Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов
Владельцы патента RU 2384647:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке изделий из титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления болтов, шпилек и других крепежных деталей. Предложен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, в котором термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий. На стадии с первой по девятую осуществляют нагрев и деформацию, на десятой и одиннадцатой стадиях - нагрев, выдержку с последующим охлаждением. При этом не менее трех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°. Повышается предел прочности при 400-600°С изделий, выполненных из титановых сплавов. Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу изделий из титановых сплавов на 20-25% и повысить их полезную нагрузку. 1 табл.
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке изделий (полуфабрикатов, деталей, узлов и др.) из титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления болтов, шпилек и других крепежных деталей.
Известен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, включающий:
- нагрев до температуры (1050-1200)°С (Тпп+120÷Тпп+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (Тпп-40)°С;
- нагрев до температуры (880-1050)°С (Тпп-50÷Тпп+120)°С; охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (Тпп-180)°С, где Тпп=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 изделий из титановых сплавов, обработанных данным способом при повышенных температурах.
Известен также способ термомеханической обработки изделий из 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 изделий из титановых сплавов, обработанных данным способом, при повышенной температуре.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки изделий из 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 (Тпп+120÷Тпп+270)°С, деформацию со степенью (50-70)% при охлаждении до (Тпп-40÷Тпп-100)°С;
- нагрев до температуры (Тпп+60÷Тпп+160)°С деформацию со степенью (40-60)% при охлаждении до (Тпп-100÷Тпп-180)°С;
- нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп-40)°С, деформацию со степенью (10-30)% при охлаждении до (Тпп-140÷Тпп-160)°С;
- нагрев до температуры (Тпп+20÷Тпп+50)°С, деформацию со степенью (40-60)% при охлаждении до (Тпп-110÷Тпп-130)°С;
- нагрев до температуры (Тпп+20÷Тпп+50)°С, деформацию со степенью (30-70)% при охлаждении до (Тпп-110÷Тпп-130)°С;
затем, на шестой стадии, проводят нагрев до температуры (Тпп-400÷Тпп-500)°С с выдержкой в течение (5-20) часов, где Тпп - температура полиморфного превращения (патент РФ №2219280).
Титановые сплавы, обработанные этим способом, обладают недостаточно высоким уровнем механических свойств в течение 60 секунд при повышенной температуре.: σ60сек (МПа) при 400-600°С.
Технической задачей изобретения является повышение предела прочности: σ60сек (МПа) при 400-600°С изделий, выполненных из титановых сплавов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, в котором термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий, при этом:
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Тпп+150÷Тпп+250)°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 (Тпп+140÷Тпп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 25÷50% на каждом этапе деформации;
на третьей стадии - нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп+60÷Тпп+120)°C, деформацию со степенью (20-60)%;
на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп+30÷Тпп+90)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+30÷Тпп+80)°С, деформацию со степенью (20-70)%;
на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп-40)°С, деформацию со степенью (20-50)%, где Тпп - температура полного полиморфного превращения;
на десятой стадии производят нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп-200)°С, охлаждение на воздухе;
на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Тпп-270÷Тпп-550)°С, выдержка 5-20 ч.
при этом не менее трех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°.
На первой и второй стадиях 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 котором происходит образование первичных β-зерен из большого количества центров, формирующихся вокруг дислокаций. Это обеспечивает получение однородной сверхмелкозернистой β-структуры.
На девятой стадии происходит формирование внутризеренной структуры и нарушение границ β-зерен, которые становятся прерывистыми или в виде зубцов.
На десятой стадии происходит фиксация метастабильных фаз при охлаждении в воде или на воздухе.
На одиннадцатой стадии происходит распад метастабильных фаз с образованием дисперсных частиц - продуктов распада.
Таким образом в процессе одиннадцати стадий обработки достигается формирование однородного химического состава, устранение пор и других дефектов литья, формирование однородной мелкозернистой β-структуры, однородной внутризеренной регламентированной структуры и эффективного однородного дисперсионного упрочнения.
