Способ термической обработки высокопрочных ( + )-титановых сплавов
Владельцы патента RU 2465366:
Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической технике при изготовлении силовых деталей конструкций. Предложен способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов. Способ характеризуется тем, что осуществляют нагрев выше температуры полиморфного превращения, выдержку при этой температуре, охлаждение до температуры 680-630°С со скоростью не менее 18°С/мин с последующей выдержкой в течение 1-3 ч, нагрев до температуры 720-780°С и выдержку при этой температуре в течение 2-3 ч, охлаждение до температуры 520-480°С со скоростью не менее 12°С/мин. Затем проводят нагрев до температуры старения, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе. Сплавы характеризуются высокими механическими свойствами. Повышается надежность изделий авиакосмической техники за счет достижения более высокого уровня механических свойств. 1 табл., 4 пр.
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термической обработке высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической технике при изготовлении силовых деталей конструкций.
Известен способ термической обработки (α+β)-титанового сплава Ti -6%Al - 2%Sn - 2%Zr - 2%Cr - 2%Мо - 0,16%Si, предварительно подвергнутого ковке в (α+β)-области, включающий: нагрев выше температуры полиморфного превращения (Тпп), а именно до температуры Тпп+(17-42)°С, выдержку при этой температуре, охлаждение, нагрев до температуры Тпп-(17-50)°С, выдержку при этой температуре, охлаждение, нагрев до температуры в интервале (482-593)°С и последующую выдержку при этой температуре. Молибденовый эквивалент (Моэкв.) данного сплава, рассчитанный по формуле: Моэкв.=Mo+V/1,5+Cr/0,6+Fe/0,35, равен 5,3 (заявка №WO 93/22468).
Недостатком способа является то, что он разработан применительно к сплаву с относительно низким уровнем молибденового эквивалента, обладающему недостаточной прокаливаемостью. Кроме того, этот сплав, обработанный известным способом, имеет недостаточно высокий уровень предела прочности (σВ≥1030 МПа) и предела текучести (σ0,2≥930 МПа).
Известен также способ термической обработки (α+β)-титанового сплава Ti - 6%Al - 4%V ELI, включающий: нагрев выше температуры полиморфного превращения, а именно до температуры Тпп+(28-42)°С, выдержку при этой температуре в течение 30 мин, охлаждение под вентилятором до температуры 746°С, выдержку при этой температуре в течение 3 ч, охлаждение на воздухе / Т.Е.Howson and R.G.Broadwell: «The design, production, and metallurgy of advanced, very large, titanium aerospace forgings», Procs. of the 8th Intemat. Conf. on Titanium, Titanium ′95, Science and technology, - Birmingham (UK) - 1995, vol.1, p.643 (636-643)/.
Недостатком известного способа является то, что сплав Ti - 6%Al -4%V ELI (Моэкв.=2,7), обработанный по известному способу, имеет низкий уровень предела прочности (σВ≥851 МПа) и предела текучести (σ0,2≥748 МПа).
Наиболее близким по назначению и технической сущности и взятым за прототип является способ термической обработки высокопрочного титанового сплава с номинальным химическим составом Ti - 5%Аl - 5%Мо - 5%V - 3%Cr (Моэкв.=13,3), включающий: нагрев до температуры Т1, превышающей температуру полиморфного превращения, выдержку при этой температуре, достаточную для полного перехода из (α+β)- в β-состояние, охлаждение со скоростью 0,56-16,7°С/мин до температуры Т2, где Т2 ниже температуры полиморфного превращения и ниже 37,8°С, охлаждение с температуры Т2 до комнатной температуры - на воздухе, последующий нагрев до температуры старения Т3=371-593°С, выдержку при этой температуре в течение 1-12 ч (патент США №7785429).
Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, обработанных известным способом.
Технической задачей изобретения является создание способа термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, повышающего уровень механических свойств: предела прочности (σВ), предела текучести (σ0,2), сопротивления скорости роста трещины усталости (СРТУ) при 20°С и вязкости разрушения (K1C) при низких температурах (-70°С).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, характеризующийся тем, что осуществляют нагрев выше температуры полиморфного превращения, выдержку при этой температуре, охлаждение до температуры 680-630°С со скоростью не менее 18°С/мин с последующей выдержкой в течение 1-3 ч, нагрев до температуры в 720-780°С и выдержку при этой температуре в течение 2-3 ч, охлаждение до температуры 520-480°С со скоростью не менее 12°С/мин, а затем проводят нагрев до температуры старения, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе.
Авторами установлено, что охлаждение с температуры выше температуры полиморфного превращения со скоростью не менее 18°С/мин до температуры 680-630°С предотвращает распад метастабильной β-фазы внутри зерен и образование непрерывной оторочки α-фазы на границах зерен, отрицательно влияющей на характеристики трещиностойкости. В процессе выдержки при температуре 680-630°С образуется большое число центров зарождения α-фазы и формируется тонкоигольчатая внутризеренная структура, характеризующаяся значительной взаимной разориентировкой колоний α-игл. В результате последующих нагрева до температуры 720-780°С и выдержки при этой температуре увеличивается количество метастабильной β-фазы при сохранении морфологии описанной выше тонкоигольчатой внутризеренной микроструктуры. В процессе охлаждения со скоростью не менее 12°С/мин с указанной температуры до температуры 520-480°С фиксируется метастабильная β-фаза, образовавшаяся в процессе выдержки при температуре 720-780°С.
