Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок

 

Изобретение может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине при изготовлении полуфабрикатов из титана путем деформационно-термической обработки, сопровождающейся изменением физико-механических свойств металла. Сущность способа состоит в следующем: проводят пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при понижении температуры в интервале 500-250^oC с накопленной логарифмической степенью деформации е ≥ 4, после чего осуществляют термомеханическую обработку чередованием холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательным отжигом в интервале температур 250-500^oC в течение 0,5-2 ч. Техническим результатом изобретения является улучшение механических свойств обрабатываемого материала путем повышения прочности и усталостных характеристик при сохранении пластичности. Сочетание интенсивной пластической деформации и последующей термомеханической обработки в указанных режимах позволяет сформировать в материале термически стабильную ультрамелкозернистую структуру с размером зерен не более 0,1 мкм, при этом повышается уровень прочности на растяжение и усталостная прочность.

Изобретение относится к деформационно-термической обработке с изменением физико-механических свойств металла и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине при изготовлении полуфабрикатов из титана.

Известны способы обработки металлов с целью повышения их свойств, в частности для получения ультрамелкозернистой структуры, обеспечивающей улучшение физико-механических характеристик. Эти способы могут сочетать в себе пластическую деформацию и термомеханическую обработку.

Например, способ деформирования заготовок в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах (см. В. М. Сегал, В.И. Копылов, В.И. Резников "Процессы пластического структурообразования металлов", Минск: Навука и тэхника, 1994, с. 26) позволяет упрочнять металл в процессе обработки за счет достижения высокой интенсивности накопленных деформаций сдвига.

Известен способ обработки титановых заготовок по а.с. СССР N 1737920, МПК C 22 F 1/18, опубл. 15.12.94 г., заключающийся в деформировании материала при температуре смены механизма гомогенной деформации первичным двойникованием на механизм гетерогенной деформации послойным течением.

Известен способ термической обработки деталей из титановых сплавов, включающий нагрев до 150-200^oC, выдержку в течение 2-3 ч, охлаждение и последующий нагрев до 500-750^oC с выдержкой 0,25-2,0 ч (патент РФ N 2020187, МПК C 22 F 1/18, опубл. 30.09.94 г.).

Известен способ термомеханической обработки титановых заготовок, включающий нагрев в β-область, деформацию при температуре нагрева со степенью 60-70%, повторную деформацию в направлении, перпендикулярном первоначальной, и окончательную деформацию в (α+β)-области, после чего осуществляют закалку в воде и старение при 630-650^oC (а.с. СССР N 1613505, МПК C 22 F 1/18, опубл. 15.12.90 г.).

Известные способы обработки не позволяют получать требуемые физико-механические характеристики, включая показатели выносливости и малоцикловой усталости материала.

Наиболее близким к предложенному является способ обработки заготовок, включающий интенсивную пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах с подпором в последнем, который осуществляют на начальной и окончательной стадиях процесса деформирования (патент РФ N 2139164, МПК В 21 J 5/00, опубл. 10.10.99 г.).

Данный способ позволяет получать за счет интенсивной пластической деформации ультрамелкозернистую структуру обрабатываемого материала и повысить уровень физико-механических свойств. Однако формируемая структура и получаемый уровень механических свойств (прочности) недостаточны для использования в ответственных конструкциях.

Изобретение направлено на улучшение механических свойств обрабатываемого материала с целью повышения прочностных и усталостных характеристик при сохранении пластичности.

Поставленная задача достигается способом получения ультрамелкозернистых титановых заготовок, включающим пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах с подпором в последнем. В отличие от прототипа пластическую деформацию проводят при понижении температуры в интервале 500-250^oC с накопленной логарифмической степенью деформации e ≥ 4, после чего осуществляют термомеханическую обработку чередованием холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательном отжигом в интервале температур 250-500^oC в течение 0,5-2 ч.

