Способ изготовления компактных заготовок из гранул титановых сплавов

 

Сущность изобретения : гранулы засыпают в капсулу, вакуумируют, дегазируют, герметизируют, нагревают и компактируют осадкой в условиях неравномерного сжатия с радиальным истечением материала в температурно-скоростных режимах сверхпластической деформации сплава с предельной степенью деформации компакта не мене 40% для стандартной фракции и не менее 50% для отсевов. Капсулу зачехляют в оболочку и деформируют совместно с ней со степенью деформации компакта не менее 20% для стандартной фракции и не менее 30% для отсевов с радиальным подпором для стандартной фракции не менее 0,5 от осевого усилия, идущего на совместное деформирование капсулы и оболочки, и не менее 0,4 - для отсевов. 1 з.п.ф,, 1 табл. 1 ил,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е С К ИХ

РЕСПУБЛИК (я)я B 22 F 3/14

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4922980/02 (22) 29.03.91 (46) 15.01.93. Бюл. М 2 (71) Научно-производственное объединение

"Композит" (72) С,И.Синельников, О.В.Спирин, С.Ф.Ìàринин и Ю.И.Пономарев (56) Авторское свидетельство СССР

М 1312850, кл, В 22 F 3/02, 1984.

Кайбышев О.А,Сверхпластичность промышленных сплавов. М., Металлургия, 1984, с. 182-183. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПАКТНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ.ГРАНУЛ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ (57) Сущность изобретения ; гранулы засыпают в капсулу, вакуумируют, дегазируют, Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения компактных заготовок с одновременнь м уплотнением и спеканием, В порошковой металлургии известны различные способы получения компактных загЬтовок из металлических гранул, такие как горячее изостатическое прессование, горячее гидростатическое прессование, совмещенный процесс компактирования и штамповки, горячая изостатическая штамповка.

Известен способ изготовления изделий из труднопрессуемых металлических порошков на никелевой основе, включающий засыпку порошка в капсулу, ее вакуумирование, нагрев, одноосное уплотнение до плотности 0,93-0,98, осадку с боковым выдавливаниеМ и радиальным подпаром не менее 1,7 предела текучести материала из„„ЯЦ„„1787б87 А1 герметизируют, нагревают и компактируют осадкой в условиях неравномерного сжатия с радиальным истечением материала в температурно-скоростных режимах сверхпластической деформации сплава с предельной степенью деформации компакта не мене 40% для стандартной фракции и не менее 50% для отсевов. Капсулу зачехляют в оболочку и деформируют совместно с ней со степенью деформации компакта не менее 20% для стандартной фракции и не менее 30% для отсевов с радиальным подпором для стандартной фракции не менее 0,5 от осевого усилия, идущего на совместное деформирование. капсулы и оболочки, и не менее 0,4 — для отсевов, 1 з.п,ф„1 табл. 1 ил, делия и последующую прошивку. Недостатками этого способа являются; сложность технологического процесса; необходимость . использования мощного кузнечно-прессового оборудования для создания высокого гидростатического давления в компактируемом материале, отсутствие йзотермических 0" условий, что также способствует возраста- 00 нию потребных усилий.

Наиболее близким техническим решением яеляетоя слоеоо горячего изостетиче- )чя ского прессования (ГИП) гранулируемых титановых сплавов, включающий засыпку гранул в капсулу, вакуумирование, дегаза- цию, герметизирование, нагрев, компактирова ние в условиях всестороннего равномерного сжатия, выдержку под давлением в изотермических условиях до получения готового компакта, Однако известный способ имеет следующие недостатки; низ1787687 кий уровень механических свойств вследствие малой и неоднородно распределенной деформации и практически недеформированной исходной структуры в зонах, соответствующих центрйльным областям исходных гранул, чувствительности к инородным включениям, значительное количество котторых нйходится в отсевах, являющихся отходами гранульного производства и по этой причине не пригодных для получения методом ГИП качественных компактов; использование сложного и дорогостоящего оборудования — газостйта; низкая производительность процессй, вследствие длительных, в течение нескольких часов, выдержек под давлением, причем полезное время цикла, т.е. выдержка при заданных температурах и давлении, составляет,20257, от продолжительности всего цикла, Целью изобретения является повышение механических свойств компактов, использование отсевов для получения компактных заготовок, повышение производительности процесса, упрощение и удешевление технологии.

Поставленная цель достигается тем, что . .в известном способе, включающем засыпку гранул титанового сплава в капсулу, вакуумиройание, дегазацию, герметизирование, нагрев и компактирование в иэотермических условиях, компактирование ведут осадкой в условиях неравномерного сжатия с радиальным истечением материала в температурно-скоростных режимах сверхпластической деформации (СПД) сплава на гидравлических прессах. Для компактов иэ гранул стандартной фракции деформация должна составлять не менее 40 и не менее

507 для компактов из отсевов. Для компактов из гранул стандартной фракции, имеющих предельную степень деформации менее 40% и менее 50% для компактов иэ отсевов капсулу зачехляют в оболочку, обеспечивающую радиальный подпор для стан- дартной фракции не менее 0,5 от осевого усилия Р, идущего на совместное деформирование капсулы и оболочки и не менее 0,4 — для отсевов, при условии, что для получения кйчественного компакта с уровнем механических свойств превышающем уровень

ГИП, степень деформации должна быть не менее 20% для компактов из гранул стандартной фракции и не менее 30/ для компактов из отсевов.

