RU2569442C2

RU2569442C2 - Production of powder particle-reinforced materials at dynamic loading

Info

Publication number: RU2569442C2
Application number: RU2014102073/02A
Authority: RU
Inventors: Светлана Евгеньевна Алексенцева; Александр Львович Кривченко
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2015-11-27
Also published as: RU2014102073A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to production of hardened ultrafine materials by processing with high-rate flow of powder particles. Proposed process comprises processing of metal or allot blank by flow of powder particles accelerated by energy of explosive charge blast under conditions of a super deep penetration of particles. Powder particles in capsule are placed under explosive charge. Metal or alloy blank is placed at rolling tooling with forming rolls to make the clearance with capsule. Blank is processed with powder particles flow at dispersion of 1-100 mcm, flow rate of 1.5-3.5 km/s and density of 1 g/cm³ and at pressure of particles collision with the blank of 10-30 GPa. Simultaneously, blank is subjected to plastic deformation at compression in cross-section by extruding the blanks through forming rollers by powder particles flow and energy of explosive charge blast. Said processing is performed on blank face and back.

EFFECT: higher strength of the material.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области получения дисперсно-упрочненных ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов путем обработки высокоскоростным потоком порошковых частиц, сформированным энергией взрыва, в специальной оснастке обеспечивающей интенсивную пластическую деформацию. Полученные данным способом материалы, могут использоваться как конструкционные композиты с повышенными прочностными свойствами, которые достигаются за счет интенсивной пластической деформации, диспергированием микроструктуры материала и насыщения порошковыми частицами в объеме материала.The invention relates to the field of producing dispersion-hardened ultrafine-grained (UFG) materials by processing with a high-speed stream of powder particles formed by the energy of the explosion, in special equipment providing intense plastic deformation. The materials obtained by this method can be used as structural composites with increased strength properties, which are achieved due to intense plastic deformation, dispersion of the microstructure of the material and saturation with powder particles in the bulk of the material.

Аналогом является способ получения наноструктурных металлов при ударно-волновом нагружении [Получение объемных наноструктурных металлов при динамическом нагружении. Е.В. Шорохов. И.Г. Бродова, В.И. Зельдович и др. Труды международной конференции «XI Харитоновские тематические научные чтения», 16-20 марта 2009. - Саров.- с.719-724]. В данном методе образцы металлов (меди M1, алюминиевого сплава B95, титана ВТ1-0) разгонялись с помощью пушки до скорости несколько сот метров в секунду и направлялись в матрицу с пересекающимися под углом 90° каналами. Деформация материала происходила со скоростью 10⁴ -10⁵ с^-1. Давление составляло 3-7 ГПа. Характерное время протекания процесса деформирования составляет от нескольких сот микросекунд до миллисекунды. Начальная скорость нагружения составляла 300 м/с нагретых до 500°C заготовок диаметром 16 мм и длиной 65 мм. Нагрев матрицы обеспечивает пластичность при деформировании и соответственно исключение трещинообразования и разрушения образцов, как при статическом процессе. В результате получены дуплексные структуры, состоящие из смеси малых рекристаллизованных зерен размером 2-3 мкм и деформированных зерен для ВТ1-0. Сплав В-95 приобретает структурные элементы 200-500 нм. Дальнейшее измельчение зерна предполагается после нескольких проходов. Установлено, что при динамическом прессовании существенное измельчение структуры меди (от 100 мкм до 100 нм) достигается уже при 2-4-кратном продавливании образца, тогда как при статическом прессовании необходимо 8-12 проходов.An analogue is a method for producing nanostructured metals under shock-wave loading [Production of bulk nanostructured metals under dynamic loading. E.V. Shorokhov. I.G. Brodova, V.I. Zeldovich and others. Proceedings of the international conference "XI Khariton's thematic scientific readings", March 16-20, 2009. - Sarov.- p. 719-724]. In this method, metal samples (copper M1, aluminum alloy B95, titanium VT1-0) were accelerated with a gun to a speed of several hundred meters per second and sent to a matrix with channels intersecting at an angle of 90 °. The deformation of the material occurred at a speed of 10 ⁴ -10 ⁵ s ^-1 . The pressure was 3-7 GPa. The characteristic time of the process of deformation is from several hundred microseconds to milliseconds. The initial loading speed was 300 m / s of billets heated to 500 ° C with a diameter of 16 mm and a length of 65 mm. The heating of the matrix provides plasticity during deformation and, accordingly, the exclusion of cracking and fracture of the samples, as in a static process. As a result, duplex structures consisting of a mixture of small recrystallized grains of 2-3 μm in size and deformed grains for VT1-0 were obtained. Alloy B-95 acquires structural elements of 200-500 nm. Further grain refinement is expected after several passes. It has been established that in dynamic pressing, a substantial refinement of the copper structure (from 100 μm to 100 nm) is achieved already with a 2–4-fold bursting of the sample, whereas in static pressing, 8–12 passes are necessary.

