Способ термомеханической обработки титановых сплавов

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для создания деталей и узлов шасси самолетов и стыковочных узлов ракет, работающих в условиях циклических нагрузок. Технической задачей изобретения является повышение малоцикловой усталости (МЦУ), определяемой числом циклов (N) до разрушения при коэффициентах концентрации K_t=4,0 (r_н=0,1 мм) и K_t=2,2 (r_н=0,75 мм). Обработку титановых сплавов проводят в одиннадцать стадий с нагревом до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацией. На стадиях с первой по третью деформацию проводят в четыре этапа при охлаждении сплава и с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки. На стадиях с четвертой по восьмую деформацию проводят в один этап с изменением направления деформации на 90°С от двух до четырех раз. На одиннадцатой стадии проводят нагрев с выдержкой от 2 до 10 часов. Изобретение позволит повысить ресурс и надежность деталей и узлов летательных аппаратов. 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 создания деталей и узлов шасси самолетов и стыковочных узлов ракет, работающих в условиях циклических нагрузок.

Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий:

- нагрев до температуры (1050-1200)°С (Т_пп+120÷Т_пп+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (Т_пп-80)°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).

Известен также способ термомеханической обработки, применяемый при изготовлении изделий из титановых сплавов включающий нагрев в β-область 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 двухфазную область, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств деформацию проводят в β- и (α+β)-областях с одинаковой степенью 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 способа является низкий уровень циклической прочности титановых сплавов.

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 полного полиморфного превращения (патент РФ №2219280).

Сплав, обработанный этим способом, имеет пониженные значения малоцикловой усталости при различных концентраторах напряжения.

Технической задачей изобретения является повышение малоцикловой усталости (МЦУ), определяемой числом циклов (N) до разрушения при коэффициентах концентрации K_t=4,0 (r_н=0,1 мм) и K_t=2,2 (r_н=0,75 мм).

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения и деформации в процессе охлаждения до температуры ниже полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, в котором термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий, при этом:

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+290÷Т_пп+370)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп+100÷Т_пп-70)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+180÷Т_пп+270)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп+50÷Т_пп-90)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп+80÷Т_пп+170)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-30÷Т_пп-200)°C с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 15-60%;

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

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-40% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°C;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+80÷Т_пп+150)°С, деформацию при прокатке со степенью 40-70%;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-50)°С, деформацию при прокатке со степенью 30-60%;

затем на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-320÷Т_пп-520)°С с выдержкой 2-10 часов, где Т_пп - температура полиморфного превращения;

при этом деформацию на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° от двух до четырех раз.

На первых трех стадиях проводится всесторонняя деформация после нагревов в β-области, что обеспечивает получение однородной по химическому составу, макро- и микроструктуры заготовки (сляба). Понижение температуры начала и конца деформации при каждой последующей стадии обеспечивает уменьшение величины β-зерна и создание сверхмелкозернистой β-структуры. Окончание деформации при более низкой температуре, чем начало деформации, создает горячий наклеп, повышающий дисперсность фазы при последующем нагреве в β-области.

При последующих нагревах и деформациях происходит создание однородного структурного и фазового состояния за счет трех фазовых перекристаллизаций, заключающихся в деформации в α+β-области на четвертой, шестой и восьмой стадиях и нагреве в β-области на пятой, седьмой и девятой стадиях. В процессе деформации в α+β-области более интенсивная деформация проходит в зонах с меньшей величиной зерна, а при нагреве в β-области более интенсивно в этих зонах идет процесс рекристаллизации и рост зерен. В других зонах с более крупным зерном деформация идет менее интенсивно и с меньшей скоростью идет процесс рекристаллизации. Таким образом происходит выравнивание структуры. При трех фазовых перекристаллизациях достигается создание однородной сверхмелкозернистой структуры.

Заготовка с такой структурой имеет малую глубину окисления по границам зерен, а следовательно требует меньшей глубины механической обработки поверхности перед прокаткой плит на девятой и десятой стадиях.

