Способы получения изделий из титана и титановых сплавов
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения изделий из титанового сплава. Способ получения изделия из титанового сплава включает плавление шихтовых материалов с источником водорода, содержащим гидрид титана, с образованием расплава титанового сплава, разливку по меньшей мере части расплава с образованием гидрогенизированного слитка титанового сплава, деформирование гидрогенизированного слитка при температуре сначала в области β-фазы, а затем в области α+β+δ-фаз с образованием обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка, и дегидрогенизацию обработанного изделия для снижения содержания водорода в обработанном изделии. Изделия характеризуются высокой прочностью за счет формирования ультрамелкозернистой α-фазы с размером менее 10 мкм. 3 н. и 41 з.п. ф-лы, 1 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к способам получения изделий из титана и титановых сплавов. В частности, некоторые неограничивающие аспекты настоящего изобретения относятся к способам, включающим получение гидрогенизированного титана или сплава титана, деформирование (обработку давлением) титана или сплава титана и последующую дегидрогенизацию материала для снижения содержания водорода в изделии. В некоторых неограничивающих вариантах реализации способа по настоящему изобретению, способ обеспечивает получение изделия из титана или титанового сплава, имеющего ультрамелкодисперсный размер частиц α-фазы, например, средний размер частиц α-фазы менее 10 микрон в наибольшем измерении.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Сплавы титана используют во множестве применений благодаря выигрышному соотношению свойств этих материалов, включая прочность, пластичность, модуль упругости и температурные свойства. Например, сплав Ti-6Al-4V (также называемый «сплавом Ti-6-4» с составом, указанным в UNS R56400) представляет собой коммерческий сплав, который широко используется в аэрокосмической и биомедицинской отраслях.
[0003] Титан имеет две аллотропные формы: «высокотемпературную» бета («β»)-фазу, которая имеет объемно-центрированную кубическую («оцк») кристаллическую структуру, и «низкотемпературную альфа («α»)-фазу, которая имеет гексагональную плотноупакованную («гпу») кристаллическую структуру. Температура, при которой α-фаза полностью превращается в β-фазу при нагревании титанового сплава, известна как температура β-перехода (или просто «β-переход» или «Tβ»). Традиционная обработка литых слитков из титановых сплавов для формирования заготовок и других полуфабрикатов в общем случае включает комбинацию этапов деформирования выше и ниже β-перехода в зависимости от необходимой структуры и требований к свойствам материала при данном применении.
[0004] Более мелкий размер α-частиц может приводить к более высоким прочностным свойствам на растяжение, улучшенному пределу усталости и улучшенной возможности ультразвукового контроля изделия из титанового сплава. Традиционный подход к достижению более мелкого размера α-частиц в изделиях из титановых сплавов обычно включает проведение сложной термомеханической обработки, например, быстрой закалки из области β-фазы, с последующими относительно большими величинами горячей обработки давлением или деформации в области α+β-фаз и, возможно, постдеформационный отжиг в области α+β-фаз для дальнейшего измельчения частиц. В частности, для достижения наименьшего размера α-частиц требуется горячая обработка давлением при очень низких и, вероятно, едва ли практических, температурах и применение относительно низких, регулируемых скоростей деформации. Однако существуют производственные ограничения в отношении того, чего можно достичь посредством этого традиционного подхода, вследствие повышенной ковочной нагрузки, более низкого технологического выхода из-за растрескивания и отсутствия или ограничения практического регулирования скорости деформации, в особенности в случае больших размеров сечения. Традиционный подход также может быть ограничен возрастающей тенденцией к образованию в сплаве небольших пустот или пор при определенных условиях обработки, таких как низкие температуры и/или высокие скорости деформации. Это явление известно как «деформационно-индуцированная пористость» или «ДИП». Наличие ДИП в сплаве может быть исключительно вредным для свойств сплава и может приводить к значительным потерям в технологическом выходе. В тяжелых случаях для устранения образовавшейся таким образом ДИП могут понадобиться дополнительные и дорогостоящие этапы обработки, такие как горячее изостатическое прессование. Таким образом, появилась необходимость в способах получения изделий из титановых сплавов, имеющих более мелкий размер α-частиц, в то же время позволяющих избежать ограничений, накладываемых температурой горячей обработки давлением и/или скоростью деформации.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Настоящее изобретение частично относится к способам и изделиям из сплавов, которые решают проблемы некоторых ограничений традиционных подходов к получению изделий из титановых сплавов. Некоторые варианты реализации изобретения решают проблемы ограничений традиционных методов достижения более мелкого размера α-частиц в некоторых изделиях из титана и титановых сплавов. Один неограничивающий аспект настоящего изобретения относится к способу получения изделия, выбранного из изделия из титана и изделия из титанового сплава. Указанный способ включает: плавление шихтовых материалов с источником водорода для формирования горячего расплава титана или титанового сплава; разливку по меньшей мере части горячего расплава для формирования гидрогенизированного слитка из титана или титанового сплава; деформирование гидрогенизированного слитка при повышенной температуре для формирования обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка; и дегидрогенизацию обработанного изделия для снижения содержания водорода в обработанном изделии. В некоторых неограничивающих вариантах реализации способа дегидрогенизированное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 10 микрон в наибольшем измерении. В некоторых неограничивающих вариантах реализации способа титан или титановый сплав выбран из группы, состоящей из технически чистого титана, псевдо-α-титанового сплава, α+β-титанового сплава, псевдо-β-титанового сплава и сплава алюминида титана.