Данная схема не обеспечивает введение в материал дисперсных упрочняющих элементов, а также предполагает сложную технологическую оснастку.This scheme does not provide the introduction of dispersed reinforcing elements into the material, and also involves complex technological equipment.

Прототипом является способ обработки металлов потоком порошковых частиц в режиме сверхглубокого проникания частиц (СГП частиц) [Ушеренко С.М. Сверхглубокое проникание частиц в преграды и создание композиционных материалов. Минск: НИИ импульсных процессов. - 1998.- с. 30-31]. Метод, реализующий СГП частиц, представляет собой взрывной ускоритель, который формирует поток порошковых частиц и ориентирует его путем фокусирования кумулятивной струи, направляемой на образец металла или сплава. Порошок, предназначенный для обработки материала упрочнением, располагается внутри кумулятивной выемки заряда взрывчатого вещества, что обеспечивает одновременное распространение потока частиц и действие кумулятивной струи. Реализация режимов обработки материалов (давление соударения частиц 10-15 ГПа, дисперсность частиц 10-100 мкм, плотность потока около 1 г/см³, скорость метаемых частиц 1-3 км/с) обеспечивает объемное насыщение металлов и сплавов элементами порошковых частиц на глубины, превышающие более чем на 2 порядка размера порошковых частиц. Проникающие частицы оставляют в материале треки размером около 1 мкм. Упрочняющее действие дает сильнодеформированная и фрагментированная зона вокруг треков проникающих частиц с развитой дислокационной структурой. Свойства материалов в значительной мере изменяются в зависимости от вида порошковых частиц. Так при обработке диборидом титана стали 10 твердость с исходной HV140 возрастает до HV240. Прочность возрастает до 930 МПа, что в 1.4 раза выше исходной.The prototype is a method of processing metals by a stream of powder particles in the regime of ultra-deep penetration of particles (CGP particles) [Usherenko S.M. Ultra-deep penetration of particles into obstacles and the creation of composite materials. Minsk: Research Institute of Impulse Processes. - 1998.- p. 30-31]. A method that implements SHP of particles is an explosive accelerator that forms a stream of powder particles and directs it by focusing a cumulative jet directed at a metal or alloy sample. The powder intended for processing the material by hardening is located inside the cumulative recess of the explosive charge, which ensures the simultaneous propagation of the particle stream and the action of the cumulative jet. The implementation of material processing modes (particle impact pressure of 10-15 GPa, particle size dispersion of 10-100 microns, flux density of about 1 g / cm ³ , speed of propelled particles 1-3 km / s) provides volumetric saturation of metals and alloys with powder particles to depths more than 2 orders of magnitude larger than the size of the powder particles. Penetrating particles leave tracks of about 1 μm in size in the material. The strengthening effect is provided by a strongly deformed and fragmented zone around the tracks of penetrating particles with a developed dislocation structure. The properties of materials vary significantly depending on the type of powder particles. So when treated with titanium steel diboride 10, the hardness with the original HV140 increases to HV240. Strength increases to 930 MPa, which is 1.4 times higher than the original.

Данный способ не обеспечивает дополнительного интенсивного пластического деформирования материала и получения ультрамелкозернистой структуры.This method does not provide additional intensive plastic deformation of the material and obtaining ultrafine-grained structure.

Предлагаемый способ получения дисперсно-упрочненных материалов при динамическом нагружении обеспечивает следующий технический результат: создание композиционных материалов повышенной прочности.The proposed method for producing dispersion-hardened materials under dynamic loading provides the following technical result: the creation of composite materials of increased strength.

