Способ термомеханической обработки титановых сплавов

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике. Согласно способу термомеханическую обработку проводят в девять стадий, при этом на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+200÷Т_пп+270)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации, на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷40% на каждом этапе деформации, на третьей стадии - (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, (20-60)%, на четвертой стадии - (Т_пп+60÷Т_пп+120)°С, (20-60)%, на пятой стадии - (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, (20-60)%, на шестой стадии - (Т_пп+30÷Т_пп+90)°С, (20-60)%, на седьмой стадии - (Т_пп-204÷Т_пп-40)°С, (20-60)%, на восьмой стадии - (Т_пп+30÷Т_пп+80)°С, (20-70)%, на девятой стадии - (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, (20-50)%, где Т_пп - температура полного полиморфного превращения. При этом от трех до семи деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°. Технический результат - повышение предела прочности и уменьшение чувствительности к перекосу изделий. 1 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления болтов, шпилек и других крепежных деталей.

Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, применяемых при изготовлении изделий авиакосмической техники, включающий:

- нагрев до температуры (1050-1200)°С (Т_пп+120÷Т_пп+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (Т_пп-40)°С;

- нагрев до температуры (880-1050)°С (Т_пп-50÷Т_пп+120)°С;

- охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (Т_пп-180)°С,

где Т_пп=920°С (Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. «Полуфабрикаты из титановых сплавов». М.: ОНТИ ВИЛС, 1996 г., с.371).

Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств титановых сплавов, обработанных данным способом.

Известен также способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий нагрев в β-области выше температуры полиморфного превращения, деформацию в процессе охлаждения до температуры на (30-70)°С ниже температуры полиморфного превращения, охлаждение, повторный нагрев в двухфазной области, повторную деформацию в этой области в процессе охлаждения, повторное охлаждение, окончательный нагрев в двухфазной области, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств деформацию проводят в β- и (α+β)-областях с одинаковой степенью, равной 40-60%, повторный нагрев осуществляют до температуры на 20-40°С ниже температуры полиморфного превращения, повторную деформацию проводят со степенью 25-35% при охлаждении до температуры на 100-130°С ниже температуры полиморфного превращения, повторное охлаждение после деформации осуществляют до температуры на 180-280°С ниже температуры полиморфного превращения, после чего дополнительно повторяют последний цикл нагрева и деформации в процессе охлаждения в тех же условиях, а охлаждение после деформации в этом цикле проводят до комнатной температуры, окончательный нагрев осуществляют до температуры на 100-300°С ниже температуры полиморфного превращения (а.с. СССР 1740487).

Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств титановых сплавов, обработанных данным способом.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию в процессе охлаждения до температуры ниже температуры полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, в котором термомеханическую обработку проводят в шесть стадий, при этом на первых пяти стадиях осуществляют:

- нагрев до температуры (Т_пп+120÷Т_пп+270)°С, деформацию со степенью (50-70)% при охлаждении до (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+160)°С, деформацию со степенью (40-60)% при охлаждении до (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (10-30)% при охлаждении до (Т_пп-140÷Т_пп-160)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью (40-60)% при охлаждении до (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью (30-70)% при охлаждении до (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

затем, на шестой стадии, проводят нагрев до температуры (Т_пп-400÷Т_пп-500)°С с выдержкой в течение (5-20) часов, где Т_пп - температура полиморфного превращения (патент РФ №2219280).

Титановые сплавы, обработанные этим способом, обладают недостаточно высоким уровнем механических свойств.

Технической задачей изобретения является повышение предела прочности в надрезе (σ_в ^н) и уменьшение чувствительности к перекосу изделий, выполненных из титановых сплавов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки титановых сплавов, который осуществляют в девять стадий, при этом:

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+200÷Т_пп+270)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷40% на каждом этапе деформации;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+120)°С, деформацию со степенью (20-60)%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30÷Т_пп+90)°С, деформацию со степенью (20-60)%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30÷Т_пп+80)°С, деформацию со степенью (20-70)%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-50)%,

где Т_пп - температура полного полиморфного превращения; при этом от трех до семи деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°.

