Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ КОМПОЗИТА ИЗ НЕКОМПАКТНОГО ТИТАНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Залазинский А.Г. 1 Крючков Д.И. 1 Нестеренко А.В. 1 Титов В.Г. 1
1 Институт машиноведения УрО РАН
Исследованы механические свойства спрессованных и спечённых образцов из композиций порошков на основе титана. На основе анализа плотности и прочности на сжатие полученных прессовок даны рекомендации по выбору оптимального состава композиционного материала. Посредством оптимизации плотности, прочности на сжатие, качества и стоимости прессовок получен оптимальный состав композиционного материала.
оптимизация
прессование композита
некомпактное титансодержащее сырьё
плотность
прочность на сжатие
1. Ильин А.А., Колачёв Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. – Москва: ВИЛС-МАТИ, 2009. – 520 с.
2. Андреев A.A., Аношкин Η.Φ., Борзецовская Κ.Μ. и др. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. – М.: Металлургия, 1978. – 383 с.
3. Фроус Ф.Х., Смугерски Дж.Е. Порошковая металлургия титановых сплавов. Сб. науч. трудов. Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1985. – 263 с.
4. Устинов B.C., Олесов Ю.Г., Дрозденко В.А., Антипин Л.Н. Порошковая металлургия титана. 2-е изд. – М.: Металлургия, 1981. – 248 с.
5. Материаловедение и технология композиционных материалов / А.Г. Кобелев, В.И. Лысак, В.Н. Чернышев, Е.В. Кузнецов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2006. – 365 с.
6. Штойер Р. Многокритериальная оптимизация. – М.: Радио и связь, 1992. – 504 с.
7. Крючков Д.И., Залазинский А.Г. Гибридный моделирующий комплекс для оптимизации процессов прессования неоднородных материалов. // Вестник компьютерных и информационных технологий. – 2013. – № 9. – С. 22-28.
8. Крючков Д.И., Залазинский А.Г., Березин И.М., Романова О.В.. Моделирование процессов компактирования титановых композитов из порошкообразного сырья // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – No. 1. – P. 48–60.
9. Щенникова Т.Л., Залазинский Г.Г., Гельчинский Б.Р., Романова О.В., Рыбалко О.Ф.и др. Исследование свойств порошков ВТ22 и порошковых материалов на его основе // Перспективные материалы. – 2015. – № 4. – С. 15-20.
10. Моисеев В.Н., Сысоева Н.В., Ермолова М.И. Термическая обработка гранулированного сплава ВТ22. // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1996. – № 1. – С. 7–10.

Титансодержащие материалы применяется во многих областях промышленного производства. В частности, их широко применяют в транспортном и химическом машиностроении, авиакосмической технике и других областях промышленности благодаря высоким показателям удельной прочности, сопротивления усталости, вязкости разрушения и коррозионной стойкости [1]. Вместе с тем производство таких материалов отличается высокой энергоёмкостью и значительным количеством трудно перерабатываемых отходов металлургического производства титана [2]. Широко распространённым методом переработки отходов металлургического производства является порошковая металлургия, позволяющая существенно уменьшить материалоёмкость продукции и объём механической обработки [3-4]. При этом открываются перспективы для создания новых композиционных материалов, обладающих уникальными свойствами [5].

Пластическое деформирование является основой процессов изготовления изделий из композиционных материалов методами порошковой и волоконной металлургии. Исследование процессов неупругого деформирования и разрушения таких структурно-неоднородных тел является актуальной задачей, для решения которой требуется привлечение современных информационных и компьютерных технологий. Применение компьютерного моделирования совместно с подходами механики структурно-неоднородных тел и оптимизации [6] открывает новые возможности комплексного анализа уплотнения, формоизменения и консолидации частиц, что позволяет совершенствовать процессы формования без применения уникального экспериментального оборудования.

Для решения задач механики деформирования композитов из порошкообразного сырья в институте машиноведения УрО РАН разработан гибридный моделирующий комплекс [7]. Он представляет собой проблемно-ориентированную оболочку, интегрирующую CAD/CAE системы с системой компьютерной математики, построенную на базе математических библиотек языка Python. Для определённого типа задач разработан программный модуль с интерфейсом, в который вводятся данные, с возможностью варьирования основных технологических параметров исследуемых процессов.

Экспериментальные данные накапливаются в базе данных и передаются в математическую подсистему, в которой обрабатываются методом регрессионного анализа.

В работе проведено изучение процесса уплотнения некомпактного титансодержащего сырья в процессе прессования и определены механические свойства порошковых композиций, содержащих переработанные в порошок отходы промышленного производства титана. С использованием симплекс метода оптимизации определён оптимальный состав порошкового композиционного материала.

