Способ изготовления плит из двухфазных титановых сплавов

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к термомеханической обработке двухфазных титановых сплавов в процессе получения толстых листов и плит. Способ включает горячее деформирование слитка в сляб, горячую прокатку и последующую термическую обработку плит, где горячее деформирование слитка в сляб производят в один этап и сразу после достижения конечной толщины, в процессе деформации сляба, его быстро охлаждают на глубину от поверхности от 20 до 30 мм со скоростью не менее 50°С/мин, а последующую горячую продольную прокатку ведут на первой стадии в α+β-области частными обжатиями со степенью деформации εi от 3% до 5%, до суммарной степени деформации ε=25…30%, с паузами между проходами продолжительностью от 8 до 12 с, на второй стадии - в β-области от температуры нагрева, определяемой по определенной формуле, а на последующих стадиях прокатку ведут в α+β-области с прерываниями и нагревами в продольных или поперечных направлениях с суммарной степенью деформации ε после каждого прерывания до 60%. Полученные плиты характеризуются однородной мелкозернистой макроструктурой, повышенным уровнем и стабильностью механических свойств, а также высокой точностью геометрических размеров и отсутствием поверхностных дефектов. 2 табл.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к термомеханической обработке двухфазных титановых сплавов в процессе получения толстых листов и плит

Известно, что структура и ее однородность оказывают решающее влияние на уровень и стабильность механических свойств толстых листов и плит (далее плит). Поэтому при разработке технологического процесса изготовления плит критичным является подбор условий формирования структуры при горячем деформировании псевдо α-, (α+β)-титановых сплавов.

Известна типовая схема технологии производства горячекатаных плит, включающая нагрев сляба, горячую прокатку, резку на мерную длину, отжиг и отделочные операции (Титановые сплавы. Полуфабрикаты из титановых сплавов. Ответств. редакторы: Н.Ф. Аношкин, М.З. Ерманок. М., ОНТИ ВИЛС, 1996, с.207-210).

Известен способ изготовления плит из титановых сплавов (Патент РФ №2169791, МПК C22F 1/18), включающий нагрев сляба до температуры прокатки, предварительную прокатку в две стадии, нагрев раската до температуры прокатки и окончательную прокатку, при этом прокатка производится с регламентированными температурными и деформационными режимами

Использование патента (№2169791, МПК C22F 1/18) при изготовления плит из α+β-сплавов типа ВТ23, ВТ22 с более высоким коэффициентом β-фазы (сплавы так называемого «критического» состава), чем у сплава ВТ6, приводит к получению неоднородной структуры, выпадам по свойствам, повышенной отбраковке металла.

В данных схемах изготовления горячекатаных плит не регламентируются временные факторы технологического процесса, влияние химического состава титановых сплавов, что приводит к неоднородности структуры, нестабильности и анизотропии механических свойств.

Прототипом выбран способ изготовления плит двухфазных титановых сплавов (Патент РФ №2378410, МПК C22F 1/18), включающий горячее деформирование слитка в сляб в три этапа, горячую прокатку плит в несколько стадий с промежуточным охлаждением между стадиями до комнатной температуры и последующую термическую обработку плит. Длительность процесса деформации слитка в сляб обусловлено необходимостью уже на этом этапе придать металлу необходимые структурные и пластические свойства для последующей прокатки. Полученные плиты характеризуются однородной мелкозернистой макроструктурой, повышенным уровнем и стабильностью механических свойств.

Недостатками прототипа является то, что процесс деформации слитка в сляб осуществляется в три этапа, что связано со значительными временными и материальными затратами на проведение нагревов, основных и вспомогательных технологических операций, а также большими потерями металла, связанными с угаром и возникающими поверхностными дефектами.

Попытки снизить трудоемкость деформирования слитка, а именно - ограничиться прессованием сляба за один этап, при сохранении качества плит, не дали положительных результатов из-за неоднородной структуры сплава по сечению, так как в дальнейшем это приводит к тому, что:

- при деформировании слитка в один этап на границе крупных β-зерен, которые сохраняются в поверхностных слоях, происходит интенсивное развитие оторочки α-фазы, которая может превысить критические размеры, и служить причиной интенсивного развития трещин при последующей прокатке;

- при недостаточности проработки структуры сплава (недостаточности пластичности) при первой операции прокатки нерегламентируемый ритм прокатки приводит к недопустимому захоложиванию поверхности сляба, контактирующей с холодными валками (из-за низкой теплопроводности титановых сплавов температура поверхностных слоев не успевает восстанавливаться за счет прихода тепла из центральных областей) и наблюдается дефицит их пластичности.