[0006] Другой неограничивающий аспект настоящего изобретения относится к способу получения изделия из α+β-титанового сплава. Указанный способ включает: плавление шихтовых материалов с источником водорода для формирования горячего расплава; разливку по меньшей мере части горячего расплава для формирования гидрогенизированного слитка из α+β-титанового сплава; деформирование гидрогенизированного слитка при температуре сначала в области β-фазы, а затем в области α+β+δ-фаз для формирования обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка; и вакуумную термическую обработку обработанного изделия для снижения содержания водорода в обработанном изделии.
[0007] Другой неограничивающий аспект настоящего изобретения относится к способу получения изделия из α+β-титанового сплава. Указанный способ включает: плавление шихтовых материалов с источником водорода для формирования горячего расплава; разливку по меньшей мере части горячего расплава для формирования гидрогенизированного слитка из α+β-титанового сплава; деформирование слитка при первой повышенной температуре для формирования исходного обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка; гидрогенизацию исходного обработанного изделия при второй повышенной температуре; деформирование исходного обработанного изделия при третьей повышенной температуре для формирования промежуточного обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения исходного обработанного изделия; и вакуумную термическую обработку промежуточного обработанного изделия для снижения содержания водорода в промежуточном обработанном изделии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0008] Признаки и преимущества описанных в данном документе способов и изделий из сплавов будут лучше понятны с отсылкой на сопровождающие графические материалы, на которых:
[0009] Фиг. 1 представляет собой блок-схему неограничивающего варианта реализации способа получения изделия из титана или титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением.
[0010] Следует понимать, что применение изобретения не ограничено последовательностями, проиллюстрированными вышеописанными графическими материалами. Читателю станут очевидны вышеуказанные, а также другие детали после изучения нижеприведенного подробного описания некоторых неограничивающих вариантов реализации способов и изделий из сплавов в соответствии с настоящим изобретением. Читателю также станут понятны некоторые из таких дополнительных деталей после применения описанных в данном документе способов и изделий из сплавов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ НЕОГРАНИЧИВАЮЩИХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] В настоящем описании неограничивающих вариантов реализации изобретения и в формуле изобретения, за исключением рабочих примеров или где это каким-либо образом указано иное, все числа, выражающие количества или характеристики ингредиентов и продуктов, условий обработки и тому подобное, следует понимать как модифицируемые во всех случаях термином «примерно». Соответственно, если не указано иное, любые числовые параметры, приведенные в нижеследующем описании и приложенной формуле изобретения, являются приближениями, которые могут варьироваться в зависимости от желаемых свойств, которые необходимо получить в способах и изделиях из сплавов в соответствии с настоящим изобретением. Как минимум, и не пытаясь ограничивать применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр следует воспринимать по меньшей мере в свете количества приведенных значимых цифр и применяя обычные методы округления.
[0012] Настоящее изобретение частично относится к способам и изделиям из титана и титановых сплавов, которые решают проблемы некоторых ограничений традиционных подходов к достижению более мелкого размера α-частиц в некоторых изделиях из титановых сплавов. На фиг. 1 изображен неограничивающий вариант реализации способа получения слитка из α+β-титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением. Указанный способ включает плавление шихтовых материалов с источником водорода для формирования горячего расплава (блок 100) и разливку по меньшей мере части горячего расплава для формирования гидрогенизированного (т.е. водородсодержащего) слитка из α+β-титанового сплава (блок 110). В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения шихтовые материалы могут состоять из материалов, которые после плавления образуют титановый сплав Ti-6-4 (с составом, указанным в UNS R56400), содержащий по массе (в данном документе все процентные доли представляют собой массовые процентные доли, если не указано иное) от 5,50% до 6,75% алюминия, от 3,50% до 4,50% ванадия, титан, водород и примеси. Специалисты в данной области техники могут легко определить исходные материалы, способные образовать горячий сплав, имеющий конкретный необходимый состав.
