Способ изготовления изделия из титанового сплава и способ термической обработки изделия из титанового сплава

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении листовых конструкций из титановых сплавов с применением формообразования, например холодной штамповки, и последующей термической обработки для частичного снятия нагартовки и улучшения механических характеристик изделия. Задача изобретения - снижение уровня энергозатрат и себестоимости производства при одновременном повышении циклической прочности изделия за счет исключения либо уменьшения числа промежуточных отжигов заготовки в процессе деформирования, что обеспечивается применением регламентированных степеней деформации, а также за счет выбора оптимального температурного режима отжига изделия в процессе термообработки. Для этого деформирование изделия осуществляют со степенью деформации ε, удовлетворяющей условию ε≤K₁•(18,5-1,8•10^-5σ²_в), где К₁=0,4...1 - коэффициент; σ_в - временное сопротивление, МПа. Изделия для частичного снятия нагартовки и улучшения механических характеристик подвергают отжигу, нагревая до температуры нагрева (Т_н), выбираемой по формуле T_н = K₂•(σ_в-190)+360, где К₂=0,2...0,3^oС/МПа - коэффициент; σ_в - временное сопротивление, МПа. Техническим результатом изобретения является уменьшение трудоемкости и длительности цикла изготовления изделия, а также повышение срока эксплуатации изделий из дорогостоящих титановых сплавов. 2 с.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении листовых конструкций из титановых сплавов с применением формообразования, например холодной штамповки, и последующей термической обработки.

Известен способ изготовления штампосварных изделий из титановых сплавов, преимущественно из листовых заготовок, включающий операции штамповки, сварки и нагрева, при котором заготовку перед штамповкой нагревают до 900-1000^oС в течение 10-60 мин, и изделие после сварки нагревают до 1000-1050^oС, выдерживают в нагретом состоянии 10-60 мин и охлаждают со скоростью 10^oС в мин до 900-600^oС (описание к а.с. СССР 333998, В 21 D 35/00).

Известный способ требует значительных энергозатрат на проведение термической обработки. При этом выбор температурных режимов не регламентирован в зависимости от обрабатываемого материала. Это приводит к перерасходу электроэнергии, усложнению технологического процесса и в ряде случаев - к пониженным механическим свойствам.

Известен способ изготовления изделия из титановых сплавов обработкой давлением листовой заготовки, при котором деформируют заготовку в холодном состоянии, а в процессе штамповки ее подвергают промежуточному отжигу (прототип, см. Технология производства титановых самолетных конструкций. /А. Г. Братухин, Б.А.Колачев, В.В.Садков и др. М.: Машиностроение, 1995. С.181-183).

В известном способе промежуточные отжиги необходимы для повышения характеристик пластичности заготовки, которые снижаются вследствие нагартовки в процессе холодной пластической деформации.

Однако промежуточные отжиги усложняют технологический процесс формообразования и повышают трудоемкость, энергозатраты, увеличивают длительность цикла изготовления.

Известен способ термической обработки нагартованных листовых деталей из титана и титановых сплавов, включающий нагрев, выдержку при температуре Т_отж, выбираемой по формуле T_отж = T_н.р-K(σ_в+20), где Т_н.р. - температура начала рекристаллизации сплава, ^oС; σ_в - временное сопротивление разрыву сплава, МПа; к=0,4-0,5^oС/МПа (описание к патенту РФ 2100473, С 22 F 1/18).

Известный способ позволяет улучшить механические характеристики нагартованного металла.

Однако для сплавов средней и особенно повышенной прочности температура отжига по известному способу недостаточна для повышения пластических свойств металла после холодного деформирования и это не позволяет в полной мере восстановить работоспособность изделия в условиях циклического нагружения. Поэтому способ является недостаточно эффективным применительно к холоднодеформируемым листовым конструкциям из титановых сплавов.

Известен способ термической обработки изделий из титановых сплавов, включающий низкотемпературный отжиг при 450-510^oС в течение 5-10 ч, охлаждение и полировку изделий (описание к а.с. СССР 411154, C 22 F 1/18, прототип).

Известный способ позволяет повысить предел выносливости изделий.

Однако выбор температуры не регламентирован в зависимости от конкретного сплава и уровня его прочности, что может приводить к заниженным усталостным характеристикам. Кроме того, значительная длительность нагрева приводит к существенным затратам электроэнергии и удорожает производство изделий.

Технический результат от использования изобретения - снижение уровня энергозатрат и себестоимости производства при одновременном повышении циклической прочности изделия за счет исключения либо уменьшения числа промежуточных отжигов заготовки в процессе деформирования, что обеспечивается регламентированием степени деформации, а также за счет выбора оптимального температурного режима отжига изделия в процессе термообработки.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделия из титановых сплавов, включающем формообразование листовой заготовки холодным пластическим деформированием и нагрев, деформирование заготовки осуществляют со степенью деформации ε, удовлетворяющей условию: ε≤K₁•(18,5-1,8•10^-5•σ²_в), где K₁=0,4...1 - коэффициент, σ_в - временное сопротивление разрыву сплава, МПа, а изделие после формообразования подвергают термической обработке, включающей низкотемпературный отжиг.

В способе термической обработки изделия из титановых сплавов, включающем низкотемпературный отжиг, изделия подвергают отжигу, нагревая до температуры Т_н, выбираемой по формуле T_н = K₂•(σ_в-190)+360,
где K₂=0,2...0,3^oС/МПа - коэффициент;
σ_в - временное сопротивление разрыву сплава, МПа.

