Способ термической обработки титановых сплавов

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в любой отрасли промышленности, где применяются титановые сплавы. Способ включает в себя нагрев в вакууме до температуры, лежащей в интервале от температуры полиморфного превращения t_пп до t_пп 50°С, выдержку не менее 1 ч, охлаждение до t_пп насыщение водородом до 0,5 - 1,0 мас.%, охлаждение в атмосфере водорода в интервале температур от t_пп до t^y_пп (наводороженного сплава) и последующий вакуумный обжиг при 700 - 800°С. Способ позволяет повысить пластичность и ударную вязкость при сохранении уровня прочности. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в любой отрасли промышленности, где применяются титановые сплавы. Литые α и псевдо-α титановые сплавы имеют невысокую прочность и пластичность, что обусловлено крупнозернистой структурой и грубопластинчатым внутризеренным строением. Эти сплавы термически не упрочняются. Известен способ обработки литых полуфабрикатов из α и псевдо-α титановых сплавов, включающий нагрев заготовки до температур ( α + β ) или β -области, пластическую деформацию, охлаждение и последующий рекристаллизационный отжиг. Способ позволяет осуществить необходимое формоизменение заготовки, устранить микродефекты литейного происхождения (поры, трещины) и преобразовать литую микроструктуру в мелкозернистую рекристаллизованную, что приводит к повышению комплекса прочностных и пластических свойств. Однако этот способ не применим для фасонных отливок. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ термической обработки псевдо- α титановых сплавов, включающий нагрев в вакууме до температуры 0,9 температуры полиморфного превращения сплава (Ас₃), насыщение водородом с одновременным охлаждением от температуры 0,9 Ас₃ до температуры 0,9 температуры полиморфного превращения наводороженного сплава (Ас₃^н) со скоростью не более 0,05^оС/с, а далее со скоростью не менее 250^оС/с и последующий вакуумный отжиг. Способ позволяет повысить твердость и прочность сплавов при сохранении пластичности. Однако применение этого способа для литых полуфабрикатов и фасонных отливок не позволяет устранить химическую микронеоднородность структуры, характерную для литого состояния, которая снижает пластичность и ударную вязкость отливок. Кроме того, для α и псевдо-α сплавов, претерпевающих эвтектоидное превращение γ+α в наводороженном состоянии, необходима строгая регламентация количества вводимого водорода. Недостаточная концентрация водорода не позволяет преобразовать литую структуру, а насыщение выше определенного предела приводит к возникновению микротрещин в отливках вследствие больших объемных эффектов, сопровождающих выделение гидридов при превращении в процессе охлаждения. Это также приводит к снижению пластических характеристик и может привести к разрушению отливки в процессе эксплуатации. Цель изобретения состоит в разработке способа термической обработки литых α и псевдо- α титановых сплавов, позволяющего повысить пластичность, ударную вязкость и прочность за счет устранения химической микронеоднородности и преобразования литой грубопластинчатой структуры в мелкодисперсную и при этом исключить образование микротрещин. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе термической обработки псевдо-α титановых сплавов, включающем нагрев в вакууме до температуры 0,9 Ас₃, насыщение водородом с одновременным охлаждением до температуры 0,9 Ас₃^н, охлаждение до нормальной температуры и последующий вакуумный отжиг, перед насыщением водородом проводят нагрев в вакууме до температуры, лежащей в интервале от температуры конца α+β/β перехода (Ас₃) до температуры Ас₃ 50^оС, выдерживают в течение не менее 1 ч, охлаждают в вакуумной печи до температуры начала наводороживания (0,9 Ас₃), насыщают водородом до концентрации 0,5-1,0% по массе, а вакуумный отжиг проводят при температуре 700-800^оС. Нагрев до температуры t_н, лежащей в интервале от (Ас₃ 50^оС) до Ас₃, и выдержка ( τ) продолжительностью не менее 1 ч позволяет устранить химическую микронеоднородность в структуре, а также дефекты, связанные с неоднородным распределением примесей, вследствие интенсивного протекания диффузионных процессов. Это обеспечивает более высокую пластичность и особенно ударную вязкость сплава, которые сохраняются и при последующей упрочняющей обработке. При нагреве до более низких температур процессы гомогенизации протекают крайне медленно, и для достижения химической однородности требуется недопустимо длительное время (десять и более часов). Перегрев выше температуры Ас₃ (в β -область) приводит к росту β -зерна и образованию при последующем охлаждении крупной α-оторочки, что снижает пластичность и прочность сплава. При выдержках менее 1 ч химическая микронеоднородность структуры не устраняется полностью, а увеличение τ до 1,5 ч и более не приводит к дополнительному улучшению свойств, а лишь увеличивает общее время обработки и ее энергоемкость. Измельчение литой структуры при введении водорода обусловлено