Способ термомеханической обработки 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. Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок включает интенсивную пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при температуре 500-250°С и термомеханическую обработку. Термомеханическую обработку, включающую отжиг и деформацию, проводят перед интенсивной пластической деформацией, достигая при этом накопленной логарифмической степени деформации не менее 4,5, причем отжиг осуществляют при температуре не выше температуры полиморфного превращения минус 200°С, термомеханическую обработку начинают проводить при температуре отжига, которую ступенчато снижают до температуры интенсивной пластической деформации. Технический результат - повышение прочностных характеристик и равномерности их распределения по сечениям заготовки за счет формирования однородной ультрамелкозернистой структуры. Формирование в заготовке однородной УМЗ структуры при меньшем числе проходов в условиях промышленного применения является перспективным для снижения трудоемкости процесса, увеличения коэффициента полезного использования металла. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине при изготовлении полуфабрикатов из титана путем деформационно-термической обработки, сопровождающейся изменением физико-механических свойств металла.

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

Известен способ получения ультрамелкозернистой структуры технически чистого титана путем многократной всесторонней ковки плоскими бойками при температурах 400-700°С ("Формирование субмикрокристаллической структуры в титановых сплавах интенсивной пластической деформацией". Жеребцов С.В., Галеев P.M., Валиахметов О.Р., Малышева С.П., Салищев Г.А., Мышляев М.М. Кузнечно-штамповочное производство, №7, 1999, с.17-22).

Известен способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок, включающий интенсивную пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах ("Влияние маршрутов РКУП на микроструктуру и свойства чистого титана". Столяров В.В., Жу Ю.Т., Александров И.В., Лоу Т.С., Валиев Р.З. Материал Сайенс анд Инженеринг А299 (2001) с.59-67).

Известен способ комбинированной интенсивной пластической деформации заготовок, включающий деформацию кручением в винтовом канале, затем равноканальное угловое прессование (патент РФ №2240197, МПК B 21 J 5/00, C 22 F 1/18, В 21 С 25/00, опубл. 20.11.04).

Однако известные способы обработки не позволяют обеспечивать требуемые физико-механические характеристики и равномерность их распределения по сечениям заготовки.

Наиболее близким к предложенному способу является способ обработки заготовок, включающий пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах, с последующей термомеханической обработкой (патент РФ №2175685, МКИ С 22 F 1/18, В 21 J 5/00, опубл. 10.11.01).

Данный способ позволяет получать за счет интенсивной пластической деформации ультрамелкозернистую структуру обрабатываемого материала и повысить уровень физико-механических свойств. Однако недостатком данного способа является высокая трудоемкость процесса получения заготовок, связанная с необходимостью проведения большого числа проходов интенсивной пластической деформации (ИПД) в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах (4 и более прохода), высокий коэффициент использования металла, а также неоднородность структуры получаемой заготовки, приводящая к анизотропии механических свойств.

Задачей изобретения является снижение трудоемкости процесса получения полуфабрикатов, улучшение механических свойств обрабатываемого материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости) при сохранении хорошей пластичности, а также достижение их равномерности по длине заготовки.

Поставленная задача достигается способом получения ультрамелкозернистых заготовок, включающим интенсивную пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при температуре 500-250°С и термомеханическую обработку. В отличие от прототипа термомеханическую обработку, включающую отжиг и деформацию, проводят перед интенсивной пластической деформацией, причем отжиг осуществляют при температуре не выше температуры полиморфного превращения минус 200°С, а деформацию начинают проводить при температуре отжига и ступенчато снижают до температуры интенсивной пластической деформации в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах, достигая накопленной логарифмической степени деформации не менее 4,5.

Проведение деформационно-термической обработки перед интенсивной пластической деформацией в указанных режимах позволяет предварительно измельчить структуру и тем самым обеспечить условия для формирования дальнейшей обработки однородной ультрамелкозернистой структуры. Это приводит к повышению прочностных характеристик и равномерности их распределения по сечениям заготовки. При этом может быть сокращено число проходов ИПД. Формирование в заготовке однородной УМЗ структуры при меньшем числе проходов в условиях промышленного применения является перспективным для снижения трудоемкости процесса, увеличения коэффициента полезного использования металла.

Способ осуществляют следующим образом.

Титановую заготовку в виде прутка подвергают отжигу при температуре не выше температуры полиморфного превращения минус 200°С. Данный температурный режим термической обработки обеспечивает наилучшее сочетание механических свойств, а также обеспечивает формирование равноосной глобулярной структуры (Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебник для ВУЗов. - М.: МИСИС, 2001, 416 с.). Деформацию проводят, начиная с температуры отжига, которую ступенчато снижают до температуры интенсивной пластической деформации в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах, достигая накопленную логарифмическую степень деформации не менее 4,5.

После окончания этапа деформации проводят интенсивную пластическую деформацию в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при температуре 500-250°С. Затем заготовку вынимают, охлаждают до комнатной температуры и подвергают правке и обработке на токарном станке для снятия дефектного слоя, после чего проводят контроль микротвердости, механических свойств на растяжение и микроструктуры.

Пример конкретного выполнения.

Брали пруток из сплава CP-Ti Grade 2 диаметром 24,5 мм и длиной 120 мм.

Пруток подвергали отжигу при температуре 680°С в течение 2-х часов и деформации изотермической ковкой. Число последовательных проходов изотермической ковки n=3, в результате чего достигается степень деформации е≈4,5. Температура обработки соответственно составляла 680, 570 и 450°С.

На следующем этапе заготовку подвергали 2 проходам интенсивной пластической деформации в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при температуре 450°С. В результате деформации была достигнута степень деформации е≈2. После охлаждения заготовки до комнатной температуры ее подвергали правке и токарной обработке. Металлографический анализ выявил высокую однородность структуры по сечениям заготовки.

Контроль механических свойств на растяжение при комнатной температуре показал:

Таблица
	После 2 проходов ИПД	После предварительной обработки и ИПД
Предел прочности, МПа	568	740
Предел текучести, МПа	515	684
Относительное удлинение, %	17	15

Результаты контроля механических свойств, представленные в таблице, показывают, что введение предварительной обработки обеспечивает не только повышение прочностных свойств, но и сохранение пластичности титана. Кроме того, уменьшение числа проходов ИПД до 2-х, обусловленное введением предварительной обработки, позволяющей получить однородную УМЗ структуру, позволяет существенно снизить трудоемкость процесса.

Таким образом, предложенный способ получения титановых ультрамелкозернистых заготовок существенно улучшает механические свойства обрабатываемого материала, их однородность по сечениям заготовки.

1. Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок, включающий интенсивную пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при температуре 500-250°С и термомеханическую обработку, отличающийся тем, что термомеханическую обработку, включающую отжиг и деформацию, проводят перед интенсивной пластической деформацией, достигая при этом накопленной логарифмической степени деформации не менее 4,5, причем отжиг осуществляют при температуре не выше температуры полиморфного превращения минус 200°С, термомеханическую обработку начинают проводить при температуре отжига, которую ступенчато снижают до температуры интенсивной пластической деформации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивную пластическую деформационная проводят за несколько проходов со сменой оси деформации.