Способ штамповки заготовок из наноструктурных титановых сплавов
Владельцы патента RU 2382686:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)
Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное призводственное объединение" (RU)
Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано, например, в авиационной промышленности при изготовлении деталей из титановых сплавов, преимущественно лопаток. Производят предварительную и окончательную штамповку наноструктурных заготовок из титановых сплавов, полученных методом интенсивной пластической деформации. Под каждую штамповку заготовку предварительно покрывают стеклосмазкой и нагревают до температуры ниже температуры начала полиморфного превращения наноструктурного титанового сплава. После предварительной штамповки заготовку охлаждают до температуры 15-30°С. В результате обеспечивается повышение прочностных и усталостных свойств полученных изделий, а также снижение энергоемкости и стоимости процесса. 1 табл.
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам штамповки заготовок, преимущественно типа лопаток, из наноструктурных титановых сплавов и может быть использовано в авиационной промышленности.
Известен способ получения лопаток турбомашин из двухфазных титановых сплавов, включающий нагрев заготовки токами высокой частоты и ее деформирование методом высокоскоростной штамповки, а также термообработку, состоящую из проведения высокотемпературного и низкотемпературного отжигов (а.с. СССР 1555955, B21J 5/00, C22F 1/18, В21К 3/04, опубл. 1995.08.27).
Известен способ изготовления лопаток из титановых сплавов, включающий отливку заготовок, состоящих из замковой части и части под перо, нагрев литых заготовок до температуры на 10-30°С ниже температуры полиморфного превращения сплава, деформацию в изотермических условиях за один переход (патент РФ 2019359, В21К 3/04, опубл. 1994.09.15).
В данных способах необходимым условием технологической пластичности титановых сплавов в процессе формообразования заготовки является их нагрев под штамповку до температуры полного полиморфного превращения сплава или на 10-30°С ниже. Это обусловлено тем, что в качестве исходной заготовки под штамповку используются либо литая фасонированная заготовка [патент РФ 2019359], либо обычный горячекатаный пруток [а.с. СССР 1555955], которые имеют технологическую пластичность при температурах выше 900°С. В результате последующей штамповки при той же температуре в изотермических условиях в изделии формируется глобулярная структура, обеспечивающая хорошее сочетание прочности и пластичности, однако данный способ не позволяет получить прочность штамповок из титановых сплавов выше 1300 МПа.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ получения изделия с мелкозернистой структурой, включающий интенсивное пластическое деформирование заготовки в заданных термомеханических условиях, причем перед введением заготовки в зону интенсивной пластической деформации в ней создают объемно-напряженное состояние всестороннего сжатия путем воздействия пуансоном и подпора через объем порошкового материала, которым заполняют полость профилирующего инструмента, а при создании интенсивной пластической деформации осуществляют вращение инструмента или его части (патент РФ 2277992, B21j 5/00, опубл. 20.06.06).
Данный способ также не позволяет достичь высокого уровня механических свойств в штамповке. Кроме того, он является трудоемким.
Известно, что титановые сплавы с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, полученные методами интенсивной пластической деформации (ИПД), наряду с повышенными прочностными и усталостными свойствами при комнатной температуре проявляют сверхпластические свойства при температурах ниже на 200…300°С температуры полиморфного превращения [О.А.Кайбышев, Сверхпластичность промышленных сплавов, - М.: Металлургия, 1984, 263 с.; R.Z.Valiev, R.K.Islamgaliev, I.P.Semenova, Superplasticity in nanostructured materials: New challenges, Mater. Sci.Eng. A, Vol. 463 (2007), pp.2-7]. Данное свойство УМЗ материалов дает возможность осуществлять формообразующие операции при более низких температурах, чем для обычных сплавов.
Задача данного изобретения - повышение прочностных и усталостных свойств изделия, а также снижение энергоемкости и стоимости процесса.
Указанный технический результат достигается способом штамповки наноструктурных заготовок из титановых сплавов, полученных методом интенсивной пластической деформации, который, в отличие от протипа, включает предварительную штамповку заготовки и ее окончательную штамповку, которые осуществляют с нагревом под каждую штамповку предварительно покрытой стеклосмазкой заготовки до температуры ниже температуры начала полиморфного превращения наноструктурного титанового сплава и охлаждением заготовки после предварительной штамповки до температуры 15-30°С.
Предложенный способ позволяет получить более высокий уровень механических и усталостных свойств лопаток из титановых двухфазных сплавов, а снижение температуры штамповки позволяет также использовать менее жаропрочные материалы для оснастки и уменьшить затраты на электроэнергию.
Наноструктурную цилиндрическую заготовку предварительно получают методом интенсивной пластической деформации.
Нагрев заготовки под каждую штамповку до температуры из интервала 650-850°С обусловлен необходимостью сохранения наноструктуры сплава. Охлаждение заготовки после предварительной штамповки обусловлено необходимостью повторного покрытия стеклосмазкой для достижения удовлетворительной стойкости штампов.
Пример конкретной реализации способа
Реализация способа рассмотрена на примере спрямляющей лопатки четвертой ступени компрессора газотурбинного двигателя из наноструктурного сплава ВТ6. Наноструктурную заготовку диаметром 23 мм и длиной 135 мм покрывают суспензией стеклосмазки, нагревают до температуры 650°С. Затем осуществляют предварительную штамповку. После предварительной штамповки заготовку охлаждают до температуры 20°С, очищают от остатков стеклоэмали, повторно покрывают суспензией стеклосмазки. Окончательную штамповку осуществляют с нагрева до 650°С.
Термоциклирование с нагревом до температуры ниже температуры полиморфного превращения и многократное покрытие стеклосмазкой наноструктурной заготовки позволяет получить при удовлетворительной стойкости штампов оптимальную макро- и микроструктуру в штамповке с высоким комплексом физико-механических свойств.
| Структура | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | ψ, % |
| Исходное состояние (по сертификату) | 940 | 840 | 19 | - |
| Наноструктура | 1370 | 1050 | 10 | 48 |
Как видно из таблицы, увеличивается временное сопротивление разрыву σв, условный предел текучести σ0,2 и относительное сужение ψ. Относительное удлинение δ уменьшается за счет упрочнения.
Способ штамповки наноструктурных заготовок из титановых сплавов, полученных методом интенсивной пластической деформации, отличающийся тем, что он включает предварительную штамповку заготовки и ее окончательную штамповку, которые осуществляют с нагревом под каждую штамповку предварительно покрытой стеклосмазкой заготовки до температуры ниже температуры начала полиморфного превращения наноструктурного титанового сплава и охлаждением заготовки после предварительной штамповки до температуры 15-30°С.
