют усадке расплава во внутренних объемах заготовки. В результате внутренние объемы после кристаллизации получаются пористыми, поэтому причина несоответствия расчетных и экспериментальных данных по уровню плотности состоит в том, что рассматриваются два различных физических состояния материала. Расчетная модель оперирует с горячим твердожидким материалом, имеющим практически нулевую пористость. Экспериментальные данные получены для холодного материала после кристаллизации жидкой фазы и образования усадочной пористости.

z, мм а

б

Р и с. 6.2. Распределение температуры по высоте при r = 0 (а) и радиусу при z = h 1/2 (б) заготовки: 1 – момент окончания горения; 2 – момент окончания прессования; 3 – после выдержки в течение t в = 10 с

Образование пористости в центральных объемах СВС-пресованных заготовок в виде пластин отмечается, например, в работе [133], причем пористость достаточно велика и может достигать 10%, что соответствует относительной плотности 0, 9. Эффект образования усадочной пористости в рамках принятой математической модели не описывается, что и является причиной расхождения результатов расчета и эксперимента по уровню плотности спрессованных заготовок.

Р и с. 6.3. Изменение температуры Т (1, 2) в средней части заготовки (z = h 1/2) и эффективного предела прочности песка t b (3) вдоль радиуса матрицы r: 1, 3 – неизотермическая модель; 2 – изотермическая модель

Отмеченные выше соотношения между расчетными и экспериментальными данными получены и при исследовании влияния времени выдержки на характер изменения высоты h ₁ и относительной плотности r ₁ (рис. 6.4). Здесь также наблюдается хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных для зависимости h ₁(t _в), но расчет показывает более высокое значение относительной плотности r ₁, чем получено в эксперименте. Из приведенных данных видно, что время выдержки практически не влияет на плотность заготовки при высоком (q = 120 МПа) уровне давления прессования: за время 10 с увеличение плотности составляет не более 5%. Отметим, что независимо от величины давления q наибольший прирост плотности происходит в течение первой секунды выдержки. Затем скорость уплотнения резко уменьшается, и при t _в > 2 с уплотнения практически не происходит. Расчеты показали, что средняя температура заготовки Т ₁ за время t _в = 2 с снижается всего на 20⁰. Такое охлаждение не может привести к резкому увеличению сопротивления деформации и замедлению процесса уплотнения продуктов синтеза. Здесь следует рассмотреть реологические свойства деформируемых материалов.

а

б

Р и с. 6.4. Изменение высоты h 1 (а) и относительной плотности r 1 (б) заготовки в зависимости от времени выдержки: 1 – q = 40 МПа; 2 – q = 80 МПа; 3 – q = 120 МПа; значки – экспериментальные данные

При действии постоянного напряжения может деформироваться и уплотняться реономный (вязкий) материал, которым являются продукты синтеза. Пластическое деформирование склерономного (жесткопластического) материала оболочки происходит только при выполнении условия пластичности. Соответственно заготовка и оболочка образуют своеобразное вязкопластическое тело Шведова-Бингама, в котором роль вязкого элемента выполняет заготовки, а пластического – оболочка.

Течение вязкопластических материалов носит пороговый характер и в одномерном случае прекращается тогда, когда действующие напряжения становятся меньше предела текучести. Поэтому вязкое течение и уплотнение заготовки на стадии выдержки будет происходить до тех пор, пока будет пластически деформироваться оболочка в целом или ее локальные объемы. В момент окончания процесса активного прессования с кинематическими граничными условиями на пуансоне и начала выдержки со статическими граничными условиями на пуансоне в заготовке и оболочке действует поле напряжений, которое удовлетворяет условиям равновесия, граничным условиям и условию пластичности. Вязкое течение продуктов СВС приводит к перераспределению поля напряжений внутри заготовки и оболочки. Это перераспределение сопровождается пластическим течением, уплотнением и упрочнением оболочки. Вследствие упрочнения локальные объемы оболочки постепенно переходят из пластического в упругое состояние и препятствуют вязкому течению продуктов синтеза. Когда в упругое состояние переходит вся оболочка, то процесс вязкого течения заготовки завершается. Расчеты показывают (рис. 6.4), что процесс перехода оболочки из пластического состояния в упругое занимает не более 2 с. При нагреве оболочки предел текучести в локальных объемах уменьшается; они переходят в пластическое состояние, и это сопровождается вязким течением и уплотнением заготовки.

Результаты исследований и данные работ [102, 133] свидетельствуют, что время выдержки свыше 2 с при изначально высокоплотном материале (r > 0, 9) практически не влияет на конечную плотность. Однако с увеличением времени выдержки отмечается повышение эксплуатационных свойств сложнолегированных сплавов [133]. Этот эффект авторы работы [133] связывают с изменением тонкой структуры в синтезированном материале и протеканием фазовых превращений, контролируемых диффузией.

Время задержки прессования t _з определяет тепловой режим начала пластической деформации и уплотнения продуктов СВС. Выполненные расчеты и эксперимент показали, что с ростом времени t _з происходит уменьшение относительной плотности r ₁ заготовки (табл. 6.1). Снижение уплотняемости следует связать с уменьшением температуры начала деформирования Т ₁ (см. табл. 6.1) и повышением сопротивления деформации в результате охлаждения продуктов синтеза. Негативное влияние увеличения времени задержки t _з на плотность спрессованных продуктов СВС экспериментально установлено и в работах [102, 133, 290]. Таким образом, для получения материала с наивысшей плотностью деформирование необходимо начинать при более высокой температуре с минимальным временем задержки t _з. Напомним, что в силу инерции исполнительной системы пресса Д-1936 минимальное время t _з составляет t _з» 0, 5 с.

Т а б л и ц а 6.1