[0013] В более широком смысле описанные в данном документе способы можно применять в связи с получением слитков и других изделий из любого из технически чистого титана, псевдо-α-титановых сплавов, α+β-титановых сплавов, псевдо-β-титановых сплавов и сплавов алюминида титана. Неограничивающие примеры псевдо-α-титановых сплавов, которые можно обрабатывать в соответствии с различными неограничивающими вариантами реализации раскрытых в данном документе способов, включают сплав Ti-8Al-1Mo-1V (с составом, указанным в UNS R54810). Неограничивающие примеры α+β-титановых сплавов, которые можно обрабатывать в соответствии с различными неограничивающими вариантами реализации раскрытых в данном документе способов, включают сплав Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (с составом, указанным в UNS R54620), сплав Ti-6Al-4V (с составом, указанным в UNS R56400) и сплав Ti-6Al-6V-2Sn (с составом, указанным в UNS R56620). Неограничивающие примеры псевдо-β-титановых сплавов, которые можно обрабатывать в соответствии с различными неограничивающими вариантами реализации раскрытых в данном документе способов, включают сплав Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr (также обозначаемый как сплав «Ti-17», с составом, указанным в UNS-R58650), сплав Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-0,15Si (также обозначаемый как сплав «Ti-62222») и сплав Ti-4,5Al-3V-2Mo-2Fe (также обозначаемый как сплав «SP-700»). Неограничивающие примеры сплавов алюминида титана, которые можно обрабатывать в соответствии с различными неограничивающими вариантами реализации раскрытых в данном документе способов, включают сплав Ti-24Al-11Nb и супер-α2 сплав на основе Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo. Специалистам в данной области техники очевидно, что вышеуказанные обозначения сплавов относятся только к номинальным концентрациям, по массовому процентному содержанию в расчете на общую массу сплава, некоторых основных легирующих элементов, содержащихся в сплаве, и что эти сплавы могут также содержать другие незначительные добавки легирующих элементов, а также случайные примеси, которые не влияют на обозначение сплавов как псевдо-α-титановых сплавов, α+β-титановых сплавов, псевдо-β-титановых сплавов и сплавов алюминида титана. Более того, хотя настоящее изобретение ссылается на некоторые конкретные сплавы, описанные в данном документе способы и изделия из сплавов не ограничены в этой связи. Следует понимать, что исходные материалы могут быть выбраны специалистом-практиком так, чтобы обеспечить слиток сплава, имеющий необходимый состав и другие необходимые свойства.
[0014] В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами реализации изобретения по меньшей мере часть гидрогенизированного слитка, получаемого на этапах плавления и разливки в соответствии с настоящими способами, обладает содержанием водорода больше чем 0 до 1,5% по массе в расчете на общую массу гидрогенизированного слитка. В соответствии с некоторыми другими неограничивающими вариантами реализации изобретения содержание водорода в по меньшей мере части гидрогенизированного слитка составляет от 0,05% до 1,0% по массе. В других неограничивающих вариантах реализации изобретения по меньшей мере часть гидрогенизированного слитка обладает содержанием водорода от 0,05% до 0,8% или от 0,2% до 0,8% по массе. В зависимости от состава в случае конкретного изделия из сплава содержание водорода, превышающее 1,5% по массе, может вызывать растрескивание во время охлаждения до комнатной температуры и, следовательно, может не обеспечить требуемые свойства материала.
[0015] Традиционным подходом к введению водорода в изделие из титанового сплава является происходящая после плавления термическая обработка затвердевшего сплава в присутствии водорода. Этот традиционный подход базируется на твердофазной диффузии водорода и, следовательно, обычно требует высокотемпературной термической обработки в течение длительного периода времени, существенно увеличивающегося с размером сечения. В противоположность этому, некоторые неограничивающие варианты реализации способов получения изделия из α+β-титанового сплава или других изделий из титана или титановых сплавов в соответствии с настоящим изобретением включают плавление шихтовых материалов с источником водорода для обеспечения гидрогенизированного слитка из титана или титанового сплава. Другими словами, источник водорода присутствует во время получения горячего расплава, и водород из этого источника внедряется в литой материал. В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами реализации изобретения источник водорода присутствует на всех этапах плавления и разливки (затвердевания), которые проводят одновременно.
[0016] Водород может быть внедрен в литой титан или титановый сплав, например, в виде водородистых выделений или твердого раствора внедрения, в матрице титана или титанового сплава, хотя водород может присутствовать в любой форме, которой способствует состав сплава и условия обработки. Как дополнительно объясняется ниже, изделия из титана и титановых сплавов, обработанные в соответствии с различными вариантами реализации способов согласно настоящему изобретению, могут приводить к улучшению обрабатываемости и технологического выхода и тем самым снижать затраты на производство и/или могут достигать более мелкого размера α-частиц, чем возможно в случае традиционных способов преобразования титана. Более того, как дополнительно объясняется ниже в связи с некоторыми вариантами реализации, путем поддержания гидрогенизированного состояния прошедшего конечную горячую обработку давлением и черновую обработку изделия можно сделать время отжига, необходимое для дегидрогенизации (т.е. снижения содержания водорода), относительно коротким и экономически выгодным.
