Analytical model of equal-channel angular pressing of titanium sponge

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The use of equal-channel angular pressing (ECAP) of metal powder makes it possible to obtain practically non-porous blanks with high hardness, with a high level of accumulated deformation and with the formation of an ultra-fine-grained structure. A relevant issue for the study of the semi-continuous ECAP process remains a reliable assessment of the energy-power parameters of the process and the prediction of the porosity of compressed materials. This, in turn, is due to the need to develop sufficiently accurate, reliable and simple mathematical models for practical application. The purpose of the work is to develop an analytical model of the process of equal-channel angular pressing of porous material. Powdered screening of spongy titanium of the TG-100 brand was selected as a model of the material for the study. The object of the study is the process of semi-continuous equal-channel angular pressing of axisymmetric porous briquette of titanium sponge in the channel of the mold. It is assumed that the ECAP uses a punch to create back pressure. For the solution, a process scheme, a statically permissible load scheme on a layer of intense deformation and a kinematically permissible flow scheme of a plastically compressible medium in a layer are determined. A system of equations is constructed in accordance with the accepted schemes. The equation power balance is applied. The analytical equation is solved by the method of successive approximations. Finite element simulation of the porous titanium ECAP process was carried out at the angles of intersection of the mold channels at 45°, 50°, 55° and 60°. Results and Discussion. The porosity of the blank is determined at different stages of the ECAP process. A diagram of the change in pressure on the punch using the analytical solution and finite element simulation is obtained. It is revealed that the results of the analytical solution are consistent with the data of the finite element simulation. The highest stress level occurs in the process of equal-channel angular pressing at α = 45°, however, the distribution of relative density over the cross section is most uniform. The maximum value of the pressure on the working punch decreases with an increase in the angle α. Rational technological parameters of pressing porous blanks should provide the maximum permissible pressure on the deforming tool. From this condition, in each specific ECAP process, it is possible to determine the optimal angle value from the analytical solution.

About the authors

I. M. Berezin

Email: i.m.berezin@urfu.ru
Ph.D. (Engineering), 1. Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 19 Mira st., Ekaterinburg, 620002, Russian Federation; 2. GUIDE SYSTEMS LLC, 18b Rodonitova str., Ekaterinburg, 620089, Russian Federation; i.m.berezin@urfu.ru

A. G. Zalazinskiy

Email: zalaz@list.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Science, 34 Komsomolskaya str., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation, zalaz@list.ru

D. I. Kryuchkov

Email: kru4koff@bk.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Science, 34 Komsomolskaya str., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation, kru4koff@bk.ru

