Титан обладает превосходным набором свойств, которые делают материал идеальным для производства силовых конструкций самолета: высокая прочность при относительной легкости, повышенная прочность при высоких температурах, стойкость к коррозии и тепловая стабильность. Кроме этого, в отличие от алюминиевых сплавов, титановые сплавы не подвержены гальванической коррозии при контакте с углеродными композитами. Поэтому их стали чаще применять в композитных конструкциях крыла и фюзеляжа современных самолетов (переборок, шпангоутов, в хвостовой секции фюзеляжа, несущих конструкций крыла, узлов крепления двигателя к крылу, деталей шасси и крепежных изделий).

Обработка титановых сплавов – весьма трудоемкий процесс: при изготовлении авиационных компонентов снимается до 90% металла заготовки. Для производителей изделий важно повысить, с одной стороны, стойкость и ресурс инструмента, а с другой – скорость обработки.

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).

Одной из наиболее сложных задач с точки зрения металлообработки является фрезерование титановых сплавов. При их обработке возникают большие механические и тепловые нагрузки на режущую кромку инструмента, а также повышенный адгезионный износ задней поверхности инструмента. Ключевой проблемой высокоскоростной обработки вязких металлических материалов является высокая температура, возникающая в зоне резания. Рост температуры вызывает снижение механических свойств инструмента, повышение скорости его окисления (снижение коррозионной стойкости), деградацию кобальтовой связки и увеличение коэффициента трения, что приводит к потере режущих свойств инструмента.

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 тыс. долларов за килограмм, поэтому себестоимость обработки титана очень высокая.

С целью снижения себестоимости обработки титановых сплавов в США вместо дорогих материалов испытывалась нитридная керамика Si₃N₄, а также новый керамический материал – AlMgB₁₄, который при твердости, близкой к алмазу, обладает рекордно низким коэффициентом трения µ=0,02 (для сравнения: у тефлона µ=0,05). К сожалению, изза 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 WCCo, 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: сплавы WCCo (вольфрамовые), WCTiCCo (титановольфрамовые), WCTiCTaCCo (титанотанталовольфрамовые).

Сплавы WCCo – наиболее прочные из всех твердых сплавов, отличаются содержанием кобальта (от 3 до 30 вес. %), размерами зерен карбидной фазы (WC) и технологией изготовления. В зависимости от содержания кобальта их подразделяют на малокобальтовые (масс. доля кобальта 38%), среднекобальтовые (масс. доля кобальта 1015%) и высококобальтовые (масс. доля кобальта – 2030%). Классификация по размеру зерен карбидной фазы позволяет выделить особомелкозернистые (размер D_wc зерна карбида вольфрама менее 1 мкм в объеме более 50%), мелкозернистые (D_wc?1 мкм), среднезернистые (D_wc=13 мкм), крупнозернистые (D_wc=34 мкм) и особокрупнозернистые (D_wc=10 мкм) твердые сплавы.

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 и 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 ~25 мкм в отечественных твердых сплавах системы WCCo. Значительную объемную долю составляют зерна размером до 510 мкм, а также скопления кобальта, размер которых достигает 12 мкм. Столь высокий уровень пористости и неоднородности, а также низкий уровень механических свойств (твердость композита ВК8 (WC8%Co) составляет ~10.512.4 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 WCCo. 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 изза высоких усилий резания и температур требуется острая кромка.

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.

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 50е годы, однако реализация в виде системы лабораторных установок была осуществлена в Японии. В конце 1990х 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 пресс­формы пропусканием последовательности импульсов электрического тока. Этот метод сочетает в себе такие важные для активирования спекания факторы, как высокая скорость нагрева, вакуум и приложение к образцу гидростатического давления, положительное влияние каждого из которых на ускорение процесса спекания доказано применением в течение десятилетий.

SPSспекание имеет ряд преимуществ, выделяющих его из таких традиционных методов порошковой металлургии, как горячее прессование и спекание предварительно спрессованных заготовок без давления. В частности, SPSспекание образцов происходит с большим выигрышем во времени, также практически всегда наблюдается снижение температуры спекания. 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 SPS625 производства Японии (температура спекания до 2500^oС, скорость нагрева до 2500^oС/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) занимается коллектив Научно­образовательного центра «Нанотехнологии» ННГУ им. Н.И. Лобачевского (Нижний Новгород) под руководством профессора В.Н. Чувильдеева.

Результаты предварительных исследований кинетики электроимпульсного плазменного спекания нанодисперсных порошков чистого карбида вольфрама показывает, 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 (D_wc=150250 нм) с уникально высокими механическими свойствами (H_v=30 ГПа, K_1c=6.36.7 МПа·м^1/2), что существенно превосходит аналогичные характеристики для отечественных мелкозернистых вольфрамкобальтовых твердых сплавов (d=13 мкм) ВК8 и др. системы WCCo (H_v=10.512.4 ГПа, K_1c=911 МПа·м^1/2).

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

Если в середине 90х 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 – твердого наноструктурированного композита и верхнего функционального слоя (например, TiAlN+WC:H – для снижения трения, или 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 – компаний Oerlikon Balzers, Sandvik Coromant,
MITSUBISHI и др.

А.В. Федотов
Директор по развитию
НПФ «Элан­Практик»