[0017] В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения источником водорода может быть, например: газовая среда, содержащая парциальное давление водорода, в контакте с расплавленными шихтовыми материалами; газовая среда, содержащая парциальное давление водорода и инертный газ (например, гелий или аргон), в контакте с расплавленными шихтовыми материалами; и/или один или более водородсодержащих материалов (таких как, например, порошок гидрида титана, щепки или стружка гидрида титана), которые плавят вместе с другими шихтовыми материалами. Специалисты в данной области после прочтения настоящего описания смогут определить дополнительные источники водорода в соответствии с настоящим изобретением для повышения содержания водорода в изделии из титана или титанового сплава. Подразумевается, что все такие дополнительные источники водорода входят в объем настоящего изобретения.
[0018] Снова обращаясь к фиг. 1, в неограничивающем варианте реализации способа получения изделия из α+β-титанового сплава или другого изделия из титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением гидрогенизированный слиток из титанового сплава деформируют (т.е. обрабатывают давлением) при повышенной температуре (т.е. температуре, которая превышает комнатную температуру и которая подходит для обработки слитка давлением) для формирования обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка (блоки 120-140). Значение термина «обработанное изделие» понятно специалистам в области производства изделий из титановых сплавов. В качестве примеров и без ограничений, обработанное изделие может относиться к преформе (заготовке), промежуточной заготовке, конечной заготовке, прутку, толстому листу, тонкому листу, конечному изделию либо в обработанном только давлением или подвергнутом черновой обработке состоянии, или другим полупродуктам (полуфабрикатам). Например, после деформирования исходного слитка, например, методами ковки или другой горячей обработки давлением, получаемое в результате обработанное изделие, как правило, называется в данной области техники преформой или промежуточной заготовкой. В контексте данного документа «обработанное изделие» охватывает все такие изделия. Более того, следует понимать, что «преформа» или «заготовка» не ограничиваются конкретными формами изделий. Конкретная форма преформы или заготовки может варьироваться в зависимости от условий обработки и проектных критериев конкретного изделия из сплава.
[0019] В некоторых неограничивающих вариантах реализации настоящих способов гидрогенизированный слиток деформируют сначала при температуре в области β-фазы конкретного сплава (блок 120), а после этого деформируют в области α+β+δ-фаз сплава (блок 130) для формирования обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка. В некоторых вариантах реализации настоящего способа, включающих деформирование в области β-фазы и после этого в области α+β+δ-фаз, сплав представляет собой α+β-титановый сплав. Традиционная обработка литых слитков α+β-сплавов для формирования заготовок или других полупродуктов, как правило, включает исходную деформацию материала выше β-перехода (т.е. в области β-фазы) для разрушения литой структуры слитка. Не ограничиваясь какой-либо теорией, обеспечение изделия из α+β-титанового сплава с повышенным содержанием кислорода с помощью способов в соответствии с настоящим изобретением может улучшить горячую обрабатываемость или пластичность α+β-титанового сплава путем снижения температуры β-перехода сплава и стабилизации β-фазы сплава.
[0020] В некоторых неограничивающих вариантах реализации способов в соответствии с настоящим изобретением изделие из титана или титанового сплава, полученное путем разливки расплава, полученного плавлением шихтовых материалов с источником водорода, сначала деформируют при температуре немного выше температуры β-перехода для формирования промежуточной заготовки (блок 120). Деформирование изделия из титана или титанового сплава в соответствии с различными неограничивающими вариантами реализации изобретения, раскрытыми в данном документе, может включать деформирование части изделия или всего изделия. Кроме того, в контексте данного документа такие выражения как «деформирование при» и «деформирование тела при» и т.д., употребляемые в отношении температуры, температурного диапазона или минимальной температуры, означают, что по меньшей мере часть подлежащего деформированию объекта имеет температуру, по меньшей мере равную указанной температуре, в пределах указанного температурного диапазона или по меньшей мере настолько же высокую, что и указанная минимальная температура во время деформации. Неограничивающие способы деформирования изделий из титана или титанового сплава, которые можно применять в соответствии с различными неограничивающими вариантами реализации изобретения, раскрытыми в данном документе, включают одну операцию или комбинацию из ковки, обжимки, экструзии (прессования), волочения и прокатки. Например, в соответствии с одним конкретным неограничивающим вариантом реализации изобретения, деформирование по меньшей мере части изделия при температуре T1 может включать ковку изделия в условиях, когда по меньшей мере часть изделия находится при температуре T1. В отношении α+β-титановых сплавов, так как повышение содержания водорода в α+β-титановом сплаве снижает температуру β-перехода, температура начальной операции β-ковки может быть ниже по сравнению с традиционной обработкой, при которой содержание водорода в сплаве может быть ниже. Применение более низкой температуры во время начальной операции β-ковки может обеспечить преимущества, такие как минимизация размера β-зерен и сохранение более высокой плотности дислокаций, которые могут облегчать измельчение микроструктуры во время последующей обработки.