Технический результат достигается за счет того, что порошковые частицы в капсуле размещают под зарядом взрывчатого вещества, заготовку из металла или сплава размещают в прокатной оснастке с прокатными роликами с образованием зазора с капсулой, обработку заготовки ведут потоком порошковых частиц дисперсностью 1-100 мкм со скоростью потока 1,5-3,5 км/с и плотностью около 1 г/см³ при давлении соударения частиц с заготовкой 10-30 ГПа с обеспечением одновременной пластической деформации заготовки сжатием в поперечном сечении путем продавливания заготовки через прокатные ролики за счет воздействия потока порошковых частиц и энергии взрыва заряда взрывчатого вещества, при этом указанную обработку проводят с лицевой и обратной поверхности заготовки.The technical result is achieved due to the fact that the powder particles in the capsule are placed under the charge of an explosive, the metal or alloy billet is placed in a rolling tool with rolling rollers to form a gap with the capsule, the workpiece is treated with a stream of powder particles with a particle size of 1-100 microns with a flow rate 1.5-3.5 km / s and a density of about 1 g / cm ³ at a pressure of particle collisions with the workpiece 10-30 GPa ensuring simultaneous plastic deformation of the workpiece cross-sectional contraction by forcing of cooking through rolling rollers by the action of the flow of powder particles and energy of the explosion of the explosive charge, wherein said treatment is carried out with the front and back surfaces of the workpiece.

Метод ударного нагружения потоком порошковых частиц может быть реализован по разным динамическим схемам, в зависимости от типа заряда взрывчатого вещества: обычного и канального [Алексенцева С.Е., Кривченко А.Л. Исследование особенностей обработки металлов и сплавов высокоскоростным потоком дискретных частиц, разогнанных энергией взрыва канальных зарядов и другими динамическими методами. Самара: ГОУВПО "СамГТУ". - Вестник СамГТУ, Серия "Технические науки",2013.- С. 71-78].The method of shock loading with a stream of powder particles can be implemented according to different dynamic schemes, depending on the type of explosive charge: conventional and channel [Aleksentseva S.E., Krivchenko A.L. The study of the processing of metals and alloys by a high-speed stream of discrete particles dispersed by the energy of the explosion of channel charges and other dynamic methods. Samara: GOUVPO "SamSTU". - Bulletin of Samara State Technical University, Series "Technical Sciences", 2013.- S. 71-78].

Предлагаемый способ получения дисперсно-упрочненных ультрамелкозернистых материалов реализует интенсивное пластическое деформирование образца за счет продавливания между роликами в результате воздействия на образец потоком высокоскоростных порошковых частиц, сформированного в ударной волне.The proposed method for producing dispersion-hardened ultrafine-grained materials implements intense plastic deformation of the sample due to punching between the rollers as a result of exposure to the sample by a stream of high-speed powder particles formed in a shock wave.

Схема обработки материалов показана на рисунке. Электродетонатор (1) предназначен для инициирования заряда взрывчатого вещества (2). Возможно использование заряда гексогена насыпной плотности со скоростью детонации 6000 м/с. Капсула с порошковым материалом в тонкой бумажной оболочке (3) размещена непосредственно под зарядом взрывчатого вещества. Заготовка металла (5) располагается в корпусе установки (4) для продавливания через профильные вращающиеся ролики (6).The scheme of material processing is shown in the figure. The electric detonator (1) is designed to initiate an explosive charge (2). It is possible to use a hexogen charge of bulk density with a detonation velocity of 6000 m / s. A capsule with a powder material in a thin paper shell (3) is placed directly under the explosive charge. The metal billet (5) is located in the installation casing (4) for punching through profile rotating rollers (6).

Процесс обработки. После инициирования детонатором (1) заряда ВВ метаемые порошковые частицы формируют поток в ориентирующем канале (4) в воздушном зазоре между капсулой порошка и заготовкой. Совокупным действием давления продуктов детонации и потока порошковых частиц заготовка продавливается через систему профильных вращающихся роликов.Processing process. After the detonator (1) initiates the explosive charge, the throwing powder particles form a flow in the orienting channel (4) in the air gap between the powder capsule and the workpiece. By the combined action of the pressure of the detonation products and the flow of powder particles, the workpiece is pressed through a system of profile rotating rollers.