Характеристика титансодержащего сырья и результаты экспериментального исследования процесса прессования композитного материала

С целью выбора оптимального состава порошкового композита для производства изделий, работающих в условиях циклических силовых и температурных нагрузок, стойких к воздействию агрессивных сред провели несколько серий отсеивающих экспериментов, результаты которых описаны в [7-9]. В этих работах исследовали процесс уплотнения смеси порошка, полученного из сплава ВТ-22 распылёнием плазмой, с добавками порошка титана ПТМ-1, полученного гидридно-кальциевым способом, порошка сплава никель-алюминий ПВ-Н70Ю30. В качестве пластифицирующих добавок использовали медный порошок ПМС-1 и стеарат цинка.

Порошок сплава ВТ-22 (Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe) выбран для повышения прочностных свойств композиционного материала. В материалах на основе титана алюминий повышает прочностные характеристики и жаропрочность, ванадий повышает пластичность и снижает охрупчивание материала при эксплуатации. Сплав ВТ-22 в отожженном состоянии является наиболее прочным среди серийных сплавов, используется, например, для изготовления силовых крупногабаритных деталей летательных аппаратов. Гранулометрический состав порошков определяли на анализаторе частиц по размерам и форме CAMSIZER –XT (retsch Technology, Германия). Исследуемый порошок представлен фракцией менее 440 мкм, средний размер частиц – 156 мкм. Частицы порошка имеют округлую и сферическую форму, коэффициент сферичности – 0,722, коэффициент симметричности – 0,876. Морфология и топография поверхности порошка представлена на рис. 1.

zalazin1.tif

а) б)

Рис. 1. Морфология порошка, полученного из сплава ВТ-22 распылением плазмой (а); топография поверхности частиц порошка (б)

Процентное содержание пластифицирующих добавок варьировалось с учётом рекомендаций специалистов лаборатории порошковых, композиционных и нано-материалов института металлургии УрО РАН [9].

На первом этапе исследований провели прессование порошка сплава ВТ–22 в исходном состоянии и после отжига. В результате получено, что для достижения относительной плотности ρотн = 0.75…0.8 порошка ВТ–22 требуется давление прессования p более 1000 МПа. Даже при давлении порядка 1200…1300 МПа прессовки из ВТ–22 рассыпаются как из отожженного, так и неотожжённого порошка. Частицы деформируются, но не сцепляются между собой, то есть консолидация частиц для формирования компактного материала не происходит. Поэтому далее исследовали смесь порошка сплава ВТ-22 с добавками более пластичных порошков с частицами с развитой поверхностью: гидридно-кальциевого порошка титана ПТМ-1 со средним размером частиц 46,3 мкм после отжига и порошка сплава никель-алюминий, восстановленного ПВ-Н70Ю30, со средним размером частиц 43 мкм. Морфология порошков ПТМ-1 и ПВ-Н70Ю30 представлена на рис. 2.

zalazin2.tif

а) б)

Рис. 2. Морфология частиц порошков: ПТМ-1 (а); сплава никель-алюминий, полученного восстановлением, марки ПВ-Н70Ю30 (б)

Образцы прессовали при давлениях 1000 МПа. Прессование брикетов проводили на гидравлическом прессе МС–500 в закрытой разборной пресс–форме. После прессования получены брикеты плотностью ρотн = 0,71..0,85 от теоретической. Качество брикетов удовлетворительное. В ряде случаев для неспечённых образцов с содержанием ВТ-22 60 % и выше наблюдалось осыпание нижней кромки. Спрессованные образцы спекались в вакууме 10-3 МПа в течение 2 часов при температуре 1200 °С, далее нагревались до температуры спекания 1 час. Режим спекания выбран в соответствии с рекомендациями [10]. Использовалась вакуумная электропечь сопротивления камерного типа СНВЭ-9/18.

Прочность брикетов оценивали по результатам опытов на осевое сжатие на универсальной испытательной машине ZWICK BT1–FR050THW/A1K. В момент начала разрушения заготовки фиксировали усилие и определяли предел прочности на сжатие σР при текущей плотности.

Результаты исследования прессовок на основе порошка сплава ВТ22 показали следующее:

1. Лучше всего прессуются порошки с равным содержанием ВТ22 и ПТМ-1 и добавкой стеарата цинка в количестве 0,1 мас. %. В целом результаты согласуются с известными положениями о влиянии стеарата цинка на плотность и прочность прессовок. Добавка стеарата цинка повышает плотность при одновременном снижении прочностных свойств прессовок [1]. Таким образом, внедрение стеарата цинка в композицию оказалось неоправданным.

