Сравнительное исследование горячей радиально-сдвиговой прокатки заготовок из сверхупругого сплава сиcтемы Ti–Zr–Nb и серийного сплава ВТ6 методом QForm-моделирования

В программе конечно-элементного моделирования QForm выполнено сравнительное исследование горячей радиально-сдвиговой прокатки (РСП) заготовок из сверхупругого сплава сиcтемы Ti–Zr–Nb и серийного сплава ВТ6. Для каждого сплава исследована прокатка по 48 вариантам режимов с варьированием угла подачи и коэффициента вытяжки на 4 уровнях и начальной температуры процесса на 3 уровнях. Реология сплава Ti–Zr–Nb при горячей деформации определена экспериментально методом горячей осадки и импортирована в программу QForm. Выявлено наличие максимумов на кривых течения в начальной стадии деформации, которые отсутствуют у сплава ВТ6. Результаты моделирования представлены в виде полей коэффициента жесткости, интенсивности скорости деформации и степени накопленной деформации в сечении максимального обжатия в зависимости от режима прокатки. Общие закономерности поведения сплавов Ti–Zr–Nb и ВТ6 при РСП имеют сходный характер. С повышением угла подачи и коэффициента вытяжки градиентность исследуемых полей снижается, а усилие и момент прокатки увеличиваются. Температура в начале прокатки не оказывает особого влияния на картину деформации, но существенно влияет на усилие и момент. При этом выявлена бóльшая склонность экспериментального сплава к локализации деформирующих усилий в приконтактной зоне и повышению градиента параметров напряженно-деформированного состояния по сечению заготовки. Исследование формы и глубины утяжки торцев прокатанной заготовки показало, что у сплава Ti–Zr– Nb глубина утяжки больше на 3,5–9,6 %. Показано, что для прокатки опытного сплава требуются усилия и момент прокатки в 1,6–2,4 раза выше, чем для серийного сплава.

1. Fu J., Yamamoto A., Kim H.Y., Hosoda H., Miyazaki S. Novel Ti-base superelastic alloys with large recovery strain and excellent biocompatibility. Acta Biomater. 2015. Vol. 17. P. 56—67.

2. Wang B.L., Li L., Zheng Y.F. In vitro cytotoxicity and hemocompatibility studies of Ti—Nb, Ti—Nb—Zr and Ti—Nb—Hf biomedical shape memory alloys. Biomed. Mater. 2010. Vol. 5. Р. 044102.

3. Солдатенко А.С., Карачевцева М.А., Шереметьев В.А., Кудряшова А.А., Архипова А.Ю., Андреев В.А., Прокошкин С.Д., Браиловский В., Мойсенович М.М., Шайтан К.В. Особенности взаимодействия in vitro остеобластоподобных клеток MG63 с поверхностью сплавов системы Ti—Zr—Nb, обладающих памятью формы. Вестник Московского ун-та. Сер. 16. Биология. 2019. Т. 74. No. 4. С. 313—320.

4. Sheremetyev V., Brailovski V., Prokoshkin S., Inaekyan K., Dubinskiy S. Functional fatigue behavior of superelastic beta Ti—22Nb—6Zr (at.%) alloy for load-bearing biomedical applications. Mater. Sci. Eng. C. 2016. Vol. 58. P. 935—944.

5. Prokoshkin S., Brailovski V., Dubinskiy S., Zhukova Y., Sheremetyev V., Konopatsky A., Inaekyan K. Manufacturing, structure control and functional testing of Ti—Nb-based SMA for medical application. Shape Memory and Superelasticity. 2016. Vol. 2. Iss. 2. P. 130—144.

6. Kudryashova A., Sheremetyev V., Lukashevich K., Cheverikin V., Inaekyan K., Galkin S., Prokoshkin S., Brailovski V. Effect of a combined thermomechanical treatment on the microstructure, texture and superelastic properties of Ti—18Zr—14Nb alloy for orthopedic implants. J. Alloys Compd. 2020. Vol. 843. Art. 156066. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.156066.

7. Sheremetyev V., Kudryashova A., Cheverikin V., Korotitskiy A., Galkin S., Prokoshkin S., Brailovski V. Hot radial shear rolling and rotary forging of metastable beta Ti—18Zr—14Nb (at.%) alloy for bone implants: Microstructure, texture and functional properties. J. Alloys Compd. 2019. Vol. 800. P. 320—326.

8. Hadasik E., Kuziak R., Kawalla R., Adamczyk M., Pietrzyk M. Rheological model for simulation of hot rolling of new generation steel strips for automotive applications. Steel Res. Inter. 2006. Vol. 77. P. 927—933.

9. Суан Та Динь, Шереметьев В.А., Кудряшова А.А., Галкин С.П., Андреев В.А., Прокошкин С.Д., Браиловский В. Влияние комбинации радиально-сдвиговой прокатки и ротационной ковки на напряженно-деформированное состояние прутковой заготовки малого диаметра из титановых сплавов. Известия вузов. Цветная металлургия. 2020. No. 2. С. 22—31.

10. Потапов И.Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1990.

11. Potapov I.N., Polukhin P.I. Helical Rolling Technology. Moscow: Metallurgiya, 1990 (In Russ.).

12. Целиков А.И., Барбарич М.В., Васильчиков М.В., Грановский С.П., Жукевич-Стоша Е.А. Специальные прокатные станы. М.: Металлургия, 1971.