References

  1. Experimental parameters influencing grain refinement and microstructural evolution during high-pressure torsion / A.P. Zhilyaev, G.V. Nurislamova, B.K. Kim, M.D. Baro, J.A. Szpunar, T.G. Langdon // Acta Materialia. – 2003. – Vol. 51, iss. 3. – P. 753–765. – doi: 10.1016/S1359-6454(02)00466-4.
  2. Novel ultra-high straining process for bulk materials – development of the accumulative roll-bonding (ARB) process / Y. Saito, H. Utsunomiya, N. Tsuji, T. Sakai // Acta Materialia. – 1999. – Vol. 47, iss. 2. – P. 579–583. – doi: 10.1016/S1359-6454(98)00365-6.
  3. Production of submicrocrystalline structure in large-scale Ti–6Al–4V billet by warm severe deformation processing / S.V. Zherebtsov, G.A. Salishchev, R.M. Galeyeva, O.R. Valiakhmetova, S.Yu. Mironova, S.L. Semiatin // Scripta Materialia. – 2004. – Vol. 51. – P. 1147–1151. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2004.08.018.
  4. Work hardening and microstructure of AlMg5 after severe plastic deformation by cyclic extrusion and compression / M. Richert, H.P. Stuwe, M.J. Zehetbauer, J. Richert, R. Pippan, Ch. Motz, E. Schafler // Materials Science and Engineering: A. – 2003. – Vol. 355, iss. 1–2. – P. 180–185. – doi: 10.1016/S0921-5093(03)00046-7.
  5. Mani B., Jahedi M., Paydar M.H. Consolidation of commercial pure aluminum powder by torsional-equal channel angular pressing (T-ECAP) at room temperature // Powder Technology. – 2012. – Vol. 219. – P. 1–8. – doi: 10.1016/j.powtec.2011.11.034.
  6. Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation / R.Z. Valiev, Yu. Estrin, Z. Horita, T.G. Langdon, M.J. Zehetbauer, Y.T. Zhu // JOM. – 2006. – Vol. 58. – P. 33–39. – doi: 10.1007/s11837-006-0213-7.
  7. Segal V. Review: modes and processes of severe plastic deformation (SPD) // Materials. – 2018. – Vol. 11 (7). – P. 1175. – doi: 10.3390/ma11071175.
  8. William G., Voorkes J. Conform and Linex – continuous aluminium extrusion machines // Light Metal Age. – 1978. – Vol. 36, iss. 1–2. – P. 18–20.
  9. Thomas B.M., Derguti F., Jackson M. Continuous extrusion of a commercially pure titanium powder via the Conform process // Materials Science and Technology. – 2017. – Vol. 33, iss. 7. – P. 899–903. – doi: 10.1080/02670836.2016.1245256.
  10. Segal V.M. Mechanics of continuous equal-channel angular extrusion // Journal of Materials Processing Technology. – 2010. – Vol. 210. – P. 542–549. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2009.11.001.
  11. Lapovok R., Tomus D., Bettles C. Shear deformation with imposed hydrostatic pressure for enhanced compaction of powder // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 58, iss. 10. – P. 898–901. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2008.01.010.
  12. Ultrafine-grained porous titanium and porous titanium/magnesium composites fabricated by space holder-enabled severe plastic deformation / Y. Qi, K.G. Contreras, H.D. Jung, H.E. Kim, R. Lapovok, Y. Estrin // Materials Science and Engineering: C. – 2016. – Vol. 59. – P. 754–765. – doi: 10.1016/j.msec.2015.10.070.
  13. Microstructural characteristics and superplastic-like behavior in aluminum powder alloy consolidated by equal-channel angular pressing / K. Matsuki, T. Aida, T. Takeuchi, J. Kusui, K. Yokoe // Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48, iss. 10. – P. 2625–2632. – doi: 10.1016/S1359-6454(00)00061-6.
  14. Xia K., Wu X. Back pressure equal channel angular consolidation of pure Al particles // Scripta Materialia. – 2005. – Vol. 53, iss. 11. – P. 1225–1229. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2005.08.012.
  15. Cold compaction study of Armstrong Process® Ti–6Al–4V powders / W. Chen, Y. Yamamoto, W.H. Peter, S.B. Gorti, A.S. Sabau, M.B. Clark, S.D. Nunn, J.O. Kiggans, C.A. Blue, J.C. Williams, B. Fuller, K. Akhtar // Powder Technology. – 2011. – Vol. 212, iss. 2. – P. 194–199. – doi: 10.1016/j.powtec.2011.08.007.
  16. Crowley G. How to extract low-cost titanium // Advanced Materials and Processes. – 2003. – Vol. 161, iss. 11. – P. 25–27.
  17. Chen G.Z., Fray D.J., Farthing T.W. Direct electrochemical reduction of titanium dioxide to titanium in molten calcium chloride // Nature. – 2000. – Vol. 407. – P. 361–364. – doi: 10.1038/35030069.