понижением температуры α+β/β перехода, увеличением объемного эффекта α+γ превращения и протеканием эвтектоидного α+γ превращения, также сопровождающегося большими объемными изменениями. Концентрация водорода должна обеспечивать снижение температуры Ас₃ не менее чем на 150-200^оС, величину объемного эффекта 5-10% и наличие в псевдо- α сплаве эвтектоидного распада. При концентрации водорода (С_н) менее 0,5% эти условия не выполняются и необходимого преобразования литой структуры не происходит. При повышении С_н более 1,0% объемные эффекты превращений настолько высоки (12-14%), что в процессе наводороживания в образцах образуются микротрещины, что приводит к резкому снижению пластичности и ударной вязкости. Температура вакуумного отжига должна обеспечивать сохранение преобразованной мелкодисперсной структуры и удаление водорода до безопасной концентрации. При температурах ниже 700^оС водород удаляется крайне медленно (процесс длится 8-10 ч и более), а в сечениях более 10 мм его концентрация превышает допустимую. Это приводит к снижению пластических и ударных характеристик. При повышении температуры вакуумного отжига более 800^оС происходит укрупнение и коагуляция частиц α-фазы, что приводит к разупрочнению сплава. Предложенный способ был опробован на литых цилиндрах диаметром 12 мм из сплавов ВТ5Л и ВТ20Л. Образцы имели грубопластинчатую литую структуру с низкими прочностными и пластическими характеристиками. После обработки по известному и предлагаемому способам образцы подвергали рентгеноструктурному и металлографическому анализу. Далее из цилиндров изготавливали образцы для испытания на растяжение и ударную вязкость. Испытания проводили по стандартным методикам. Режимы обработки приведены ниже. Время вакуумного отжига, исходя из необходимости полной дегазации, составляло 3 ч. Температура Ас₃ для сплава ВТ20Л исследованной плавки составляла 1010^оС, а для сплава ВТ5Л 980^оС. Температура Ас₃^н при концентрации водорода 0,5% составляла: для ВТ20Л 750^оС, для ВТ5Л 770^оС, а при концентрациях от 0,8 до 1,0% 700^oС (ВТ20Л) и 730^оС (ВТ5Л). Охлаждение после вакуумного отжига проводили в вакуумной печи до нормальной температуры. Результаты определения механических свойств приведены в таблице. I. Известный способ. Режим 1. Нагрев в вакууме до температуры 0,9 Ас₃, насыщение водородом с охлаждением до температуры 0,9 Ас₃^н, далее охлаждение со скоростью 250^оС/с и стандартный вакуумный отжиг. II. Предлагаемый способ в заявляемых пределах. Режим 2. Нагрев до t_н=Аc₃-20^oC (ВТ20Л 990^оС, ВТ5Л 960^оС), выдержка τ=1 ч, насыщение водородом до С_н=0,9% при температуре от 0,9 Ас₃ (ВТ20Л 910^оС, ВТ5Л 880^оС), до 0,9 Ас₃^н, (ВТ20Л 620^оС, ВТ5Л 660^оС), вакуумный отжиг при t_в.о=750^оС. Режим 3. Нагрев до t_н=Ас₃-50^oС (ВТ20Л 960^оС, ВТ5Л 930^оС), τ1 ч, С_н=0,8% t_в.о=750^оС. Режим 4. Нагрев до t_н=Ас₃, (ВТ20Л 1010^оС, ВТ5Л 980^оС), τ=1 ч, С_н=0,8% t_в.о=750^оС. Режим 5. Нагрев до t_н=Ас₃-20^оС, τ=1 ч, С_н=0,5% t_в.о=750^оС. Режим 6. Нагрев до t_н=Ас₃-20^оС, τ=1 ч, С_н=1,0% t_в.о=750^оС. Режим 7. Нагрев до t_н=Ас₃-20^оС, τ1 ч, С_н=0,8% t_в.о=700^оС. Режим 8. Нагрев до t_н=Аc₃-20^оС, τ1 ч, С_н=0,8% t_в.о=800^oС. III. Предлагаемый способ с выходом за заявляемые пределы. Режимы 9. Нагрев до t_н=Ас₃-100^оС, (ВТ20Л 910^оС, ВТ5Л 880^оС), τ=1 ч, С_н= 0,8% t_в.о=750^оС. Режим 10. Нагрев до t_н=Ас₃+ 50^оС (ВТ20Л 1060^оС, ВТ5Л 1030^оС), τ1 ч, С_н= 0,8% t_в.о=750^оС. Режим 11. Нагрев до t_н=Ас₃-20^оС, τ0,5 ч, С_н=0,8% t_в.о=750^оС. Режим 12. Нагрев до t_н=Аc₃-20^оС, τ1 ч, С_н=0,4% t_в.о=750^оС. Режим 13. Нагрев до t_н=Ас₃-20^оС, τ=1ч, С_н=1,1% t_в.о=750^оС. Режим 14. Нагрев до t_н=Ас₃-20^оС, τ1 ч, С_н=0,8% t_в.о=850^оС. Режим 15. Нагрев до t_н=Ас₃-20^оС, τ1 ч, С_н=0,8% t_в.о=650^оС. Обработка по предлагаемому способу позволяет повысить пластичность и ударную вязкость листовых полуфабрикатов из сплавов ЦТ20Л и ЦТ5Л за счет достижения химической неоднородности структуры и выбора оптимальных значений концентрации водорода и температуры вакуумного отжига. Технико-экономическая эффективность способа состоит в повышении пластических и ударных свойств фасонного литья из α и псевдо- α титановых сплавов.

Формула изобретения

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ, преимущественно литых α и псевдо- a, включающий нагрев, насыщение водородом, охлаждения в атмосфере водорода в интервале температур 0,9t_п.п-0,9t^н_п.п и последующий вакуумный отжиг, отличающийся тем, что, с целью повышения пластичности и ударной вязкости при сохранении прочности, перед насыщением сплава водородом проводят нагрев в вакууме до температуры, лежащей в интервале t_n.n - (t_n.n 50^oС), выдерживают не менее 1 ч, охлаждают в вакуумной печи до температуры начала наводороживания 0,9 t_n.n, насыщают водородом до концентрации 0,5 1,0 мас. а вакуумный отжиг проводят при 700 800^oС, где t_n.n - температура конца полиморфного превращения сплава; t^y_п.п температура конца полиморфного превращения наводороженного сплава.

РИСУНКИ

Рисунок 1