Новые подходы к обработке титана

Почему титан незаменим в авиастроении

Титан обладает превосходным набором свойств, которые делают материал идеальным для производства силовых конструкций самолета. Высокая прочность при относительной легкости, повышенная жаропрочность, стойкость к коррозии и тепловая стабильность — это лишь часть преимуществ.

Но есть еще один важный момент. В отличие от алюминиевых сплавов, титановые сплавы не подвержены гальванической коррозии при контакте с углеродными композитами.

Преимущества перед алюминиевыми сплавами

Именно поэтому титан стали чаще применять в композитных конструкциях крыла и фюзеляжа современных самолетов:

Обработка титановых сплавов — весьма трудоемкий процесс. При изготовлении авиационных компонентов снимается до 90% металла заготовки. Представьте: из килограмма заготовки в готовой детали остается всего 100 грамм!

Для производителей критически важно повысить, с одной стороны, стойкость и ресурс инструмента, а с другой — скорость обработки.

Рис. 1. При изготовлении авиационных компонентов из титана снимается до 90% металла заготовки

Поскольку некоторые из этих деталей имеют большие размеры, повышение скорости обработки титановых сплавов (соответственно, уменьшение времени на изготовление детали) имеет огромное значение для снижения потребления ресурсов и энергетических затрат на предприятии.

Кроме этого, высокие скорости обработки титана позволяют улучшать качество финишной обработки поверхности. Благодаря чему будут снижены и энергетические затраты (уменьшено количество технологических операций).

Проблемы высокоскоростной обработки

Одной из наиболее сложных задач с точки зрения металлообработки является фрезерование титановых сплавов.

Тепловые нагрузки и износ инструмента

При их обработке возникают:

• Большие механические нагрузки на режущую кромку
• Высокие тепловые нагрузки
• Повышенный адгезионный износ задней поверхности

Ключевой проблемой высокоскоростной обработки вязких металлических материалов является высокая температура, возникающая в зоне резания.

Рост температуры вызывает:

Рис. 2. Высокая температура в зоне резания приводит к потере режущих свойств инструмента

Что и приводит к потере режущих свойств инструмента. Замкнутый круг, не правда ли?

От алмаза к твердым сплавам

Первоначально обработка титановых сплавов преимущественно велась с использованием инструмента, изготовленного из поликристаллического алмаза, а также кубического нитрида бора.

Следует отметить, что данные материалы имеют высокую стоимость, достигающую 15,5 тысяч долларов за килограмм. Поэтому себестоимость обработки титана очень высокая.

Керамические материалы и их ограничения

С целью снижения себестоимости обработки титановых сплавов в США вместо дорогих материалов испытывалась:

• Нитридная керамика Si₃N₄
• Новый керамический материал AlMgB₁₄

Последний при твердости, близкой к алмазу, обладает рекордно низким коэффициентом трения μ=0,02 (для сравнения: у тефлона μ=0,05).

К сожалению, из-за относительно высокой хрупкости керамический инструмент не нашел массового применения при обработке титановых сплавов.

В настоящее время для изготовления авиакосмической техники используют твердосплавный инструмент.

По данным компании Iscar, доля инструмента, изготовленного из сплавов WC-Co, в общем объеме производимого в мире инструмента составляет 46%, из которых 65% приходится на неперетачиваемые пластины для токарной и фрезерной обработки.

Твердые сплавы на основе карбида вольфрама WC в зависимости от состава карбидных составляющих подразделяют на три основных класса:

Твердые сплавы WC-Co: классификация и свойства

Сплавы WC-Co — наиболее прочные из всех твердых сплавов. Отличаются содержанием кобальта (от 3 до 30 вес. %), размерами зерен карбидной фазы (WC) и технологией изготовления.

Влияние размера зерна на свойства

В зависимости от содержания кобальта их подразделяют на:

• Малокобальтовые (массовая доля кобальта 3–8%)
• Среднекобальтовые (массовая доля кобальта 10–15%)
• Высококобальтовые (массовая доля кобальта 20–30%)

Классификация по размеру зерен карбидной фазы позволяет выделить:

Все твердые сплавы получают методами порошковой металлургии по классической схеме: получение порошков → смешивание в сочетании с размолом → прессование → жидкофазное спекание.

Основным недостатком отечественных композиционных твердых сплавов, получаемых жидкофазным спеканием, являются низкие прочностные свойства. Которые, в свою очередь, являются следствием:

• Высокой остаточной пористости получаемых заготовок
• Неоднородности структуры (вследствие активно протекающих процессов рекристаллизации, имеющих аномальный характер)

Так получают заготовки с плотностью от 13 до 15 г/см³ при среднем размере зерна WC ~2–5 мкм в отечественных твердых сплавах системы WC-Co.

Значительную объемную долю составляют зерна размером до 5–10 мкм, а также скопления кобальта, размер которых достигает 1–2 мкм.

Столь высокий уровень пористости и неоднородности, а также низкий уровень механических свойств (твердость композита ВК8 (WC-8%Co) составляет ~10,5–12,4 ГПа при плотности 14,4±14,8 г/см³) не позволяет обеспечивать высокие эксплуатационные свойства (износостойкость, коррозионную стойкость) современного режущего инструмента.