На первой и второй стадии термомеханической обработки происходит заваривание различно ориентированных раковин и уплотнение металла на стыках дендритов, механическое усреднение состава сплава, устранение зональной и дендритной ликвации в слитке, усреднение состава по диффузионному механизму, активизированному процессами динамической рекристаллизации.

С третьей по восьмую стадии осуществляются процессы фазовой перекристаллизации, состоящие из деформации при температуре ниже полиморфного превращения на третьей, пятой и седьмой стадиях, при котором создается повышенная плотность дислокационной структуры, и последующих нагревов при температуре β-области на четвертой, шестой и восьмой стадиях, при которых происходит образование первичных β-зерен из большого количества центров, формирующихся вокруг дислокаций. Это обеспечивает получение однородной сверхмелкозернистой β-структуры.

На окончательной девятой стадии происходит формирование внутризеренной структуры и нарушение границ β-зерен, которые становятся прерывистыми или в виде зубцов.

Таким образом, в процессе девяти стадий обработки достигается формирование однородного химического состава, устранение пор, несплошностей и рыхлот, формирование однородной сверхмелкозернистой β-структуры и однородной внутризеренной регламентированной структуры.

Проведение всех девяти стадий термомеханической обработки обеспечивает создание сплава с высоким уровнем механических свойств.

Примеры осуществления

Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ23 и ВТ43, обработанные предлагаемым способом и способом-прототипом, которые были подвергнуты механическим испытаниям.

Пример 1

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+200)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+170)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 20%;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 20%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 20%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30)°С, деформацию со степенью 20%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%.

Пример 2

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+270)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 40% на каждом этапе деформации;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+120)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 60%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+90)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 60%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+80)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 70%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 50%.

Пример 3

На первой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+240)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+200)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+90)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+70)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+70)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 30%.

В таблице приведены механические свойства образцов поковок и штамповок из титановых сплавов, обработанных по предлагаемому способу(1-3) и способу-прототипу (4).

Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволит повысить предел прочности в надрезе (σ_в ^н) на 25% и уменьшить чувствительность к перекосу на 45%.

Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу деталей на 25% и повысить полезную нагрузку летательных аппаратов, а также повысить эксплуатационную надежность за счет высоких значений предела прочности в надрезе и уменьшения чувствительности к перекосу изделий из титановых сплавов.

Способ	Механические свойства: σв н (МПа) при угле перекоса 0, 4, 6 град.
		0	4	6
ВТ23*	ВТ43**	ВТ23	ВТ43	ВТ23	ВТ43
1	образцы из поковок	1620	1670	1380	1420	1210	1230
образцы из штамповок	1632	1674	1325	1427	1216	1234
2	образцы из поковок	1640	1690	1370	1410	1185	1210
образцы из штамповок	1642	1695	1372	1417	1188	1214
3	образцы из поковок	1670	1710	1360	1370	1160	1190
образцы из штамповок	1673	1714	1365	1372	1164	1197
4	образцы из поковок	1260	1290	1050	1020	680	800
образцы из штамповок	1263	1291	1057	1024	681	804
* ВТ23: Тпп=920°С;
** ВТ43: Тпп=910°С

Способ термомеханической обработки титановых сплавов, отличающийся тем, что термомеханическую обработку проводят в девять стадий, при этом
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+200÷Т_пп+270)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации,
на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷40% на каждом этапе деформации,
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%,
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+120)°С, деформацию со степенью (20-60),
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%,
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30÷Т_пп+90)°С, деформацию со степенью (20-60)%,
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-204÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%,
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30÷Т_пп+80)°С, деформация со степенью (20-70)%,
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-50)%, где Т_пп - температура полного полиморфного превращения,
при этом от трех до семи деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°.