[0021] Снова обращаясь к блоку 120 на фиг. 1, в соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами реализации изобретения, после начальной низкотемпературной β-деформации промежуточную заготовку деформируют при более высокой температуре β-деформации для рекристаллизации по меньшей мере части промежуточной заготовки. Например, после начальной низкотемпературной β-деформации промежуточную заготовку можно ковать при температуре (T2), которая выше, чем температура начальной операции β-ковки (T1). В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения T2 по меньшей мере на 27°C выше, чем T1. Например, в соответствии с различными неограничивающими вариантами реализации изобретения, раскрытыми в данном документе, перед деформированием слитка в области β-фазы при T1 промежуточную заготовку можно нагревать до T1 или температуры выше T1, например, в печи, так, чтобы промежуточная заготовка или по меньшей мере часть подлежащей деформированию промежуточной заготовки достигала температуры по меньшей мере T1. В контексте данного документа такие выражения как «нагретый до» и «нагревание до» и т.д., употребляемые в отношении температуры, температурного диапазона или минимальной температуры, означают, что изделие нагревают до тех пор, пока по меньшей мере необходимая часть изделия не будет иметь температуру, по меньшей мере равную указанной или минимальной температуре, или в пределах указанного температурного диапазона, на протяжении всей длины указанной части. После нагревания промежуточную заготовку (или любую ее часть) можно деформировать при T1.
[0022] В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами реализации изобретения водородсодержащую промежуточную заготовку, полученную из расплава, охлаждают для формирования водородистых выделений в промежуточной заготовке. Содержание водорода в гидрогенизированном слитке может стимулировать трансформацию эвтектоидной фазы в виде β ↔ α+β+δ (гидрид титана) в случае выдержки при температуре в области α+β+δ-фаз. В контексте данного документа такие выражения как «выдерживать при» и т.п., употребляемые в отношении температуры, температурного диапазона или минимальной температуры, означают, что по меньшей мере необходимую часть титана или титанового сплава поддерживают при температуре, по меньшей мере равной указанной или минимальной температуре, или в пределах указанного температурного диапазона. В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения титан или титановый сплав охлаждают контролируемым образом через эвтектоидный переход до комнатной температуры. В альтернативном варианте материал охлаждают контролируемым образом ниже эвтектоидного перехода, выдерживают (состаривают) при температуре или в температурном диапазоне ниже эвтектоидного перехода в течение времени, необходимого для достижения более гомогенного распределения водорода, а затем охлаждают контролируемым образом до комнатной температуры. Выделения δ-фазы могут быть использованы для измельчения α+β-микроструктуры и потенциального облегчения образования более мелкого размера α-частиц по сравнению с традиционной обработкой, как дополнительно объясняется ниже. Хотя настоящее описание ссылается на α+β-титановые сплавы, описанные в данном документе способы и изделия из сплавов не ограничены в этой связи. Следует понимать, что в других неограничивающих вариантах реализации способов в соответствии с настоящим изобретением можно осуществлять различные модификации, не отступая от сути и объема изобретения, что очевидно специалистам в данной области техники. Такие изменения и модификации находятся в пределах объема и идей данного изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения.
[0023] Снова обращаясь к фиг. 1, промежуточную заготовку подвергают горячей обработке давлением, т.е. деформируют при температуре в области α+β+δ-фаз α+β-титанового сплава для формирования конечной заготовки (блок 130). В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения промежуточную заготовку состаривают при температуре в области α+β+δ-фаз титанового сплава (блок 140) перед деформацией в области α+β+δ-фаз титанового сплава. В других неограничивающих вариантах реализации изобретения промежуточную заготовку деформируют в области α+β- или α+β+δ-фаз титанового сплава без отдельного этапа старения в области α+β+δ-фаз титанового сплава.
[0024] В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения гидрогенизированный слиток является цилиндрическим. В дополнительных вариантах реализации изобретения гидрогенизированный слиток может принимать другие геометрические формы, а поперечное сечение может быть, например, приблизительно прямоугольным. В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами реализации изобретения, раскрытыми в данном документе, деформирование гидрогенизированного слитка до конечной заготовки может включать деформирование или какую-либо другую обработку слитка давлением за один или более проходов или этапов для достижения процентного снижения площади поперечного сечения, составляющего по меньшей мере 15% и до 98% во время горячей обработки давлением.