Сочетание интенсивной пластической деформации и последующей термомеханической обработки в указанных режимах позволяет сформировать в материале термически стабильную ультрамелкозернистую структуру с размером зерен не более 0,1 мкм, при этом повышается уровень прочности на растяжение и усталостная прочность.

Способ осуществляют следующим образом.

Титановую заготовку в виде прутка подвергают пластической деформации в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах с подпором в последнем, который обеспечивается разницей в поперечном сечении каналов и выполнением горизонтального канала ступенчатым. Деформацию проводят при понижении температуры в интервале 500-250^oC в несколько последовательных проходов, между которыми пруток вращают вокруг продольной оси на угол 90^o для равномерной проработки структуры. Количество проходов определяется достижением накопленной логарифмической степени деформации e ≥ 4.

После окончания этапа пластической деформации заготовку вынимают из оснастки и охлаждают до комнатной температуры. Затем ее подвергают правке и обработке на токарном станке для снятия дефектного слоя, после чего проводят контроль микротвердости, механических свойств на растяжение и микроструктуры.

На следующем этапе, называемом термомеханической обработкой (ТМО), заготовку подвергают ступенчатой многоходовой прокатке на 4-х валковом стане с промежуточным и окончательным отжигами. Температура отжига на промежуточной стадии составляет 500-350^oC, время 0,5-2 ч. На окончательной стадии температура отжига составляет 350-250^oC, время 0,5-2 ч. Суммарная степень деформации заготовки составляет 30-90%. После окончания этапа ТМО повторно проводят контроль микроструктуры, микротвердости и механических свойств.

Пример конкретного выполнения.

Берем исходную горячекованую заготовку из технически чистого титана марки ВТ1-0, в виде прутка диаметром 24,5 мм и длиной 120 мм с равномерной мелкозернистой структурой со средним размером зерен 10 мкм.

Пруток подвергали пластической деформации по описанному выше способу. Угол пересечения каналов α = 90^o. Температура начала и конца деформации составила 450 и 400^oC соответственно. Число последовательных проходов n=8, в результате чего достигается степень деформации e=9,2. После охлаждения заготовки до комнатной температуры ее подвергали правке и токарной обработке до диаметра ⊘ 22 мм. Контроль параметров и механических свойств показал: размер зерен - d = 0,3 мкм предел прочности - σ_в= 710 мПа предел текучести - σ₀₂= 640 мПа усталостная прочность - σ_-1= 400 мПа на базе 2-10⁷циклов микротвердость - H_v = 3000 мПа относительное удлинение - δ = 14% относительное сужение - ψ = 60% На следующем этапе пруток подвергали термомеханической обработке, а именно многоходовой прокатке на 4-х валковом стане с промежуточным и окончательным отжигом по схеме: прокатка со степенью деформации 43%;
промежуточный отжиг при t=350^oC в течение 1 ч;
прокатка со степенью деформации 61%;
окончательный отжиг при t=300^oC в течение 1 ч.

Суммарная степень деформации от начального сечения ⊘ 22 мм до конечного ⊘ 15 мм составила 78%. Возникающая в процессе прокатки кривизна устранялась правкой. В результате обработки получили пруток диаметром ⊘ 14 мм и длиной ~ 200 мм.

Контроль параметров и механических свойств показал:
размер зерен - d = 0,1 мкм
предел прочности - σ_в= 1115 мПа
предел текучести - σ₀₂= 1050 мПа
усталостная прочность - σ_-1= 500 мПа
микротвердость - H_v = 3200 мПа
относительное удлинение - δ = 10%
относительное сужение - ψ = 60%
Таким образом, предложенный способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок существенно улучшает механические свойства обрабатываемого материала, что позволяет использовать его в ответственных конструкциях.

Формула изобретения

Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок, включающий пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах с подпором в последнем, отличающийся тем, что пластическую деформацию проводят при понижении температуры в интервале 500-250°С, с накопленной логарифмической степенью деформации е≥4, после чего осуществляют термомеханическую обработку чередованием холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательным отжигом в интервале температур 250-500°С в течение 0,5-2 ч.