Нагрев заготовки осуществляется вследствие динамического нагружения материала заготовки потоком частиц. Исходный размер поперечного сечения заготовки уменьшается после продавливания роликами в зависимости от пластичности обрабатываемого материала.The workpiece is heated due to the dynamic loading of the workpiece material by a particle stream. The initial size of the cross section of the workpiece decreases after punching rollers depending on the ductility of the processed material.

Нагружение заготовки потоком порошковых частиц и ее продавливание через систему роликов представляет собой комплексное воздействие на структуру материала заготовки. Постепенное воздействие обжима в роликовой системе достигается за счет их расположения относительно осевой продавливания заготовки. В роликовой оснастке при переходе от ролика к ролику степень поперечной деформации заготовки последовательноLoading a workpiece with a stream of powder particles and forcing it through a system of rollers is a complex effect on the structure of the workpiece material. The gradual effect of crimping in the roller system is achieved due to their location relative to the axial forcing of the workpiece. In roller tooling, when moving from roller to roller, the degree of transverse deformation of the workpiece in series

изменяется, увеличивая степень обжатия на выходе из установки. При этом скорость деформации составляет ~10⁵-10⁶ с^-1. Степень деформации материала лежит в интервале 40-80%.changes, increasing the degree of compression at the outlet of the installation. Moreover, the strain rate is ~ 10 ⁵ -10 ⁶ s ^-1 . The degree of deformation of the material lies in the range of 40-80%.

При продавливании заготовки вдоль роликов в прямом направлении и с обратной стороны формируется более вытянутая текстурированная структура зерен. Наибольшее измельчение зерна достигается при продавливании в прямом, затем в ортогональном исходному направлении, возможно с последующей повторной обработкой с противоположных сторон по каждому направлению обработки.When pressing the workpiece along the rollers in the forward direction and on the reverse side, a more elongated textured grain structure is formed. The greatest grain refinement is achieved by forcing in the direct, then in the orthogonal initial direction, possibly followed by repeated processing from opposite sides in each direction of processing.

Данная схема обработки обеспечивает легкость извлечения готового материала после обработки и необходимые технологические режимы. Время протекания процесса деформирования и дисперсионного упрочнения составляет 10-100 микросекунд. Скорость потока порошковых частиц (дисперсность порядка 1-100 мкм) составляет 1.5-3.5 км/с. Плотность потока частиц около 1 г/см³. Давление соударения с матрицей составляет 10-30 ГПа. Разогрев металлических образцов (ВТ1-0, M1) находится в интервале 250-300°C. Материалы получают структуру с размером зерна порядка нескольких микрометров и менее, а также с армирующими треками размером около 1 мкм с сильнофрагментированной вокруг канала зоной. Вдоль треков проникающих частиц остаются следы материала частиц, а в зоне торможения фиксируются остатки материала частиц размером до 0.05 мкм. Концентрация насыщения материала каналами определена при обработке высокоскоростными частицами титана ВТ1-0 с помощью травления среза матрицы и достигает 27.5%. Микротвердость Hµ и прочность увеличивается в 1.5 и более раз. Скорость проникания частиц в неподвижной матрице составляет 800-1200 м/с. [Krivchenko A.L., Aleksentseva S.E. Peculiarities of the Dynamic Interaction Between the Directed Stream of High Speed Particles and Metals. // Shock Waves in Condensed Matter: Proc. of Int. Conf. - St. Petersburg, Russia, 8-13 October, 2000, p. 175-176.]This processing scheme provides ease of extraction of the finished material after processing and the necessary technological conditions. The duration of the process of deformation and dispersion hardening is 10-100 microseconds. The flow rate of powder particles (dispersion of the order of 1-100 microns) is 1.5-3.5 km / s. The particle flux density of about 1 g / cm ³ . The pressure of collision with the matrix is 10-30 GPa. The heating of metal samples (VT1-0, M1) is in the range of 250-300 ° C. Materials obtain a structure with a grain size of the order of several micrometers or less, as well as with reinforcing tracks of about 1 μm in size with a zone highly fragmented around the channel. Along the tracks of penetrating particles, traces of particle material remain, and in the braking zone, residues of particle material up to 0.05 μm are recorded. The saturation concentration of the material by the channels was determined during the treatment with VT1-0 high-speed titanium particles by means of etching a slice of the matrix and reaches 27.5%. The microhardness Hµ and strength increase by 1.5 or more times. The speed of penetration of particles in a stationary matrix is 800-1200 m / s. [Krivchenko AL, Aleksentseva SE Peculiarities of the Dynamic Interaction Between the Directed Stream of High Speed Particles and Metals. // Shock Waves in Condensed Matter: Proc. of Int. Conf. - St. Petersburg, Russia, 8-13 October, 2000, p. 175-176.]