Оба фактора снижают ресурс пластичности и приводят к появлению глубоких поверхностных трещин, которые могут классифицироваться как исправимый, а при неблагоприятном стечении обстоятельств, так и неисправимый брак. Плиты с исправимым браком требуют дополнительной механической обработки поверхности плит до удаления трещин. Эта операция трудоемкая, приводящая к большим потерям металла, а также к дополнительным временным и материальным затратам.

Задачей изобретения является повышение показателей конкурентоспособности толстых листов и плит за счет снижения себестоимости при сохранении высокого уровня и стабильности механических свойств, а также качества поверхности.

Техническим результатом при реализации данного изобретения является снижение трудоемкости процесса, повышение выхода годного, предотвращение появления поверхностных трещин в процессе термодеформационной обработки плит, при гарантированном обеспечении получения однородной макро- и микроструктуры.

Данный технический результат обеспечивается тем, что в способе изготовления плит из двухфазных титановых сплавов, включающем горячее деформирование слитка в сляб, горячую прокатку и последующую термическую обработку плит, горячее деформирование слитка в сляб производят в один этап и сразу же после достижения конечной толщины в процессе деформации сляба, его быстро охлаждают на глубину от поверхности от 20 до 30 мм со скоростью не менее 50°С/мин, последующую горячую продольную прокатку ведут на первой стадии в α+β-области от температуры нагрева ТН=(ТПП-20…40)°С малыми частными обжатиями со степенью деформации εi от 3% до 5%, до суммарной степени деформации ε=25…30%, при этом выдерживают паузы между проходами продолжительностью от 8 до 12 с, а вторую стадию продольной прокатки проводят в β-области от температуры нагрева, которую определяют по формуле:

T Н ( T П П + ( 1 0 × M o Э К + 8 0 ) ) C , ( 1 )

где ТН - температура нагрева сляба, °С;

ТПП - температура полиморфного превращения, °С;

МоЭК - молибденовый эквивалент, который рассчитывается по формуле:

M o Э К = [ M o ] + [ V ] / 1 , 5 + [ C r ] * 1 , 2 5 + [ F e ] * 2 , 5 + [ N i ] / 0 , 8 , м а с с . % , ( 2 )

последующие стадии прокатки производят в α+β-области с прерываниями и нагревами в продольных или в поперечных направлениях с суммарной степенью деформации после каждого прерывания ε до 60%.

В процессе охлаждения деформированных за один этап слябов на границе β-зерен происходит развитие оторочки α-фазы, что снижает ресурс пластичности металла и приводит образованию поверхностных трещин при последующей прокатке в α+β-области. Это становится критичным фактором для предложенного изобретения, так как слиток деформируется в сляб за один этап и структура сляба еще в значительной мере наследует недостаточно пластичную литую структуру слитка, особенно это заметно в приповерхностных слоях. Купировать этот процесс, а именно образование приемлемой толщины оторочки α-фазы на границе зерен, возможно при обеспечении необходимой скорости охлаждения слитка после финишной стадии деформации слитка в сляб, при этом скорость охлаждения должна быть не менее 50°С/мин и распространятся на глубину от 20 до 30 мм. Как показала практика для этого во многих случаях вполне достаточно сохранять контакт между поверхностями сляба и инструмента после деформации или охлаждать сляб в воде, при этом время контакта, нахождения сляба в воде определяются опытным путем.

На первой стадии прокатки из-за того, что структура сляба, деформированного за один этап, еще не достаточно проработана и его ресурс пластичности ограничен, поэтому нерегламентируемый ритм прокатки приводит к критичному захоложиванию поверхности сляба, контактирующей с холодными валками. Это вызвано тем, что с целью увеличения производительности процесса прокатки, операторов прокатных станов, традиционно ориентируют на сокращение продолжительности пауз между проходами до 3-5 с.Из-за низкой теплопроводности титановых сплавов температура поверхностных слоев не успевает восстанавливаться за счет прихода тепла из центральных областей, что приводит к появлению на захоложенной поверхности сляба трещин, зарождающихся на тройных стыках β-зерен. Интервал между проходами продолжительностью от 8 до 12 с позволяет выровнять температурное поле по сечению сляба до приемлемого уровня, не провоцирующего образование поверхностных трещин.

