ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия

Ю. Н. Логинов, профессор кафедры обработки металлов давлением (ОМД); эл. почта: j.n.loginov@urfu.ru
А. Ю. Постыляков, доцент кафедры ОМД
Ю. В. Инатович, доцент кафедры ОМД

Выполнено моделирование процесса прокатки заготовки из титанового сплава с использованием специализированного модуля Shape Rolling системы конечно-элементного анализа DEFORM в изотермической и неизотермической постановках. Первый вариант предполагает постоянство температуры заготовки, второй — расчет напряженно-деформированного состояния с учетом изменения температурного поля. Приведено распределение температур прокатываемой заготовки для стационарной стадии процесса. Температурное поле заготовки является неоднородным преимущественно по отношению к ее приповерхностным слоям, которые непрерывно охлаждаются в течение всего времени контакта с валками. Выявлены области деформационного разогрева на стыке контактной и свободной поверхностей. При этом зоны разогрева существуют рядом с зонами захолаживания, что должно создавать большие градиенты деформаций. Показано распределение степени деформации и скорости деформации в плоскости выхода заготовки из валков. Общая особенность поля деформации состоит в наличии менее проработанной центральной области заготовки, где степень деформации находится на уровне 0,26–0,35, и наличии периферийных локальных участков, где степень деформации составляет 0,44–0,53, т. е. на 50–70 % выше. Неизотермическая постановка приводит к большим значениям скорости деформации, чем изотермическая постановка. Приведены графики изменения интенсивности напряжений вдоль траекторий движения частиц металла. Вид графиков объяснен особенностями формирования круглого сечения из заготовки овального сечения. Практическая значимость выполненной работы заключается в выявлении близко расположенных зон локального нагрева и локального охлаждения металла на выходе из очага деформации, на стыке которых возможно появление трещин. Повышение коэффициента вытяжки в процессе прокатки может привести к перегреву в указанных областях с переводом металла из двух- в однофазное состояние с проявлением в последующем эффекта разнозернистости. Расчеты показали, что горячая прокатка титанового сплава по системе овал – круг при коэффициенте вытяжки 1,2 сопровождается появлением близко расположенных зон охлаждения от теплопередачи валкам и зон нагрева от тепла деформации. Выявлено, что повышение температуры от тепла деформации составляет всего 16 ^оC, и сделан прогноз о возможном значительном ее увеличении при повышении коэффициента вытяжки. При заданном коэффициенте вытяжки общая картина распределения степени деформации и характеристик напряженного состояния мало зависит от учета степени изотермичности процесса. Однако картина распределения скорости деформации показывает существенное различие в местах стыка зон подстуживания и деформационного нагрева, что может привести к появлению трещин.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке постановления № 211 Правительства Российской Федерации, контракт № 02.A03.21.0006.

1. Логинов Ю. Н., Постыляков А. Ю., Инатович Ю. В. Напряженно-деформированное состояние медной полосы при прокатке в прямоугольном калибре // Цветные металлы. 2015. № 11. С. 72–75. DOI: 10.17580/tsm.2015.11.13
2. Инатович Ю. В., Логинов Ю. Н., Постыляков А. Ю. Адаптация алгоритма расчета формоизменения металла при прокатке медной катанки // Производство проката. 2014. № 5. С. 16–21.
3. Guo L., Zhu Y., Kong H., Yuan M., Wu F. Isothermal forging process of titanium alloy complex components // Chinese Journal of Rare Metals. 2012. Vol. 36, Iss. 3. P. 357–362. DOI: 10.3969/j.issn.0258-7076.2012.03.004

4. Lu B., Wang L., Geng Z., Huang Y. Determination of interfacial heat transfer coefficient for TC11 titanium alloy hot forging // Heat and Mass Transfer/Waerme- und Stoffuebertragung. 2017. Vol. 53, Iss. 10. P. 3049–3058. DOI: 10.1007/s00231-017-2032-5
5. Дубинский Ф. С., Дукмасов В. Г., Выдрин А. В., Душин В. С., Соседкова М. А., Коробщиков В. Г. Новые технологии и оборудование для производства сортовых профилей и катанки из сплавов титана // Титан. 2008. № 1 (22). С. 66, 67.

6. Prasad Y. V. R. K., Rao K. P., Sasidhara S. Hot working guide: a compendium of processing maps. — Ohio : ASM International, 2016. — 638 p.
7. Пелецкий В. Э., Чеховской В. Я., Бельская Э. А. и др. Теплофизические свойства титана и его сплавов : справочное издание. — М. : Металлургия, 1985. — 103 с.
8. Moiseyev V. N. Titanium Alloys: Russian Aircraft and Aerospace Applications. — CRC Press, Taylor & Francis Group : 2006. — 216 p.
9. Mirahmadi S. J., Hamedi M. Numerical and experimental investigation of process parameters in non-isothermal forward extrusion of Ti – 6 Al – 4 V // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Vol. 75, Iss. 1-4. P. 33–44. DOI: 10.1007/s00170-014-6108-9
10. Zhu Y., Zeng W., Ma X., Tai Q., Li Zh., Li X. Determination of the friction factor of Ti – 6 Al – 4 V titanium alloy in hot forging by means of ring-compression test using FEM // Tribology International. 2011. Vol. 44. P. 2074–2080. DOI: 10.1016/j.triboint.2011.07.001
11. Sethy R., Galdos L., Mendiguren J., Saenz de Argandona E. Friction and Heat Transfer Coefficient Determination of Titanium Alloys during Hot Forging Conditions // Advanced engineering materials. 2016. Vol. 19, Iss. 6. P. 1600060. DOI: 10.1002/adem.201600060
12. Zhu Y., Zeng W., Ma X., Tai Q., Li Zh., Li X. Determination of the friction factor of Ti – 6Al – 4V titanium alloy in hot forging by means of ring-compression test using FEM // Tribology International. 2011. Vol. 44. P. 2074–2080. DOI: 10.1016/j.triboint.2011.07.001
13. Дубинский Ф. С., Выдрин А. В., Соседкова М. А., Мальцев П. А. Моделирование температурных полей в очаге деформации при прокатке сортовых профилей // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2006. № 10 (65). С. 82–85.
14. Mirahmadi S. J., Hamedi M., Habibi Parsa M. Investigation of microstructural uniformity during isothermal forging of Ti – 6Al – 4V // Journal of Materials Engineering and Performance. 2014. Vol. 23, Iss. 12. P. 4411–44 20. DOI: 10.1007/s11665-014-1221-3