  18. Donaldson A., Cordes R.A. Rapid plasma quenching for the production of ultrafine metal and ceramic powders // JOM. – 2005. – Vol. 57, iss. 4. – P. 58–63. – doi: 10.1007/s11837-005-0083-4.
  19. Obtaining of titanium powder from titanium sponge by self-propagating high-temperature synthesis hydration and dehydration / V.I. Ratnikov, V.K. Prokudina, A.F. Belikova, N.V. Sachkova // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2010. – Vol. 51, iss. 4. – P. 352–358. – doi: 10.3103/S1067821210040176.
  20. Bukhvalov A.B., Gorshkov M.M., Litvinov B.V. Effect of hydrogenation and hot-cold rolling of compact from titanium sponge on its structure, strain hardening, and fracture behavior // Metal Science and Heat Treatment. – 2004. – Vol. 46, iss. 11–12. – P. 527–534. – doi: 10.1007/s11041-005-0013-7.
  21. Porous material based on spongy titanium granules: structure, mechanical properties, and osseointegration / A.P. Rubshtein, I.Sh. Trakhtenberg, E.B. Makarova, E.B. Triphonova, D.G. Bliznets, L.I. Yakovenkova, A.B. Vladimirov // Materials Science and Engineering: C. – 2014. – Vol. 35. – P. 363–369. – doi: 10.1016/j.msec.2013.11.020.
  22. Analysis of compressibility behavior and development of a plastic yield model for uniaxial die compaction of sponge titanium powder / A. Hadadzadeh, M.A. Whitney, M.A. Wells, S.F. Corbin // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 243. – P. 92–99. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.12.004.
  23. Влияние температуры на компактируемость брикетов из титановой губки, легированной водородом / А.В. Нестеренко, В.И. Новожонов, А.Г. Залазинский, А.В. Скрипов // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2015. – № 2. – С. 52–57. – doi: 10.17073/0021-3438-2015-2-52-57.
  24. Нестеренко А.В., Новожонов В.И., Вичужанин Д.И. Влияние деформационной обработки на свойства и структуру полуфабрикатов, полученных твердофазной консолидацией титановой губки // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2015. – № 4. – С. 42–47. – doi: 10.17073/0021-3438-2015-4-42-47.
  25. Нестеренко А.В., Новожонов В.И., Залазинский А.Г. Влияние деформационной обработки на свойства и структуру титана, полученного пластической деформацией титановой губки легированной водородом // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 3. – P. 98–108. – doi: 10.17804/2410-9908.2015.3.098-108.
  26. Патент № 2686436 Российская Федерацияна: № 2018132622: заявл. 12.09.2018; опубл. 25.04.2019, Бюл. № 12. Пресс-форма для двухстороннего прессования порошка / Березин И.М., Залазинский А.Г.
  27. Порошковая металлургия и напыленные покрытия / под ред. Б.С. Митина. – М.: Металлургия, 1987. – 792 с.
  28. Колмогоров В.Л. Напряжения. Деформации. Разрушение. – М.: Металлургия, 1970. – 229 с.
  29. Друянов Б.А. Прикладная теория пластичности пористых тел. – М.: Машиностроение, 1989. – 165 с.
  30. Залазинский А.Г., Колмыков В.Л., Соколов М.В. О физических уравнениях пористого материала // Известия вузов. Цветная металлургия. – 1997. – № 4. – С. 39–43.
  31. Залазинский А.Г. Пластическое деформирование структурно-неоднородных материалов. – Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2000. – 492 с.
  32. Залазинский А.Г., Поляков А.П. Построение разрывного решения для процесса выдавливания пластически сжимаемого тела // Известия вузов. Машиностроение. – 2001. – № 4. – С. 43–53.
  33. Gurson A.L. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: Pt. I. Yield criteria and flow rules for porous ductile materials // Journal of Engineering Materials and Technology. – 1977. – Vol. 99. – P. 2–15.
  34. Effect of acute tool-angles on equal channel angular extrusion/pressing / A.V. Nagasekhar, Y. Tick-Hon, S. Li, H.P. Seow // Materials Science and Engineering: A. – 2005. – Vol. 410–411. – Р. 269–272. – doi: 10.1016/j.msea.2005.08.043.
  35. Finite element analysis of the plastic deformation zone and working load in equal channel angular extrusion / S. Li, M.A.M. Bourke, I.J. Beyerlein, D.J. Alexander, B. Clausen // Materials Science and Engineering: A. – 2004. – Vol. 382, iss. 1–2. – P. 217–236. – doi: 10.1016/j.msea.2004.04.067.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».