При выборе температуры первой α+β-прокатки учитывали, что достаточная степень "полугорячего наклепа" сообщается металлу лишь при наличии и соответствующей устойчивости межфазных границ. Чтобы не допустить на первой стадии прокатки в α+β-области развития процессов динамической и спонтанной рекристаллизации, прокатку осуществляли малыми частными обжатиями εi=3…5% до суммарной степени деформации ε от 20% до 30% при температуре ТПП-20…40°С, при этом металлу сообщается достаточная степень "полугорячего наклепа", что обеспечивает в металле повышенный энергетический уровень для обеспечения эффекта рекристаллизации β-зеренной структуры в последующей второй стадии прокатки в β-области. Температура нагрева последующей второй стадии прокатки в β-области определяется по формуле (1), которая получена на основании экспериментальных данных.

Температура нагрева сляба на второй стадии прокатки, обеспечивающая требуемый эффект рекристаллизации β-фазы, зависит от химического состава сплава, а именно от его молибденового эквивалента МоЭК, формула (2).

Для обеспечения заданного уровня механических свойств последующие стадии прокатки производят в α+β-области с прерываниями и нагревами в продольных или в поперечных направлениях с суммарной степенью деформации после каждого прерывания 8 до 60%. Металл на этом этапе и приданных режимах имеет запас пластичности, который не требует строгой регламентации ритма прокатки.

В последующих примерах конкретного выполнения, температура нагрева перед второй прокаткой была определена в соответствии с формулами 1 и 2.

Пример 1

Предлагаемый способ был опробован при изготовлении плит размерами 16×900×2000 мм из двухфазного титанового сплава Ti-6Al4V. Температура полиморфного превращения сплава Тпп=980°С. Изготовление сляба производили из слитка диаметром 740 мм. Слиток нагревали до температуры 1180°С (на 210°С выше Тпп), прессовали в замкнутом штампе на размеры 276×1080×1600 мм и выдерживали полученный сляб в штампе, не поднимая верхней гравюры, в течение 3 мин, что обеспечило скорость охлаждения поверхностного слоя на глубину 20 мм не менее 50°С/мин. Дальнейшее охлаждение сляба осуществлялось на адъюстаже раздельно без соприкосновения с другими горячими слябами. Механически обработанный до размеров 266×1080×1700 мм сляб нагревали до температуры 940°С (на 40°С ниже Тпп) и прокатывали на стане кварто-2000 малыми обжатиями εi=3-4% с интервалом между проходами продолжительностью от 8 до 12 с до суммарной степени деформации ε=25% с последующим охлаждением до температуры цеха. При визуальном осмотре поверхностных трещин не обнаружено. Далее раскат нагревали до температуры 1090°С, прокатывали со степенью деформации ε=55% и охлаждали до температуры цеха. Затем раскат нагревали до температуры 940°С (на 40°С ниже Тпп) и проводили прокатку со степенью деформации ε=50%. После охлаждения полосу раскраивали на краты и окончательную прокатку со степенью деформации ε=50% проводили в поперечном направлении.

Полученные плиты подвергали термообработке обработке, а также последующим испытаниям механических свойств и контролю структуры.

Результаты испытаний соответствовали требованиям отечественных ТУ-1-805-391-79 и международных стандартов А3304, AMS4911H.

Пример 2

Предлагаемый способ был опробован при изготовлении плит размерами 50×1000×2000 мм из двухфазного титанового сплава ВТ 23. Температура полиморфного превращения сплава Тпп=890°С. Изготовление сляба производили из слитка диаметром 740 мм массой 3200 кг. Слиток нагревали до температуры 1150°С (на 260°С выше Тпп), проводили ковку за один этап до размеров 300×1100×1700 мм и охлаждали полученный сляб в баке с водой в течение 3 мин, чтобы обеспечить скорость охлаждения поверхностного слоя на глубину 20 мм не менее 50°С /мин. Дальнейшее охлаждение сляба осуществлялось на адьюстаже раздельно без соприкосновения с другими горячими слябами. Механически обработанный на размеры 280×1080×1730 мм сляб нагревали до температуры 860°С прокатывали на стане кварто2000 малыми обжатиями εi=3-4% с интервалом между проходами продолжительностью от 8 до 12 с до суммарной степени деформации 8=25% с последующим охлаждением до температуры цеха. При визуальном осмотре поверхностных трещин не обнаружено. Далее раскат нагревали до температуры 1050°С, прокатывали со степенью деформации ε=65% и охлаждали до температуры цеха. Затем раскат нагревали до температуры 860°С (на 30°С ниже ТПП) и проводили окончательную прокатку со степенью деформации ε=50%.