Таким образом предлагаемый способ обеспечивает получение тонкоигольчатой α-фазы в β-матрице, за счет чего достигается повышение уровня механических свойств высокопрочных (α+β)-титановых сплавов: предела прочности (σВ), предела текучести (σ0,2), сопротивления скорости роста трещины усталости (СРТУ) при 20°С и вязкости разрушения (K1C) при низких температурах (-70°С).
Примеры осуществления
Были изготовлены поковки из титановых сплавов ВТ22 (Ti - 5%Al - 5%Мо - 5%V - 1%Cr - 1%Fe; Моэкв.=12,9; Тпп=870°С) и ВТ23 (Ti - 5,5%Al - 2,2%Мо - 4,5%V - 1,2%Cr - 0,6% Fe; Моэкв.=8,9; Тпп=900°С) и Ti 5-5-5-3 (Ti - 5%Al - 5%Мо - 5%V - 3%Cr; Моэкв.=13,3; Тпп=860°С), обработанные предлагаемым способом (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям.
Пример 1.
Нагрев до температуры Т1=Тпп+20°С, выдержка при этой температуре τ1=0,25 ч, охлаждение со скоростью V1=18°С/мин до температуры Т2=630°С, выдержка при этой температуре τ2=1 ч, подогрев до температуры Т3=720°С, выдержка при этой температуре τ3=2 ч, охлаждение со скоростью V3=12°С/мин до температуры Т4=480°С, далее охлаждение с нерегламентированной скоростью до температуры Т5=20°С.
Пример 2.
Нагрев до температуры T1=Тпп+40°С, выдержка при этой температуре τ1=0,5 ч, охлаждение со скоростью V1=60°С/мин до температуры Т2=680°С, выдержка при этой температуре τ2=3 ч, нагрев до температуры Т3=780°С, выдержка при этой температуре τ3=3 ч, охлаждение со средней скоростью V3=20°С/мин до температуры Т4=520°С, далее охлаждение с нерегламентированной скоростью до температуры Т5=20°С.
Пример 3.
Нагрев до температуры Т1=Тпп+30°С, выдержка при этой температуре τ1=0,4 ч, охлаждение со скоростью V1=40°С/мин до температуры Т2=660°С, выдержка при этой температуре τ2=2 ч, подогрев до температуры Т3=750°С, выдержка при этой температуре τ3=2,5 ч, охлаждение со скоростью V3=36°С/мин до температуры Т4=500°С, далее охлаждение с нерегламентированной скоростью до температуры Т5=20°С.
Пример 4 (прототип).
Нагрев до температуры Т1=Тпп+30°С, выдержка при этой температуре, τ1=0,4 ч, охлаждение со скоростью 8,6°С/мин до температуры Т2=35°С, охлаждение с температуры Т2 до комнатной температуры - на воздухе. Нагрев до температуры Т3=480°С, выдержка при этой температуре продолжительностью 6 ч.
В таблице представлены механические свойства титановых сплавов, обработанных предлагаемым способом (примеры 1-3) и способом-прототипом (пример 4).
Предлагаемый способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов позволит повысить уровень их механических свойств: предела прочности (σВ) на 7-12%, предела текучести (σ0,2) на 8-11%, вязкости разрушения (K1C) (при температуре испытания -70°С) на 22-24% и снизить скорость роста трещины усталости (СПТУ) на 22-37%.
Применение предлагаемого способа термической обработки позволит повысить надежность изделий авиакосмической техники за счет достижения более высокого уровня механических свойств.
| Таблица | |||||
| № п/п | Механические свойства | ||||
| σВ, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | СРТУ (dl/dN), мм/кц при ΔК=31 МПа·м1/2 | K1c, МПа·м1/2 | |
| 20°С | -70°С | ||||
| Сплав ВТ22 | |||||
| 1 | 1230-1250 | 1180-1190 | 8-9 | 0,5-0,6 | 72,4-76,0 |
| 2 | 1260-1290 | 1200-1230 | 8-9 | 0,5-0,6 | 71,8-75,4 |
| 3 | 1280-1310 | 1210-1240 | 7-8 | 0,6-0,7 | 71,1-74,9 |
| Сплав ВТ23 | |||||
| 1 | 1210-1240 | 1150-1180 | 8-10 | 0,5-0,6 | 74,0-77,2 |
| 2 | 1250-1280 | 1180-1210 | 8-9 | 0,5-0,6 | 73,6-76,3 |
| 3 | 1260-1300 | 1190-1230 | 7-8 | 0,6-0,65 | 73,0-75,9 |
| Сплав Ti 5-5-5-3 | |||||
| 1 | 1220-1260 | 1170-1210 | 8-9 | 0,55-0,65 | 71,6-75,1 |
| 2 | 1240-1270 | 1180-1220 | 7-9 | 0,55-0,65 | 70,5-74,0 |
| 3 | 1270-1300 | 1210-1240 | 7-8 | 0,6-0,7 | 70,2-73,3 |
| 1140-1180 | 1070-1120 | 8-9 | 0,8-0,9 | 58,3-62,5 |
Способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, характеризующийся тем, что осуществляют нагрев выше температуры полиморфного превращения, выдержку при этой температуре, охлаждение до температуры 680-630°С со скоростью не менее 18°С/мин с последующей выдержкой в течение 1-3 ч, нагрев до температуры 720-780°С и выдержку при этой температуре в течение 2-3 ч, охлаждение до температуры 520-480°С со скоростью не менее 12°С/мин, а затем проводят нагрев до температуры старения, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе.