Предельная степень деформации, рассчитываемая по формуле ε = K₁•(18,5-1,8•10^-5•σ²_в), где K₁=0,4...1, позволяет с учетом уровня прочности металла обеспечить ему в сочетании с последующей термообработкой максимальные показатели циклической прочности. Предлагаемая эмпирическая формула выведена экспериментально и позволяет определять предельные степени деформации ε, при которых достигается критическая плотность дислокаций и возрастает вероятность трещинообразования для конкретного сплава с учетом его прочностных свойств. Коэффициент K₁ учитывает схему деформации заготовки в процессе формообразования (вытяжка, гнутье) и особенности заготовки - наличие либо отсутствие сварных швов в зоне деформации (т.е. тип микроструктуры металла, а также наличие геометрических концентраторов, свойственных сварному шву, - подрезы, усиления и пр.).

Низкотемпературный отжиг проводится для частичного снятия нагартовки и улучшения механических характеристик изделия. Температура нагрева рассчитывается по формуле T_н = K₂•(σ_в-190)+360, полученной экспериментально из условия оптимизации циклической долговечности изделий с учетом прочностных характеристик металла. Низкотемпературный отжиг обеспечивает некоторое снижение плотности дислокаций, упорядочивание структуры вследствие начала процесса полигонизации и дисперсионное упрочнение при распаде метастабильных фаз, зафиксированных в процессе предшествующих операций (например, аргонодуговой сварки). Как следствие, достигается повышение циклической прочности металла. Величина коэффициента К₂ выбирается в зависимости от различных технологических факторов (наличия в изделии сварных швов, наличия либо отсутствия предшествующей операции формообразования и схемы деформирования) и с учетом характера эксплуатационных нагрузок (статические и повторно-статические либо усталостные.

Известных решений, содержащих отличительные признаки, не обнаружено.

Пример конкретного выполнения
Изготавливали методом вытяжки деталь типа чаши из листового технического титана ВТ1-0 толщиной 1,2 мм диаметром 180 мм и глубиной 18 мм (максимальная степень растяжения 20%). Временное сопротивление разрыву титана ВТ1-0 σ_в = 450 МПa.
Перед вытяжкой заготовку подвергают полному отжигу в вакуумной печи типа УВН-1500 по режиму 550^oС, 2 ч.

По предлагаемому способу предельное значение степени деформации ε при выбранном коэффициенте K₁=1 составляет ε=14,86%. Таким образом, процесс вытяжки по предлагаемому способу осуществляют в два перехода со степенями деформации в 10% с 1 промежуточным полным вакуумным отжигом по режиму 550^oС, 2 ч.

По прототипу степень растяжения за один переход ограничивается для титана ВТ1-0 значением в 7% (см., например, книгу: Технология производства титановых самолетных конструкций. /А.Г.Братухин, Б.А.Колачев, В.В.Садков и др. М. : Машиностроение, 1995. С.182). После этого требуется проведение промежуточного полного вакуумного отжига при температуре 550^oС в течение 2 ч, т. е. деформация в 20% по способу, взятому за прототип, обеспечивается в три перехода с двумя промежуточными вакуумными отжигами по режиму 550^oС, 2 ч.

Затраты электроэнергии на проведение 1 садки в вакуумной печи типа УВН-1500 по режиму 550^oС, 2 ч составляют ≈3680 кВт.ч.

После операций формообразования изделие подвергают окончательному низкотемпературному воздушному отжигу в печи типа ЭТА-4 по режиму 465^oС, 1 ч (см. , например, режимы неполного отжига в книге: Технология производства титановых самолетных конструкций. /А.Г.Братухин, Б.А.Колачев, В.В.Садков и др. М.: Машиностроение, 1995. С.79). Затраты электроэнергии на проведение 1 садки в печи типа ЭТА-4 по режиму 465^oС, 1 ч составляют ≈1850 кВт.ч. По предлагаемому способу термической обработки температура нагрева равна Т_н=K₂•(450-190)+360, где K₂ в данном случае равен 0,2. Т_н=0,2•260+360=412^oС. Время выдержки (с учетом времени восстановления печи) - 1ч. Затраты электроэнергии на проведение 1 садки в печи типа ЭТА-4 по режиму 412^oС, 1 ч составляют ≈1680 кВт.ч.

По прототипу был выбран режим 450^oС, 8 ч. Затраты электроэнергии на проведение 1 садки в печи типа ЭТА-4 по режиму 450^oС, 8 ч составляют ≈3890 кВт.ч.

Готовые изделия подвергали сравнительным циклическим испытаниям пульсирующим внутренним давлением при частоте f=0,2 Гц, коэффициенте асимметрии цикла R=+0,1. Максимальное напряжение цикла σ_max составляло 350 МПа.

Сравнительные данные по предлагаемому способу и прототипу сведены в таблицу.

Экономический эффект заключается в экономии, уменьшении трудоемкости и длительности цикла изготовления изделий, а также повышении срока эксплуатации изделий из дорогостоящих титановых сплавов.

Формула изобретения

1. Способ изготовления изделия из титанового сплава, включающий формообразование заготовки холодным пластическим деформированием и термическую обработку, отличающийся тем, что деформирование заготовки проводят со степенью деформации
ε≤K₁•(18,5-1,8•10^-5σ²_в),
где К₁=0,4...1 - коэффициент;
σ_в - временное сопротивление, МПа,
а термическую обработку осуществляют с использованием низкотемпературного отжига.

2. Способ термической обработки изделия из титанового сплава, включающий низкотемпературный отжиг, отличающийся тем, что низкотемпературный отжиг проводят при температуре нагрева
T_н = K₂•(σ_в-190)+360,
где К₂=0,2...0,3^oС/МПа - коэффициент;
σ_в - временное сопротивление, МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1