Полученные плиты подвергали термообработке обработке, а также последующим испытаниям механических свойств и контролю структуры.

Результаты испытаний соответствовали требованиям отечественных TY1-805-103-8L

Механические свойства приведены в табл.1.

Таблица 1
Механические свойства
Способ изготовл
ения плит
Состояние испытываемых образцов временное сопротивление □, кг/мм2 относительное удлинение δ, % относительное сужение Ψ, % ударная вязкость KCU, МДж/м2
Состаренное 132 9,6 28,0 0,35
Предлагаемое Закаленное и состаренное 130,5 10,6 31,0 0,33
Состаренное 124,3 7,8 13,9 0,34
Известное Закаленное и состаренное 128,4 8,4 18,4 0,31
ТУ1-805-103-81 Термоупрочненное 110-130 8,0 11,0 0,30

Пример 3

Предлагаемый способ применяли при изготовлении плит размерами 45×1000×2000 мм из двухфазного титанового сплава ВТ 22. Температура полиморфного превращения сплава ТПП=870°С. Изготовление сляба производили из слитка диаметром 740 мм. Слиток нагревали до температуры 1200°С (на 330°С выше ТПП) и производили ковку за один этап до размеров 300×1100×1700 мм и охлаждали полученный сляб в баке с водой в течение 3 мин, чтобы обеспечить скорость охлаждения поверхностного слоя на глубину 20 мм не менее 50°С/мин. Дальнейшее охлаждение сляба осуществлялось на адьюстаже раздельно без соприкосновения с другими горячими слябами. Механически обработанный до размеров 280×1080×1700 мм сляб нагревали до температуры 840°С (на 30°С ниже ТПП) и проводили прокатку на стане кварто 2000 малыми обжатиями εi=3-4% до суммарной степени деформации ε=25%, с интервалами между проходами продолжительностью 8-12 с и с последующим охлаждением до температуры цеха. При визуальном осмотре поверхностных трещин не обнаружено. Далее раскат нагревали до температуры 1075°С, прокатывали со степенью деформации ε=58% и охлаждали до температуры цеха. Затем раскат нагревали до температуры 900°С (на 30°С ниже ТПП) и проводили окончательную прокатку со степенью деформации ε=50%.

Полученные плиты подвергали термообработке, а также последующим испытаниям механических свойств и контролю структуры. Результаты испытаний механических свойств приведены в табл.2.

Макроструктура плит 5-6 баллов, участки 7 баллов, допускаемые в ТУ 1-92-31-74 и И1054-76 для серийных плит отсутствуют.

Микроструктура плит 1-3 типа, участки 4 типа, допускаемые в ТУ 1-92-31-74 и И1054-76 для серийных плит отсутствуют.

Таблица 2
Способ изготовле
ния плит
Состояние испытываемых образцов Механические свойства
временное сопротивление □, кг/мм2 относительное удлинение δ, % относительное сужение Ψ, % ударная вязкость KCU, МДж/м2
Предлагае
мый
отожженное 120,1 12,8 30,9 0,30
отожженное 122,8 12,5 29,1 0,32
Известный отожженное 124,3 7,2 12,4 0,34
отожженное 118,4 8,0 18,4 0,31
ТУ1-92-31-74 отожженное 110-130 6 16,0 0,25

Полученные плиты характеризуются однородной мелкозернистой макроструктурой, повышенным уровнем и стабильностью механических свойств, а также высокой точностью геометрических размеров и отсутствием поверхностных дефектов.