2. Увеличение содержания сплава ВТ22 до 70 % приводит к существенному ухудшению прочностных свойств.

3. Добавление малого количества (5 %) медного порошка ПМС-1 в шихту позволяет повысить прочностные свойства композита, а также снижает процентное содержание дорогостоящего порошка ПТМ-1; недостатком является снижение плотности прессовок. Повышение плотности прессовок можно достигнуть увеличением давления прессования до 1000 МПа.

Результаты экспериментального исследования, после отсеивания опытов с шихтами, показаны в табл. 1. В ней приведены значения параметров спрессованных и спечённых образцов для каждого состава шихты. В таблице приведены значения процентного содержания по массе порошков ВТ-22, ПТМ-1, ПВ-Н70Ю30, предела прочности на сжатие σР в МПа и относительной плотности ρотн.

Таблица 1

Условия эксперимента и свойства титансодержащего композитного материала

№ п/п

Состав шихты по массе %

Величины, характеризующие

качество прессовок после спекания

ВТ-22

ПТМ-1

ПВ-Н70Ю30

σР, МПа;

zalaz01.wmf

ρотн

zalaz02.wmf

1

50

50

0

1350

0.99

0.804

0.828

2

50

50

0

1356

0.996

0.806

0.859

3

50

50

0

1360

1

0.809

0.906

4

60

30

10

1101

0.729

0.81

0.922

5

60

30

10

1103

0.731

0.812

0.953

6

60

30

10

1106

0.734

0.815

1

7

60

20

20

830

0.444

0.779

0.438

8

60

20

20

834

0.449

0.783

0.5

9

60

20

20

840

0.455

0.785

0.531

10

60

10

30

530

0.13

0.771

0.313

11

60

10

30

535

0.135

0.776

0.391

12

60

10

30

539

0.139

0.78

0.453

13

65

25

10

1052

0.677

0.787

0.563

14

65

25

10

1056

0.681

0.789

0.594

15

65

25

10

1059

0.684

0.791

0.625

16

65

15

20

765

0.376

0.752

0.016

17

65

15

20

768

0.379

0.756

0.078

18

65

15

20

772

0.383

0.758

0.109

19

65

5

30

406

0

0.751

0

20

65

5

30

410

0.004

0.754

0.047

21

65

5

30

412

0.006

0.758

0.109

22

70

30

0

592

0.195

0.768

0.266

23

70

30

0

594

0.197

0.771

0.313

24

70

30

0

598

0.201

0.774

0.359

25

70

25

5

963

0.584

0.781

0.469

26

70

25

5

967

0.588

0.785

0.531

27

70

25

5

972

0.593

0.787

0.563

В табл. 1 наряду с величинами σР и ρотн приведены их нормированные значения, которые вычислены следующим образом:

zalaz03.wmf, (1)

zalaz04.wmf. (2)

Данные табл. 1 использовали для оптимизации свойств композитного материала в зависимости от состава шихты для прессования заготовок.

Известно, что порошки титана и его сплавов существенно различаются по стоимости.

Учитывая невысокую стоимость порошка ВТ-22, полученного из отходов промышленного производства титана, а также сравнительно высокую стоимость порошков ПТМ-1 и ПВ-Н70Ю30, табл. 1 расширили с целью учёта стоимости (C) исходного сырья. В результате получена табл. 2, в которой Х1, Х2, Х3 – варьируемые факторы, представляющие процентное содержание по массе компонент шихты: Х1 – процентное содержание ВТ-22, Х2 – ПТМ-1, Х3 – ПВ-Н70Ю30. Параметры, выбранные в качестве критериев оптимизации, обозначены так: zalaz05.wmf обозначает zalaz06.wmf, zalaz07.wmf, zalaz08.wmf. Значения YC получены следующим образом: по составу образцов вычислили их стоимость, эти значения были нормированы, т.к. стоимость конкурирует с σР и ρотн, то значения YC были получены вычитанием из 1 нормированных значений стоимости.

