Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0114

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0114
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина"
Название доклада
Разработка новых производственных (цифровых) технологий выпуска металлических изделий большой массы на основе комплекса управления термодинамическими и кинетическими условиями формирования микроразмерных зерен и наноразмерных упрочняющих фаз.
Докладчик
Попов Артемий Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является получение эксплуатационных характеристик ответственных изделий энергомашиностроения заготовок обечаек корпусов реакторов из легированных конструкционных марок сталей типа 15Х2НМФА (повышение предела текучести при температуре 350 градусов Цельсия не менее, чем на 10% по сравнению с требованиями ТУ 0893-013-00212179-2003 (предел текучести не менее 440 Н/мм2); снижение температуры хрупко-вязкого перехода не менее, чем на 10 градусов Цельсия (с минус 45 до минус 55 градусов Цельсия) и роторов энерготурбин 20-30CrNiMoV (уменьшение различия свойств в центре и на периферии бочки поковки Ø>900 мм на не менее, чем 20%) с помощью новых производственных (цифровых) технологий выпуска металлических изделий большой массы на основе комплекса управления термодинамическими и кинетическими условиями формирования микроразмерных зерен и наноразмерных упрочняющих фаз.
Для достижения поставленной цели будут созданы оригинальные физико-математическая модель управления термодинамическими и кинетическими условиями формирования микроразмерных зерен и наноразмерных упрочняющих фаз, база данных термокинетических параметров микроразмерных зерен и упрочняющих наноразмерных фаз сталей выбранных базовых составов и программное обеспечение комплекса.
Создаваемый отечественный оригинальный цифровой программный комплекс для управления термодеформационными и термическими процессами позволит получить необходимый комплекс технологических и эксплуатационных свойств заготовок и изделий, уменьшить затраты на производство, повысить конкурентные преимущества отечественных предприятий
Актуальность и новизна исследования
Обеспечение высокого качества уникальных крупногабаритных заготовок для ответственных изделий, таких как обечайка корпуса реактора и ротор энергетической турбины, требует разработки сквозных технологий, учитывающих влияние всех стадий производства на комплекс их физико-механических, технологических и эксплуатационных характеристик. В настоящее время как на машиностроительных, так и на металлургических предприятиях технологические документы на конкретное изделие (партию) создаются на основе типовых технологических документов без учета особенностей фактической конфигурации изделия, химического состава конкретной плавки, выявленных особенностей технологического процесса плавки, внепечной обработки и разливки. В результате возникают типичные отклонения, выражающиеся в несоответствии свойств требованиям НТД. Это приводит к необходимости проведения повторной корректирующей термообработки, а в отдельных случаях к забракованию дорогостоящего изделия, невыполнению договорных сроков поставки, потере конкурентных преимуществ на мировом и даже внутреннем рынке. Разработка технологий выпуска металлических изделий большой массы на основе комплекса управления термодинамическими и кинетическими условиями формирования микроразмерных зерен и наноразмерных упрочняющих фаз позволит сократить количество производственных операций, снизить энергозатраты за счёт сокращения времени термической обработки, для конкретных изделий обеспечить равномерность свойств на заданном уровне, а также оптимизировать содержание легирующих элементов и сократить затраты на шихтовые материалы.
Описание исследования

 

Решение поставленных в работе обеспечено комплексом современных металлофизических экспериментальных и расчетных методов, а также физическим моделированием процессов, протекающих при ковке крупногабаритных заготовок.

Микроструктура выявлялась травление в 4 % спиртовом растворе азотной кислоты. Для выявления исходного аустенитного зерна использован метод вакуумного травления, травления погружением в насыщенном водном растворе пикриновой кислоты с добавлением ПАВ. Металлографический анализ осуществляли с применением оптического микроскопа “Epiphot 200” при увеличениях 100…1000 крат.

Исследование микроструктуры при больших увеличениях и фрактографический анализ выполнялся с использованием растрового электронного микроскопа Jeol JSM 6490-LV c приставкой для микроанализа Inka DryCool. Исследования тонких фольг на просвет и локальный химический анализ проводились на просвечивающем электронном микроскопе Jeol «JEM-2100» с приставкой для микроанализа InkaEnergyTEM 250 при ускоряющем напряжении 200 кВ.

Анализ химического состава металла проводили с помощью искрового спектрометра SPECTROMAXx. Определение содержания газов в стали по методу восстановительного плавления производили с помощью газоанализатора ОNН 2000.

Дилатометрический анализа проводился на закалочном дилатометре «Linseis L78 R. I. T. A.». Нагрев образцов производился в вакууме 10-2 Па. В качестве охлаждающей среды использовался гелий. Критические температуры Ас1 и Ас3 исследуемых сталей определялись при нагреве образцов со скоростью 0,1 °С/с.