Скорость прокатки заготовки путем ударно-волнового воздействия составляет около нескольких сот метров в секунду, что ниже скорости проникания частиц в 2 и более раз и сохраняет условия СГП частиц. Прокатка через систему роликов специальной конструкции реализует интенсивную пластическую деформацию сжатием заготовки по двум осям поперечного сечения. В целом динамический способ интенсивной пластической деформации методом прокатки с одновременной обработкой потоком дискретных частиц обеспечивает измельчение зерен микроструктуры матрицы на один-два и более порядка и насыщение материалом частиц.The speed of rolling a workpiece by means of a shock-wave action is about several hundred meters per second, which is 2 or more times lower than the particle penetration rate and preserves the SHP conditions of particles. Rolling through a system of rollers of a special design implements intense plastic deformation by compressing the workpiece along two axes of the cross section. In general, the dynamic method of intensive plastic deformation by rolling with simultaneous treatment with a stream of discrete particles ensures the grinding of the grains of the microstructure of the matrix by one or two or more orders of magnitude and the saturation of the particles with the material.

Более широкое применение данного метода возможно для пластичных, легко деформируемых материалов невысокой прочности - группы технически чистой меди M1, М3, технически чистого титана ВТ1-00, ВТ1-0, технически чистого и деформируемого алюминия, например, марки А7, АД31. Метание высокотвердых и прочных частиц, таких как вольфрама W, корунда, карбидов кремния SiC и титана TiC, карбонитрида титана TiNC, диборида титана TiB₂ и др. дисперсностью порядка 1-100 мкм способствует более интенсивной фрагментации структурных элементов.A wider application of this method is possible for ductile, easily deformable materials of low strength - groups of technically pure copper M1, M3, technically pure titanium VT1-00, VT1-0, technically pure and deformable aluminum, for example, grades A7, AD31. Throwing of highly hard and strong particles, such as tungsten W, corundum, silicon carbides SiC and titanium TiC, titanium carbonitride TiNC, titanium diboride TiB _2, and others with a dispersion of the order of 1-100 μm promotes more intense fragmentation of structural elements.

В целом все виды материалов являются матрицами для получения композиционных материалов. Динамически микролегированный титан широко применяется для биомедицины. Сплавы меди используются в системах теплоотвода, электротехнике, деталях машин. Текстурированный материал применяется в процессах с постоянными направлениями нагружения материала при режимах эксплуатации. Например, возможно создание пулестойких броневых пластин из алюминия и титана и др.In general, all types of materials are matrices for producing composite materials. Dynamically microalloyed titanium is widely used for biomedicine. Copper alloys are used in heat sink systems, electrical engineering, and machine parts. Textured material is used in processes with constant directions of material loading under operating conditions. For example, it is possible to create bulletproof armor plates made of aluminum and titanium, etc.

Claims

A method of producing dispersion-hardened materials under dynamic loading, comprising treating a metal or alloy billet with a stream of powder particles dispersed by an explosive charge explosive energy, in an ultra-deep particle penetration mode, characterized in that the powder particles are placed in a capsule under an explosive charge, metal or alloy is placed in a rolling tool with rolling rollers with the formation of a gap with the capsule, the workpiece is treated with a stream of dispersed powder particles Strongly 1-100 microns at a flow rate of 1.5-3.5 km / s and a density of 1 g / cm ³ at a pressure of particle collisions with the workpiece 10-30 GPa ensuring simultaneous plastic deformation of the workpiece cross-sectional contraction by forcing the blank through rolling rollers due to the impact of the flow of powder particles and the energy of the explosion of the explosive charge, while the specified processing is carried out from the front and back surfaces of the workpiece.