[0025] В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами реализации изобретения, включающими обработку изделия из титанового сплава Ti-6-4, температура в области α+β+δ-фаз α+β-титанового сплава, при которой обрабатывают слиток давлением (блок 130), составляет менее 800°C. Водородистые выделения δ-фазы, образуемые в вариантах реализации изобретения согласно данному документу, могут облегчать образование α-частиц более мелкого размера по сравнению с традиционной обработкой. Не ограничиваясь какой-либо теорией, водородистые выделения δ-фазы могут действовать как центры зародышеобразования для рекристаллизации α-фазы во время горячей обработки давлением и также могут действовать как центры захвата для стабилизации измельченных α-частиц.
[0026] В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами реализации изобретения способ получения изделия из титанового сплава Ti-6-4 в соответствии с настоящим изобретением включает деформирование гидрогенизированного слитка, отлитого из расплава, полученного с использованием источника водорода, как описано в данном документе, при первой повышенной температуре для формирования исходного обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка, и гидрогенизацию исходного обработанного изделия при второй повышенной температуре (блок 150). В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения гидрогенизацию во время обработки расплава (блок 100) используют для повышения содержания водорода до промежуточного значения, меньшего, чем необходимое конечное содержание, а остаток необходимого водорода добавляют затем для гидрогенизации сплава путем применения последующей короткой по времени, высокотемпературной термической обработки, например, после β-ковки. Дополнительно гидрогенизированный сплав можно дополнительно обрабатывать для выделения частиц гидрида титана, как указано выше.
[0027] Снова обращаясь к фиг.1, конечную заготовку дополнительно обрабатывают давлением традиционными или сверхпластичными способами в α+β- или α+β+δ-области для формирования изделия, имеющего необходимую конечную форму (блок 160) и/или прошедшего черновую обработку (блок 170). В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами реализации изобретения, включающими обработку изделия из титанового сплава Ti-6-4, конечную α+β+δ-ковку можно проводить при температуре от менее 850°C до 650°C. Во время традиционной обработки без частичной временной гидрогенизации, проводимой в способах в соответствии с настоящим изобретением, горячая обработка давлением титанового сплава Ti-6-4 при температурах намного ниже β-перехода может к сожалению приводить к избыточному растрескиванию и большим объемам деформационно-индуцированной пористости.
[0028] В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами реализации изобретения предложенное конечное изделие дегидрогенизируют (блок 180) либо в обработанном давлением состоянии, либо в подвергнутом черновой обработке состоянии для снижения содержания водорода в конечном изделии. В контексте данного документа «дегидрогенизировать» означает снижать содержание водорода в конечном изделии в любой степени. В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения дегидрогенизация изделия снижает содержание водорода до не более чем 150 млн-1. В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения дегидрогенизация конечного изделия может снижать содержание водорода в конечном изделии до любого подходящего сниженного содержания водорода, чтобы подавить или избежать низкотемпературного охрупчивания и/или чтобы соответствовать химическим спецификациям отраслевых стандартов для конкретного сплава. Во время процесса дегидрогенизации выделения δ-фазы (гидрида титана) могут разлагаться и оставлять относительно мелкую α+β-микроструктуру с морфологиями, находящимися в диапазоне от слегка игольчатой до равноосной, в зависимости от условий обработки.
[0029] В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения дегидрогенизационная обработка дает дегидрогенизированное обработанное изделия. В различных неограничивающих вариантах реализации изобретения дегидрогенизированное обработанное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 10 микрон в наибольшем измерении. В дополнительных неограничивающих вариантах реализации изобретения дегидрогенизированное обработанное изделие может иметь средний размер частиц α-фазы менее 3 микрон в наибольшем измерении. В дополнительных неограничивающих вариантах реализации изобретения дегидрогенизированное обработанное изделие может иметь средний размер частиц α-фазы менее 1 микрона в наибольшем измерении. Измельченная α+β-микроструктура может улучшать механические свойства конечного изделия и/или улучшать возможность ультразвукового контроля. Специалист в данной области техники может легко определить размер частиц α-фазы у дегидрогенизированного обработанного изделия с помощью микроскопии.
[0030] В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами реализации изобретения дегидрогенизация изделия включает вакуумную термическую обработку изделия. В некоторых неограничивающих вариантах реализации изобретения вакуумная термическая обработка изделия включает нагревание конечного изделия практически в вакууме при температуре, достаточной для удаления по меньшей мере части водорода из изделия. Хотя в данном документе описано только ограниченное число способов дегидрогенизации, настоящее изобретение не ограничено ими. Специалисты в данной области могут легко определить подходящий метод дегидрогенизации для конкретного гидрогенизированного обработанного изделия.