Ведущие мировые производители Sandvik Coromant, Kennametal (США), Iscar (Израиль), Mitsubishi Carbide (Япония) рекомендуют использовать для обработки титана мелкозернистые и особомелкозернистые сплавы WC-Co.

В результате уменьшения размера зерна существенно повышаются механические свойства твердого сплава, в первую очередь твердость и прочность на изгиб.

Повышение прочности на изгиб увеличивает стойкость режущей кромки, в результате чего уменьшается износ, вызванный выкрашиванием.

Приведенные свойства твердых сплавов на основе WC делают их особо привлекательными в тех областях, где из-за высоких усилий резания и температур требуется острая кромка.

SPS-спекание: прорыв в технологии

Для улучшения механических свойств твердых сплавов, главным образом твердости и трещиностойкости, в настоящее время применяются два подхода.

В первом используются порошки карбида вольфрама с возможно меньшим размером частиц и новые методы консолидации, обеспечивающие высокую скорость спекания, и как следствие, высокую стабильность и однородность структуры материалов.

Нанодисперсные структуры

При этом наряду с традиционными используется относительно новый метод изготовления твердых сплавов Spark Plasma Sintering (SPS).

Идея, положенная в основу метода (SPS), была разработана в России в 50-е годы. Однако реализация в виде системы лабораторных установок была осуществлена в Японии.

В конце 1990-х годов японская компания Sumitomo Heavy Industries, Ltd. начала выпускать промышленное оборудование для технологии спекания порошков методом SPS.

Метод электроимпульсного плазменного спекания основан на принципе нагрева образца и пресс-формы пропусканием последовательности импульсов электрического тока.

Этот метод сочетает в себе такие важные для активирования спекания факторы:

• Высокая скорость нагрева
• Вакуум
• Приложение к образцу гидростатического давления

Положительное влияние каждого из которых на ускорение процесса спекания доказано применением в течение десятилетий.

SPS-спекание имеет ряд преимуществ, выделяющих его из таких традиционных методов порошковой металлургии, как горячее прессование и спекание предварительно спрессованных заготовок без давления.

Сокращение времени и снижение температуры спекания позволяет существенно ограничить рост зерен в материале. Что имеет принципиальное значение для создания объемных наноматериалов.

К сожалению, анализ публикаций и соответствующих обзоров показывает, что методов, которые можно было бы считать аналогами SPS, в России разработано не было.

В настоящее время разработкой отечественных твердых сплавов с использованием уникальной установки для электроимпульсного плазменного спекания Spark Plasma Sintering System, model SPS-625 производства Японии занимается коллектив Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» ННГУ им. Н.И. Лобачевского (Нижний Новгород) под руководством профессора В.Н. Чувильдеева.

Характеристики установки:

• Температура спекания до 2500°C
• Скорость нагрева до 2500°C/мин
• Усилие пресса от 5 до 100 кН
• Импульсный ток до 5000 А
• Длительность импульса 3,3 мс
• Защитная среда — вакуум или инертный газ
• Автоматическое управление температурой и гидростатическим давлением
• Прецизионный дилатометр

Результаты предварительных исследований кинетики электроимпульсного плазменного спекания нанодисперсных порошков чистого карбида вольфрама показывают, что в чистом твердом сплаве WC, спеченном методом SPS, была обеспечена:

• Плотность, близкая к теоретической (15,16 г/см³, что соответствует 99,2% от теоретической плотности)
• Однородная нанодисперсная структура (Dwc=150–250 нм)
• Уникально высокие механические свойства (Hv=30 ГПа, K₁c=6,3–6,7 МПа·м¹/²)

Что существенно превосходит аналогичные характеристики для отечественных мелкозернистых вольфрамкобальтовых твердых сплавов (d=1–3 мкм) ВК8 и др. системы WC-Co (Hv=10,5–12,4 ГПа, K₁c=9–11 МПа·м¹/²).

Наноструктурированные покрытия

Другой тенденцией развития технологий высокоскоростной обработки титановых сплавов является широкое внедрение наноструктурированных покрытий на твердосплавный инструмент.

Если в середине 90-х годов более 70% покрытий составляли монофазные покрытия TiN и CrN, то к настоящему времени большая часть наносимых покрытий представляет из себя многофазные наноструктурированные композиты, обладающие уникальными характеристиками износостойкости, твердости и т.д.

Как правило, это система покрытий, состоящая из двух слоев:

Например:

• TiAlN + WC:H — для снижения трения
• AlTiN + Al₂O₃ — для повышения теплостойкости

Следует отметить, что описанный подход к созданию эффективных покрытий для высокоскоростной обработки вязких металлических материалов реализуется в последних разработках мировых лидеров в этой области:

• Oerlikon Balzers
• Sandvik Coromant
• MITSUBISHI

И других компаний.

Развитие технологий обработки титана продолжается. И каждый шаг вперед — это не просто улучшение характеристик. Это возможность создавать более сложные, легкие и надежные авиационные конструкции.

А.В. Федотов
Директор по развитию
НПФ «Элан-Практик»