Деформация при прокатке на десятой стадии в α+β-области обеспечивает измельчение внутризеренной структуры и создание прерывистости и зубчатости границ.

При последней одиннадцатой стадии обработки (старении) достигается распад метастабильных фаз и дисперсионное упрочнение.

Выполнение одиннадцати стадий обработки обеспечивает получение повышенных значений малоцикловой усталости при различных концентраторах напряжения.

Примеры осуществления

Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ-23 и ВТ-43, обработанные предлагаемым способом термомеханической обработки (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям.

Пример 1

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+290)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп+100)°С с изменением направления деформации на 90 при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+180)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп+50)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп+80)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-30)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 15%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30%(первое изменение направления);

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С (второе изменение направления);

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформацию со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+80)°С, деформацию при прокатке со степенью 40%;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию при прокатке со степенью 30%;

затем на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-320)°С с выдержкой 2 часа, где Т_пп - температура полиморфного превращения.

При этом деформация на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформировании на 90 два раза (на 5 и 6 стадиях).

Пример 2

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+370)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-70)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе;

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

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп+170)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-200)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе;

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

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 60% (первое изменение);

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С (второе изменение);

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+50)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С (третье изменение);

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+150)°С, деформацию при прокатке со степенью 70%;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-50)°С, деформацию при прокатке со степенью 60%;

затем на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-520)°С с выдержкой 10 часов, где Т_пп - температура полиморфного превращения;

При этом деформация на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформировании на 90° три раза (на 5, 6 и 7 стадиях).

Пример 3

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+320)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп+20)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+220)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-20)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп+120)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-110)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30 (первое изменение);

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+45)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% (второе изменение);

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С (третье изменение);

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30)°С, деформацию со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С (четвертое изменение);

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+110)°С, деформацию при прокатке со степенью 50%;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию при прокатке со степенью 40%;

затем на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-420)°С с выдержкой 6 часов, где Т_пп - температура полиморфного превращения. При этом деформация на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформировании на 90° четыре раза (на 4, 5, 6 и 8 стадиях).

Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволяет на порядок повысить малоцикловую усталость при различных концентраторах напряжения.

Применение предлагаемого способа термомеханической обработки позволит повысить ресурс и надежность деталей и узлов летательных аппаратов.

Таблица
	ВТ23 (Тпп=920°С) σB=1300 МПа σmax цикла=600 МПа	ВТ43 (Тпп=910°С) σВ=1400 МПа σmax цикла=600 МПа
Kt=2,2 (rн=0,75 мм)	Kt=4,0 (rн=0,1 мм)	Kt=2,2 (rн=0,75 мм)	Kt=4,0 (rн=0,1 мм)
1	30000	130000	55000	210000
2	35000	250000	60000	270000
3	32000	170000	57000	240000
4	3000	13000	5000	25000

Способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения и деформации в процессе охлаждения до температуры ниже полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий, при этом на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+290÷Т_пп+370)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп+100÷Т_пп-70)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20-50% на каждом этапе, на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+180÷Т_пп+270)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп+50÷Т_пп-90)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20-50% на каждом этапе, на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп+80÷Т_пп+170)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-30÷Т_пп-200)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20-50% на каждом этапе, на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 15-60%, на пятой стадии - нагрев до температуры
(Т_пп+30÷Т_пп+60)°С, деформацию со степенью 30-60%, на шестой стадии - нагрев до температуры (T_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-40% в процессе охлаждения до температуры (T_пп-110÷Т_пп-130)°C, на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С, на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (T_пп-110÷Т_пп-130)°С, на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+80÷Т_пп+150)°С, деформацию при прокатке со степенью 40-70%, на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-50)°С, деформацию при прокатке со степенью 30-60%, затем на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-320÷Т_пп-520)°С с выдержкой 2-10 часов, где Т_пп - температура полиморфного превращения, при этом деформацию на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформации на 90° от двух до четырех раз.