[0031] Поддержание изделия из титана или титанового сплава в гидрогенизированном состоянии в течение всего времени до состояния конечной обработки или черновой обработки может обеспечивать многочисленные технологические преимущества, включая, например, улучшенный выход (меньшее растрескивание), меньшее напряжение пластического течения при ковке, более низкие приемлемые температуры горячей обработки давлением, улучшенную обрабатываемость резанием и значительно сниженное время отжига при дегидрогенизации. Изменение условий процесса может привести к получению изделия из титана или титанового сплава с ультратонкодисперсной структурой и улучшенными прочностью при растяжении, сопротивлением усталости и возможностью ультразвукового контроля.
[0032] Хотя в вышеприведенном описании представлено лишь ограниченное число вариантов реализации изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что можно осуществлять различные изменения в способах и других деталях описанных и проиллюстрированных примеров, а все такие модификации остаются в пределах принципа и объема настоящего изобретения, изложенных здесь и в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, понятно, что настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми или включенными в данный документ, но предназначено охватывать модификации, которые находятся в пределах принципа и объема изобретения, определяемых формулой изобретения. Также специалистам в данной области техники будет очевидно, что можно осуществлять изменения вышеприведенных вариантов реализации, не отступая от широкого изобретательского замысла изобретения.
1. Способ получения изделия из титанового сплава, включающий:
плавление шихтовых материалов с источником водорода, содержащим гидрид титана, с образованием расплава титанового сплава;
разливку по меньшей мере части расплава с образованием гидрогенизированного слитка титанового сплава;
деформирование гидрогенизированного слитка сначала при повышенной температуре в области β-фазы, а затем в области α+β+δ-фаз с образованием обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка; и
дегидрогенизацию обработанного изделия для снижения содержания водорода в обработанном изделии.
2. Способ по п. 1, в котором изделие из титанового сплава выбрано из группы, состоящей из изделия из псевдо-α-титанового сплава, изделия из α+β-титанового сплава, изделия из псевдо-β-титанового сплава и изделия из сплава алюминида титана.
3. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере часть гидрогенизированного слитка имеет содержание водорода от 0,05 до 1,5 мас.%.
4. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере часть гидрогенизированного слитка имеет содержание водорода более 0 до 0,8 мас.%.
5. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере часть гидрогенизированного слитка имеет содержание водорода от 0,2 до 0,8 мас.%.
6. Способ по п. 1, в котором источник водорода содержит по меньшей мере одну из газовой среды, содержащей парциальное давление водорода, и газовой среды, содержащей парциальное давление водорода и инертный газ.
7. Способ по п. 1, в котором плавление шихтовых материалов включает плавление шихтового материала в газовой среде, содержащей парциальное давление водорода.
8. Способ по п. 1, который дополнительно включает между деформированием гидрогенизированного слитка в области β-фазы и деформированием гидрогенизированного слитка в области α+β+δ-фаз:
охлаждение обработанного изделия от области β-фазы до комнатной температуры; и
старение обработанного изделия при температуре в области α+β+δ-фаз титанового сплава.
9. Способ по п. 8, в котором по меньшей мере одно из деформирования гидрогенизированного слитка и деформирования обработанного изделия включает по меньшей мере одно из ковки и прокатки.
10. Способ по п. 1, в котором дегидрогенизация обработанного изделия включает нагревание обработанного изделия в вакууме при температуре, достаточной для удаления по меньшей мере части водорода из обработанного изделия.
11. Способ по п. 1, в котором дегидрогенизацию обработанного изделия ведут с обеспечением снижения содержания водорода до не более чем 150 млн-1.
12. Способ по п. 1, в котором дегидрогенизированное обработанное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 10 мкм в наибольшем измерении.
13. Способ по п. 1, в котором дегидрогенизированное обработанное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 3 мкм в наибольшем измерении.
14. Способ по п. 1, в котором дегидрогенизированное обработанное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 1 мкм в наибольшем измерении.
15. Способ по п. 1, в котором изделие представляет собой изделие из α+β-титанового сплава, содержащего, мас.%: от 5,50 до 6,75 алюминия, от 3,50 до 4,50 ванадия, титан, водород и примеси.
16. Способ получения изделия из α+β-титанового сплава, включающий:
плавление шихтовых материалов с источником водорода, содержащим гидрид титана, с образованием расплава;
разливку по меньшей мере части расплава с образованием гидрогенизированного слитка из α+β-титанового сплава;
деформирование гидрогенизированного слитка при первой повышенной температуре с образованием исходного обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка;
гидрогенизацию исходного обработанного изделия при второй повышенной температуре;
деформирование исходного обработанного изделия при третьей повышенной температуре в области α+β+δ-фаз с образованием промежуточного обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения исходного обработанного изделия; и
вакуумную термическую обработку промежуточного обработанного изделия для снижения содержания водорода в промежуточном обработанном изделии.
17. Способ по п. 16, в котором α+β-титановый сплав содержит, мас.%: от 5,50 до 6,75 алюминия, от 3,50 до 4,50 ванадия, титан, водород и примеси.