Способ изготовления плит из двухфазных титановых сплавов, включающий горячее деформирование слитка в сляб, горячую прокатку и последующую термическую обработку плит, отличающийся тем, что производят одноэтапное горячее деформирование слитка в сляб и сразу после достижения в процессе деформации конечной толщины сляба осуществляют быстрое охлаждение на глубину сляба от поверхности от 20 мм до 30 мм со скоростью не менее 50°С/мин, затем ведут последующую горячую продольную прокатку, причем на первой стадии - в α+β-области от температуры нагрева ТН=(TПП-20…40)°C частными обжатиями со степенью деформации εi, от 3% до 5% до суммарной степени деформации ε=25…30% и с паузами между проходами продолжительностью от 8 с до 12 с, а на второй стадии - в β-области от температуры нагрева, определяемой по формуле:
ТН≥(ТПП+(10×МоЭК+80))°С,
где ТН - температура нагрева сляба, °С;
ТПП - температура полиморфного превращения, °С;
MoЭК - молибденовый эквивалент, рассчитываемый по формуле:
МоЭК=[Mo]+[V]/1,5+[Cr]·1,25+[Fe]·2,5+[Ni]/0,8, мас.%,
на последующих стадиях прокатку ведут в α+β-области с прерываниями и нагревами в продольных или в поперечных направлениях с суммарной степенью деформации ε после каждого прерывания до 60%.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к металлургии, а именно к обработке изделий из титана, и может быть применено в машиностроении, авиастроении. .

Изобретение относится к области наноструктурных материалов с ультрамелкозернистой структурой, в частности, двухфазных альфа-бета титановых сплавов, которые могут быть использованы для изготовления полуфабрикатов и изделий в различных отраслях техники, машиностроения, медицины.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении стержневых деталей с головками из титановых сплавов. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления тонких листов из жаропрочного псевдо-альфа-титанового сплава. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к листам из чистого титана, которые могут быть использованы для изготовления пластин теплообменников. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиадвигателестроении при получении заготовок лопаток газотурбинных двигателей (ГТД).

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханическим исполнительным механизмам, предназначенным для преобразования тепловой энергии в механическую.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам изготовления тонких листов методом холодной прокатки из высокопрочных псевдо- -титановых сплавов, которые могут быть использованы в аэрокосмической, химической отраслях промышленности, машиностроении, медицине и других областях народного хозяйства.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам обработки полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6, и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к пластической деформации металлов, в частности к способам изготовления тонких листов из ( - )-, псевдо- , -титановых сплавов.

Изобретение относится к системе крепления подшипника валка. .

Изобретение относится к способу ускоренного охлаждения и прямого закаливания горячекатаного металла, в частности стальных полос или листов, и устройству для регулируемого охлаждения горячекатаного металла в форме листов или полосы с использованием устройств для зонально-разделительного впрыскивания для удержания охлаждающей текучей среды на верхней поверхности листа или полосы в одной области, которые являются регулируемыми в зависимости от величины расхода потока наносимого охладителя, что обеспечивает хорошую плоскостность охлажденных листов или полос.

Изобретение относится к области прокатного производства, а точнее к кантователю прямоугольного проката и наиболее эффективно может быть использовано при кантовании в линии рольганга прямоугольного проката и труб прямоугольного профиля с отношением высоты и ширины более чем 1:3 и длиной до 12 метров.

Изобретение относится к способам производства проката и может быть использовано при прокатке длинномерных металлических заготовок между валками, в том числе при проявлении материалом заготовки сверхпластических свойств.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления тонких листов из жаропрочного псевдо-альфа-титанового сплава. .

Способ содержит этапы, на которых измеряют расстояния до металлической полосы 1 посредством совокупности бесконтактных датчиков 3, предоставляющих результаты измерений расстояний; формируют профиль искривления, основанный на результатах измерений расстояний; разлагают профиль искривления на некоторое количество базовых форм и управляют профилем искривления посредством совокупности бесконтактных исполняющих устройств (, , ..., , ..., и , , ..., , ..., причем управление содержит предоставление для каждой из базовых форм соответствующей комбинации профилей сил. На этапе управления профилем искривления оптимизируют комбинации профилей сил, прикладываемых в нескольких поперечных сечениях таким образом, чтобы минимизировать среднеквадратическую амплитуду искривления металлической полосы. Система содержит множество бесконтактных датчиков (3), измеряющих расстояние до металлической полосы (1), средство для формирования профиля искривления на основе результатов измерений расстояний, средство для управления профилем искривления посредством множества бесконтактных исполняющих устройств, выполненное с возможностью минимизации среднеквадратической амплитуды искривления металлической полосы. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.
Наверх