Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок
Владельцы патента RU 2251588:
Научно-исследовательское учреждение Институт физики прочности и материаловедения (НИУ ИФПМ СО РАН) (RU)
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. Предложенный способ получения ультрамелкозернистых заготовок из титана технической чистоты включает интенсивную пластическую деформацию в пересекающихся каналах и последующую механическую обработку заготовки, при этом механическую обработку проводят путем многократной прокатки или экструзии при комнатной температуре при степени обжатия за один проход, не вызывающей формирование магистральной трещины и разрушение материала, и числе проходов при прокатке или экструзии, обеспечивающих конечную степень деформации 80-90%. Техническим результатом изобретения является получение ультрамелкозернистых листовых титановых заготовок, обладающих повышенными показателями усталостной прочности при сохранении прочности и технологической пластичности. 1 ил.
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 интенсивную 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 механической обработки титановых заготовок многократной прокаткой или экструдированием (Цвиккер У. Титан и его сплавы. Берлин - Нью-Йорк. 1974. Пер. с нем. М.: Металлургия. 1979. С.512), обеспечивающий существенное повышение механических свойств за счет создания в материале субструктуры.
Известен способ обработки титановых заготовок по а.с. СССР №17337920, МПК С 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 обработки титановых заготовок, включающий интенсивную пластическую деформацию заготовки в персекающихся вертикальном и горизонтальном каналах с подпором в последнем, который осуществляется на начальной и окончательной стадиях процесса деформирования (патент РФ №2139164, МПК В 21 J 5/00, опубл. 10.10.99 г., БИ №28).
Известные способы не позволяют получать требуемые физико-механические характеристики, включая показатели малоцикловой усталости материала.
Наиболее близким к предложенному является способ обработки титановых заготовок, включающий интенсивную пластическую деформацию заготовки в пересекающихся каналах 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 часа (патент РФ №2175685, С1, В 21 J5/00, опубл. 10.11.2001 г., БИ №31).
Данный способ позволяет получать за счет интенсивной пластической деформации и последующей термомеханической обработки ультрамелкозернистую структуру обрабатываемого материала с размером зерен около 0,1 мкм, что повышает прочностные и усталостные характеристики. Однако уровень усталостной прочности ниже усталостной прочности высоколегированных титановых сплавов и недостаточен для использования в ответственных конструкциях.
Изобретение направлено на улучшение усталостных свойств заготовок из титана технической чистоты при сохранении высокой прочности и технологической пластичности.
Поставленная задача достигается способом получения ультрамелкозернистых заготовок из титана технической чистоты, включающим интенсивную пластическую деформацию в пересекающихся каналах и последующую обычную пластическую деформацию при комнатной температуре, например, прокаткой или экструзией. В отличие от прототипа, деформацию прокаткой ведут до степени 80-90% без промежуточных и окончательного отжигов.
Как и в прототипе, на первом этапе формирования ультрамелкозернистой структуры, то есть при интенсивной пластической деформации в пересекающихся каналах при понижении температуры, в материале происходит уменьшение среднего размера зерен до 0,3 мкм. На втором этапе - последующей деформации прокаткой или экструзией при комнатной температуре - зерна дополнительно измельчаются примерно до 0,1 мкм. Указанное измельчение в прототипе достигается чередованием прокатки и отжигов. Отжиги приводят к снижению высоких остаточных напряжений, которые способствуют разрушению материала при высоких степенях деформации. Однако в то же время при отжигах происходит выделение вторых фаз, значительно уменьшается количество подвижных дислокаций. Эти факторы приводят к изменению характера деформационного поведения материала при циклических нагрузках и не достигаются возможные значения усталостных характеристик. Для того чтобы избежать преждевременного разрушения материала при прокатке, по настоящему изобретению степень обжатия за один проход экспериментально выбирают таким образом, чтобы избежать формирования магистральной трещины на всех этапах прокатки до достижения степени деформации 80-90%. Практически это означает прокатку при очень малых степенях обжатия, начиная с первого цикла прокатки. Как показали эксперименты, при такой схеме прокатки можно не проводить промежуточных и окончательных термообработок. В результате формируется структура с ультрамелким размером зерна (до 0,1 мкм) с высокой степенью неравновесности границ и большим количеством подвижных дислокаций. Эти факторы обусловливают повышение усталостной прочности титана технической чистоты.
Способ осуществляют следующим образом.
Титановую заготовку в виде прутка подвергают интенсивной пластической деформации в пересекающихся каналах при понижении температуры в интервале 500-250°С в несколько последовательных проходов, между которыми пруток вращают на угол 90° для равномерной проработки структуры. Количество проходов определяется достижением накопленной логарифмической степени деформации е≥4. После окончания этапа интенсивной пластической деформации заготовку вынимают из оснастки и охлаждают до комнатной температуры. После этого заготовку подвергают холодной деформации, например, ступенчатой многоходовой прокаткой. При этом степень обжатия за один проход экспериментально подбирают таким образом, чтобы в заготовке не формировалась магистральная трещина, а количество проходов определяют так, чтобы конечная степень деформации составляла 80-90%. После выполнения описанных выше процедур проводят контроль структуры и физико-механических свойств.
Пример конкретного выполнения.
Исходную горячекатаную заготовку из технически чистого титана марки ВТ 1-0 в виде прутка диаметром 40 мм подвергают интенсивной пластической деформации по описанному выше способу. Угол пересечения каналов α=90°. Температура начала и конца интенсивной пластической деформации составила 450 и 400°С соответственно. Число последовательных проходов n=8, в результате чего достигается деформация е=9,2. После охлаждения заготовки до комнатной температуры из нее вырезали пластины толщиной 3-8 мм, затем эти пластины многократно прокатывали на обычном двухвалковом прокатном стане при комнатной температуре. Степень обжатия за один проход составляла 0,05-0,1 мм. Количество проходов соответствовало конечной степени деформации 88%. В результате получали плоские пластины шириной 20-30 мм и длиной до 300 мм
Результаты испытаний показали следующие свойства полученного материала:
размер зерен d=0.1 мкм
предел прочности σв=1150 МПа
предел текучести σ0,2=950 МПа
относительное удлинение до разрушения δ=13%
предел выносливости σ0=650 МПа
На чертеже представлены результаты усталостных испытаний при знакопостоянном равномерном изгибе. Видно, что при максимальных напряжениях цикла ниже 650 МПа все испытанные образцы выдержали заданное количество циклов без разрушения, то есть предел выносливости составил 650 МПа. При реализации способа по прототипу предел выносливости был равен 500 МПа.
Таким образом, предложенный способ получения ультрамелкозернистых листовых титановых заготовок существенно повышает усталостную прочность материала при сохранении прочности и технологической пластичности, позволяет сократить временные и энергетические затраты на производство материала из-за отсутствия операций промежуточного и конечного отжигов.
Способ получения ультрамелкозернистых заготовок из титана технической чистоты, включающий интенсивную пластическую деформацию в пересекающихся каналах и последующую механическую обработку заготовки, отличающийся тем, что механическую обработку проводят путем многократной прокатки или экструзии при комнатной температуре при степени обжатия за один проход, не вызывающей формирование магистральной трещины и разрушение материала, и числе проходов при прокатке или экструзии, обеспечивающих конечную степень деформации 80-90%.