Таблица 2

Результаты прессования композитного материала из титансодержащего материала

№ п/п

Варьируемые факторы

Критерии оптимизации

Х1

Х2

Х3

YC

Y

1

50

50

0

0.99

0.828

0

1.818

2

50

50

0

0.996

0.859

0

1.855

3

50

50

0

1

0.906

0

1.906

4

60

30

10

0.729

0.922

0.5

2.15

5

60

30

10

0.731

0.953

0.5

2.184

6

60

30

10

0.734

1

0.5

2.234

7

60

20

20

0.444

0.438

0.668

1.55

8

60

20

20

0.449

0.5

0.668

1.617

9

60

20

20

0.455

0.531

0.668

1.654

10

60

10

30

0.13

0.313

0.832

1.275

11

60

10

30

0.135

0.391

0.832

1.358

12

60

10

30

0.139

0.453

0.832

1.425

13

65

25

10

0.677

0.563

0.661

1.901

14

65

25

10

0.681

0.594

0.661

1.936

15

65

25

10

0.684

0.625

0.661

1.971

16

65

15

20

0.376

0.016

0.835

1.227

17

65

15

20

0.379

0.078

0.835

1.293

18

65

15

20

0.383

0.109

0.835

1.328

19

65

5

30

0

0

1

1

20

65

5

30

0.004

0.047

1

1.051

21

65

5

30

0.006

0.109

1

1.115

22

70

30

0

0.195

0.266

0.646

1.107

23

70

30

0

0.197

0.313

0.646

1.156

24

70

30

0

0.201

0.359

0.646

1.207

25

70

25

5

0.584

0.469

0.766

1.819

26

70

25

5

0.588

0.531

0.766

1.885

27

70

25

5

0.593

0.563

0.766

1.922

Постановка и формализация
задачи оптимизации

Задача оптимизации композиционного материала заключается в следующем: определить оптимальный состав шихты, при котором прессованием некомпактного титансодержащего сырья получается заготовка с максимальными механическими свойствами, при минимальных затратах на их получение.

Для решения задачи ввели обобщённый критерий для выбора оптимального состава шихты:

zalaz09.wmf. (3)

Приняли в первом приближении, что zalaz10.wmf.

Из физических соображений наложили следующие ограничения:

zalaz11.wmf; (4)

zalaz12.wmf. (5)

Зависимость обобщённого критерия оптимальности технологического процесса от варьируемых факторов представили линейной моделью:

zalaz13.wmf. (6)

Таким образом, поставленная задача свелась к решению задачи линейного программирования: требуется найти состав шихты для прессования композитного материала, при котором целевая функция (6) достигает максимума с учётом ограничений (4,5).

Решение задачи оптимизации процесса прессования композитного материала

По формуле (3) получили значения целевой функции Y (см. табл. 2).

Модель для Y искали в виде (6) методом наименьших квадратов, решив задачу определения неизвестных коэффициентов b0, b1, b2, b3. Была составлена совместная система уравнений для Y путём формирования матрицы из значений Х1, Х2, Х3. Был получен следующий результат:

zalaz14.wmf.

Невязка между экспериментальными и модельными значениями Y составила 0.09. Для её уменьшения зависимость обобщённого критерия оптимальности технологического процесса от варьируемых факторов представили квадратичной моделью:

zalaz15.wmf

zalaz16.wmf

zalaz17.wmf. (7)

Для этой модели был получен следующий результат:

zalaz18.wmf

zalaz19.wmf

zalaz20.wmf. (8)

Невязка между экспериментальными и модельными значениями Y составила 0.05. На основании равенства (5) выразим Х3 через Х1, Х2, и изобразим функцию (8) (рис. 3).

zalazin3.tif

Рис. 3. Функция Y(Х1, Х2)

Оптимальный состав шихты был получен поиском минимума нелинейной функции (8), умноженной на – 1, с равенством Х1 + Х2 + Х3 = 100 и в следующих границах 0 ≤ Х1 ≤100, 0 ≤ Х2 ≤100, 0 ≤ Х3 ≤100 посредством поиска минимума скалярной функции нескольких переменных с ограничениями начиная с начального приближения симплекс методом (функция fmincon системы Matlab). Получены следующие оптимальные значения: Х1 = 55, Х2 = 36, Х3 = 9.

Заключение

На основе анализа данных экспериментов даны рекомендации по выбору оптимального состава композиционного материала. Использована методика оптимизации получения композита из некомпактного титансодержащего сырья, включающая в себя нормирование, метод наименьших квадратов, поиск минимума обобщённого критерия. По этой методике было определено, что для получения композита из титансодержащего сырья с максимальными плотностью и пределом прочности, и минимальной стоимостью должен быть следующий состав шихты: 55 % порошка из сплава ВТ-22, 36 % порошка титана ПТМ-1, 9 % порошка сплава никель-алюминий, восстановленного ПВ-Н70Ю30.


Библиографическая ссылка

Залазинский А.Г., Крючков Д.И., Нестеренко А.В., Титов В.Г. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ КОМПОЗИТА ИЗ НЕКОМПАКТНОГО ТИТАНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 8-3. – С. 334-339;
URL: https://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=10029 (дата обращения: 06.05.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074