18. Способ по п. 16, в котором источник водорода содержит по меньшей мере одну из газовой среды, содержащей парциальное давление водорода, и газовой среды, содержащей парциальное давление водорода и инертный газ.
19. Способ по п. 16, в котором вакуумная термическая обработка промежуточного обработанного изделия включает нагревание промежуточного обработанного изделия при температуре, достаточной для удаления по меньшей мере части водорода из промежуточного обработанного изделия.
20. Способ по п. 16, в котором вакуумную термическую обработку промежуточного обработанного изделия ведут с обеспечением снижения содержания водорода в промежуточном обработанном изделии до не более чем 150 млн-1.
21. Способ по п. 16, в котором подвергнутое вакуумной термической обработке промежуточное обработанное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 10 мкм в наибольшем измерении.
22. Способ по п. 16, в котором подвергнутое вакуумной термической обработке промежуточное обработанное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 3 мкм в наибольшем измерении.
23. Способ по п. 16, в котором подвергнутое вакуумной термической обработке промежуточное обработанное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 1 мкм в наибольшем измерении.
24. Способ получения изделия из α+β-титанового сплава, включающий:
плавление шихтовых материалов с источником водорода с образованием расплава;
разливку по меньшей мере части расплава с образованием гидрогенизированного слитка из α+β-титанового сплава;
деформирование гидрогенизированного слитка при температуре сначала в области β-фазы, а затем в области α+β+δ-фаз, с образованием обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка; и
вакуумную термическую обработку обработанного изделия для снижения содержания водорода в обработанном изделии.
25. Способ по п. 24, в котором α+β-титановый сплав содержит, мас.%: от 5,50 до 6,75 алюминия, от 3,50 до 4,50 ванадия, титан, водород и примеси.
26. Способ по п. 24, в котором по меньшей мере часть гидрогенизированного слитка имеет содержание водорода от более 0 до 1,5 мас.%.
27. Способ по п. 24, в котором по меньшей мере часть гидрогенизированного слитка имеет содержание водорода от 0,05 до 1,5 мас.%.
28. Способ по п. 24, в котором по меньшей мере часть гидрогенизированного слитка имеет содержание водорода от 0,05 до 1,0 мас.%.
29. Способ по п. 24, в котором по меньшей мере часть гидрогенизированного слитка имеет содержание водорода от 0,05 до 0,8 мас.%.
30. Способ по п. 24, в котором по меньшей мере часть гидрогенизированного слитка имеет содержание водорода от 0,2 до 0,8 мас.%.
31. Способ по п. 24, в котором источник водорода содержит по меньшей мере одно из газовой среды, содержащей парциальное давление водорода, газовой среды, содержащей парциальное давление водорода и инертный газ, и гидрида титана.
32. Способ по п. 24, в котором плавление шихтовых материалов включает плавление шихтового материала в газовой среде, содержащей парциальное давление водорода.
33. Способ по п. 24, в котором источник водорода содержит водородсодержащий материал в шихтовых материалах.
34. Способ по п. 33, в котором водородсодержащий материал представляет собой гидрид титана.
35. Способ по п. 24, который дополнительно включает между деформированием гидрогенизированного слитка в области β-фазы и деформированием гидрогенизированного слитка в области α+β+δ-фаз:
охлаждение обработанного изделия от области β-фазы до комнатной температуры; и
старение обработанного изделия при температуре в области α+β+δ-фаз титанового сплава.
36. Способ по п. 35, в котором по меньшей мере одно из деформирования гидрогенизированного слитка и деформирования обработанного изделия включает по меньшей мере одно из ковки и прокатки.
37. Способ по п. 24, в котором деформирование гидрогенизированного слитка в области α+β+δ-фаз ведут при температуре от менее 850°C до 650°C.
38. Способ по п. 24, в котором деформирование гидрогенизированного слитка в области α+β+δ-фаз ведут при температуре менее 800°C.
39. Способ по п. 24, в котором деформирование гидрогенизированного слитка в области β-фазы обеспечивает рекристаллизацию по меньшей мере части обработанного изделия.
40. Способ по п. 24, в котором вакуумная термическая обработка обработанного изделия включает нагревание обработанного изделия в вакууме при температуре, достаточной для удаления по меньшей мере части водорода из обработанного изделия.
41. Способ по п. 24, в котором вакуумная термическая обработка обработанного изделия обеспечивает снижение содержания водорода в обработанном изделии до не более чем 150 млн-1.
42. Способ по п. 24, в котором подвергнутое вакуумной термической обработке обработанное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 10 мкм в наибольшем измерении.
43. Способ по п. 24, в котором подвергнутое вакуумной термической обработке обработанное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 3 мкм в наибольшем измерении.
44. Способ по п. 24, в котором подвергнутое вакуумной термической обработке обработанное изделие имеет средний размер частиц α-фазы менее 1 мкм в наибольшем измерении.