13. Romantsev B., Goncharuk A., Aleshchenko A., Gamin Y., Mintakhanov M. Development of multipass skew rolling technology for stainless steel and alloy pipes’ production. IJAMT. 2018. Vol. 97. Iss. 9-12. P. 3223—3230.

14. Шаталов Р.Л., Медведев В.А., Загоскин Е.Е. Определение механических свойств стальных тонкостенных сосудов по твердости после горячей винтовой прокатки с последующей штамповкой и закалкой. Черные металлы. 2019. No. 7. С. 36—40.

15. Галкин С.П. Теория и технология стационарной винтовой прокатки заготовок и прутков из малопластичных сталей и сплавов: Автореф. дис. … докт. техн. наук. М.: МИСиС, 1998.

16. Галкин С.П. Траектории движения деформируемого металла как основа управления процессами радиально-сдвиговой и винтовой прокатки. Сталь. 2004. No. 7. С. 70—72.

17. Галкин С.П., Романцев Б.А., Харитонов Е.А. Реализация инновационного потенциала универсального способа радиально-сдвиговой прокатки. Черные металлы. 2015. No. 1 (997). С. 23—28.

18. Карпов Б.В., Патрин П.В., Галкин С.П., Харитонов Е.А., Карпов И.Б. Радиально-сдвиговая прокатка прутков титанового сплава ВТ-8 с регламентированной структурой из слитков малого диаметра (не более 200 мм). Металлург. 2017. No. 10. C. 54—59.

19. Dobatkin S., Galkin S., Estrin Y., Serebryany V., Diez M., Martynenko N., Lukyanova E., Perezhogin V. Grain refinement, texture, and mechanical properties of a magnesium alloy after radial-shear rolling. J. Alloys Compd. 2019. Vol. 774. P. 969—979.

20. Akopyan T., Aleshchenko A.S., Belov N.A., Galkin S.P. Effect of radial-shear rolling on the formation of structure and mechanical properties of Al—Ni and Al—Ca aluminummatrix composite alloys of eutectic type. Phys. Met. Metallograph. 2018. Vol. 119. Iss. 3. P. 241—250.

21. Akopyan T.K., Belov N.A., Aleshchenko A.S. Galkin S.P., Gamin Y.V., Gorshenkov M.V., Cheverikin V.V., Shurkin P.K. Formation of the gradient microstructure of a new Al alloy based on the Al—Zn—Mg—Fe—Ni system processed by radial-shear rolling. Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 746. P. 134—144.

22. Шереметьев В.А., Кудряшова А.А., Суан Та Динь, Галкин С.П., Прокошкин С.Д., Браиловский В. Перспективная технология получения прутков из сверхупругого сплава Ti—Zr—Nb медицинского назначения на основе сочетания радиально-сдвиговой прокатки и ротационной ковки. Металлург. 2019. No. 1. C. 45—52.

23. Галкин С.П., Романцев Б.А., Та Динь Суан, Гамин Ю.В. Ресурсосберегающая технология производства круглого сортового проката из бывших в употреблении осей подвижного железнодорожного состава. Черные металлы. 2018. No. 4. C. 21—27.

24. Шереметьев В.А., Кудряшова А.А., Галкин С.П., Прокошкин С.Д., Браиловский В.И. Способ получения прутков из сверхупругих сплавов системы титан—цирконий—ниобий: Пат. 2692003 (РФ). 2019.

25. Скрипаленко М.М., Романцев Б.А., Галкин С.П., Скрипаленко М.Н., Капуткина Л.М., Чан Ба Хюи. Прогнозирование разрушения металла при винтовой прокатке в двухвалковом стане. Металлург. 2017. No. 11. C. 11—18.

26. Naizabekov A., Lezhnev S., Arbuz A., Panin E. Computer simulation of the combined process «helical rolling— pressing». Key Eng. Mater. 2016. Vol. 716. P. 614—619.

27. Akopyan T.K., Gamin Y.V., Galkin S.P., Prosviryakov A.S., Aleshchenko A.S., Noshin M.A., Koshmin A.N., Fomin A.V. Radial-shear rolling of high-strength aluminum alloys: Finite element simulation and analysis of microstructure and mechanical properties. Mater. Sci. Eng. 2020. Vol. 786. Р. 139424.

28. Скрипаленко М.М., Галкин С.П., Хе Чже Сун, Романцев Б.А., Чан Ба Хюи, Скрипаленко М.Н., Капуткина Л.М., Сидоров А.А. Прогнозирование вероятного разрушения при радиально-сдвиговой прокатке непрерывнолитых медных заготовок на основе компьютерного моделирования. Металлург. 2018. No. 9. C. 7—12.

29. QuantorForm2019. URL: https://qform3d.com (accessed: 01.08.2020).

30. Власов А.В., Стебунов С.А., Евсюков С.А., Биба Н.В., Шитиков А.А. Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки: Уч. пос. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Е. Бау- мана, 2019.

31. Vlasov A.V., Stebunov S.A., Evsyukov S.A., Biba N.V., Shitikov A.A. Finite-element modeling of technological processes of forging and forging: a tutorial. Moscow: MGTU im. N.E. Baumana, 2019 (In Russ.).