Проведение всех одиннадцати 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 (Тпп+150)°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 (Тпп+140)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 25% на каждом этапе деформации;
на третьей стадии - нагрев до температуры (Тпп-20)°С, деформацию со степенью 20%;
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп+60)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;
на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20)°С, деформацию со степенью 20%;
на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп+30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20)°С, деформацию со степенью 20%;
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+30)°С, деформацию со степенью 20%;
на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;
на десятой нагрев до (Тпп-20)°С, охлаждение на воздухе;
на одиннадцатой - нагрев до температуры (Тпп-270)°С, выдержка 5 ч.
Пример 2
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Тпп+250)°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 (Тпп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;
на третьей стадии - нагрев до температуры (Тпп-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп+120)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;
на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-40)°С, деформацию со степенью 60%;
на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп+90)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп-40)°С, деформацию со степенью 60%;
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+80)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 70%;
на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 50%;
на десятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-200)°С, охлаждение на воздухе;
на одиннадцатой нагрев до температуры (Тпп-550)°С, выдержка 20 ч.
Пример 3
На первой стадии - нагрев до температуры (Тпп+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 второй стадии - нагрев до температуры (Тпп+200)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 35% на каждом этапе деформации;
на третьей стадии - нагрев до температуры (Тпп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп+90)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп+70)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+70)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 30%;
на десятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-150)°С, охлаждение в воде,
на одиннадцатой стадии - нагрев до температуры (Тпп-400)°С, выдержка 12 ч.
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 изделий из титановых сплавов позволит повысить предел прочности при повышенной температуре: σ60сек (МПа) при 400-600°С на 20-25%
Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу изделий из титановых сплавов на 20-25% и повысить их полезную нагрузку.
| Способ | σ60сек при 400-600°С, (МПа) | ||||||
| 400 | 500 | 600 | |||||
| ВТ23* | ВТ43** | ВТ23 | ВТ43 | ВТ23 | ВТ43 | ||
| 1 | образцы из поковок | 1300 | 1370 | 1170 | 1177 | 670 | 778 |
| образцы из штамповок | 1320 | 1377 | 1173 | 1180 | 677 | 784 | |
| 2 | образцы из поковок | 1360 | 1430 | 1182 | 1192 | 667 | 775 |
| образцы из штамповок | 1363 | 1435 | 1184 | 1193 | 683 | 794 | |
| 3 | образцы из поковок | 1350 | 1410 | 1177 | 1184 | 674 | 785 |
| образцы из штамповок | 1354 | 1417 | 1181 | 1187 | 678 | 787 | |
| 4 | образцы из поковок | 970 | 975 | 876 | 878 | 496 | 558 |
| образцы из штамповок | 977 | 982 | 880 | 882 | 491 | 561 | |
| * - ВТ23: Тпп=920°С; ** - ВТ43: Тпп=910°С |
1. Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, характеризующийся тем, что термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий, при этом:
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (ТПП+150÷ТПП+250)°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 (ТПП+140÷ТПП+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 25-50% на каждом этапе деформации;
на третьей стадии - нагрев до температуры (ТПП-20÷ТПП-40)°С, деформацию со степенью 20-60%;
на четвертой стадии - нагрев до температуры(ТПП+60÷ТПП+120)°С, деформацию со степенью 20-60%;
на пятой стадии - нагрев до температуры (ТПП-20÷·ТПП-40)°С, деформацию со степенью 20-60%;
на шестой стадии - нагрев до температуры (ТПП+30÷ТПП+90)°С, деформацию со степенью 20-60%;
на седьмой стадии - нагрев до температуры (ТПП-20÷ТПП-40)°С, деформацию со степенью 20-60%;
на восьмой стадии - нагрев до температуры (ТПП+30÷ТПП+80)°С, деформацию со степенью 20-70%;
на девятой стадии - нагрев до температуры (ТПП-20÷ТПП-40)°С, деформацию со степенью 20-50%;
на десятой стадии производят нагрев до температуры (ТПП-20÷ТПП-200)°С, охлаждение на воздухе;
на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (ТПП-270÷ТПП-550)°С, выдержку 5-20 ч, где ТПП - температура полного полиморфного превращения;
при этом не менее трех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на десятой стадии после нагрева охлаждение проводят в воде.