Твердость определялась методами Виккерса и Роквелла, соответственно по ГОСТ 2999 – 75 и ГОСТ 9013 – 59. Для проведения механических испытаний на растяжение использовали испытательную машину Instron 3382, погрешность измерений составляет ± 5 МПа. Определение прочностных и пластических характеристик при испытании на растяжение использовали стандартные цилиндрические пятикратные образцы (тип III) в соответствии с ГОСТ 1497 – 84. Динамические испытания проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 9454 – 78. Образцы с V – образным надрезом, тип образцов №11 испытывались на маятниковом копре МК – 30А.

Расчеты фазового состава исследуемых сталей в широком интервале температур от 400оС до 1600оС выполнены в программе Thermo-Calc, а расчёт размеров упрочняющих фаз при различных температурах с использованием Thermo-Calc Prisma. Моделирование термодеформационных процессов выполнено в программном комплексе Deform.

Экспериментальное определение параметров модели эволюции структуры в процессе термодеформационной обработки проведено на испытательном комплексе Gleeble 3800. Определены реологические свойства исследуемых материалов, параметры кинетики динамической, метадинамической и статической рекристаллизации, объемная доля и размер динамически, метадинамически и статически рекристаллизованных зерен, изучена кинетика роста динамически, метадинамически и статически рекристаллизованного зерна.

Для моделирования эволюции карбидов в результате технологических воздействий были выбраны два метода Хэма и Лифшица-Слезова. При этом учтены особенности роста частиц в зависимости от их расположения в объёме или на границе, размер и расстояние между зародышами.

Результаты исследования

 Установлено, что основная причина брака и несоответствия механических свойств ТУ 0893-013-00212179-2003, ТУ 108.11.847-87 - различия в размерах зерна и недостаточное растворение упрочняющих фаз для их последующего выделения в результате проведения окончательной ТО без учета режимов ковки и предварительной ТО.

Расчет в программе Thermo-Calc показал, что в интервале 400…1600оС фазовый состав стали 15Х2НМФА при изменении состава в пределах выбранного стабилен, температуры А1=707…741°С и А3=794…808°С. Легирование 26ХН3М2ФА большим количеством элементов γ-стабилизаторов расширяет γ -область и повышает стабильность аустенита, температуры А1=623…664°С и А3= 725…772°С. По расчету в программе TC Prisma, наименее склонны к коагуляции при отпуске (100 ч.) карбиды VC и (Mo,V)C, их размер 65 и 35 нм соответственно.

Разработана физико-математическая модель управления термодинамическими и кинетическими условиями формирования микроразмерных зерен и наноразмерных упрочняющих фаз. Модель включает в себя блоки расчета фазового состава выбранных сталей, эволюции микроструктуры и размеров зерна. Параметры модели эволюции структуры в процессе термодеформационной обработки получены с помощью физического моделирования на испытательном комплексе Gleeble 3800.

С помощью разработанной физико-математической модели были проведены расчёты и осуществлен выбор режимов деформации и последующей термической обработки лабораторных слитков из сталей типа 15Х2НМФ и 20-30CrNiMoV.

В соответствии с разработанными методиками изготовлены лабораторные слитки и поковки из сталей типа 15Х2НМФ и 20-30CrNiMoV и проведены их исследования по разработанным программам и методикам.

По результатам исследований проведена корректировка физико-математической модели управления термодинамическими и кинетическими условиями формирования микроразмерных зерен и наноразмерных упрочняющих фаз на основе результатов расчетов и исследовательских испытаний и составлена база данных термокинетических параметров (размер фаз, время и температура образования) упрочняющих наноразмерных фаз сталей выбранных базовых составов.

Проведен расчёт режимов деформации и термической обработки промышленных слитков для получения опытно-штатных поковок и разработана методика их изготовления в условиях производства предприятия-Индустриального партнера. Выполнен анализ первичных данных: карты плавки, ковки, термической обработки, химического состава промышленных слитков и опытно-штатных поковок из сталей типа 15Х2НМФ и 20-30CrNiMoV и сравнение с методиками изготовления, включающими в себя разработанные режимы деформации и термической обработки.

Практическая значимость исследования
Комплекс управления термодинамическими и кинетическими условиями формирования микроразмерных зерен и наноразмерных упрочняющих фаз предназначен для применения на машиностроительных и металлургических предприятиях для разработки режимов изготовления заготовок и ответственных деталей энергетического машиностроения. Кроме того, создаваемый комплекс полезен при подготовке и повышении квалификации технических специалистов соответствующих предприятий.
Разрабатываемый комплекс планируется внедрить на ООО "ОМЗ-Спецсталь" для разработки режимов термодеформационной и термической обработки заготовок обечаек корпусов реакторов и заготовок роторов энерготурбин.
Внедрение комплекса должно обеспечить снижение производственных затрат (уменьшение времени общего цикла изготовления до 20%, в т.ч. термообработки до 30%, снижение энергозатрат до 15%, оптимизация содержания легирующих элементов и сокращение за счёт этого весовых характеристик шихтовых элементов на 10-15% (относительных)).
Презентация

Presentation_RFMEFI57815X0114.ppt