Известный способ ГИП сочетает в себе длительное воздействие температуры и давления и после образования физического контакта и схватывания поверхностей гранул подобен диффузионной сварке, осуществляемой в условиях ползучести

55 р. Н. где е- средняя относительная высотная деформация;

Но — начальная высота компакта, Н, — конечная высота компакта;

3 (постоянные напряжения и температура), что приводит к объемному взаимодействию и образованию общих зерен на границе раздела гранул, Компактирование методом

5 ГИП осуществляется всесторонним равномерным сжатием с бессдвиговой деформацией периферийных зон гранул и сохранением исходной структуры в центральных зонах гранул. Дефекты поверхно10 сти и инородные включения оказываются впрессованными в обьеме изделия и являются в дальнейшем концентраторами напряжений, Предлагаемый способ изготовления

15 компактных заготовок из гранул титановых сплавов был реализован следующим образом. Компактиро вал и гранул ы а + P тйтанового сплава 8Т23 стандартной фракции

+125-500 мкм и гранулы фракции -125 мкм, 20 взятые иэ бункера отходов после магнитной и аэродинамической сепарации. Гранулы каждой фракции засыпали в сварные капсулы из стали 12Х18Н10Т.

На чертеже представлен вид капсулы и

25 оболочки для компактирования гранул, Номера позиций на рисунке соответствуют: 1 — верхняя крышка с отверстием для засыпки гранул. 2 — нижняя крышка, 3 — обечайка, 4 — заглушка, 5 — оболочка.

30 Капсулы с гранулами вакуумировали. дегазировали, герметизировали заваркой заглушки электронным лучом. Затем их раз- мещали в печи сопротивления, нагретой до температуры 850 С, выдерживали в печи 4

35 ч. Деформирование осуществляли плоскими нешлифованными бойками из сплава ЖС6У в установке изотермического деформирования, нагретой до оптимальной температуры

СПД сплава, смонтированной на гидравли40 песком преСсе усилием 1600 т,е. Оптимепь-. ( ный температурно-скоростной режим СПД титанового сплава BT23: Т = 850 С, я = 10 с . Проведенные исследования показали, что для гранулируемого титанового сплава

45 ВТ23 оптимальный температурно-скоростной.режим СПД: Т= 850 С, е = 10 з-10 с . Значение скорости деформирования в начале и вконце процесса компактирования для различных степеней деформации при50 ведены втаблице. Степень деформации рассчитывали по формуле:

1787687

50

po — начальная плотность засыпки.

- З -1

Порядок скорости деформации 10 с был реализован на прессе усилием 1600 т.с, со скоростью деформирования 0,2 мм/с и соответствует скоростному интервалу СПД гранулируемого титанового сплава ВТ23 (таблица; примеры 1 — 3, 6 — 8, 11 — 16, 19 — 24).

Запредельные значения скорости деформации порядком 10 с были реализованы на прессе усилием 1000 т.с, со скоростью деформирования 13мм/с(примеры 4,,9,,17, 18, 25, 26). Компактирование заготовок из гранул стандартной фракции вели в температурно-скоростных режимах СПД сплава

ВТ23 с предельными степенями деформации равными 20, 40, и 50% (примеры 1 — 3), для компактов из отсевов 30, 40, 60 (примеры 6-8), Для определения влияния скорости деформации на качество компактов, полученных осадкой капсул без оболочки, компактирование вели в оптимальном температурном режиме СПД сплава ВТ23, но со скоростями деформации, не соответствующими скоростному интервалу СПД со степенями деформации 60 (пример 4) для стандартной фракции и 65% (пример 9) для отсевов, а для компактов, полученных осадкой капсул в оболочке со степенями деформации 20, 60 (примеры 17, 18). для стандартной фракции и 30, 65 (примеры

25, 26) для отвесов, Для определения влияния радиального подпора нэ,качество заготовок из гранул стандартной фракции и его предельной величины, обеспечивающей уровень механических свойств выше уровня ГИП, компактирование вели в температурно-скоростных режимах СПД сплава с различными степенями деформации и радиальным подпором меньше 0,5 (пример 11), равном 0,5 (примеры 12 — 15) и больше 0,5 (пример 16) от осевого усилия, идущего на совместное деформирование капсулы с материалом и оболочки. Для этого капсулу с гранулами стандартной фракции зачехляли в оболочку с толщиной стенки 10, 20, 25 мм соответственно приведенной величине радиального подпора, Аналогично капсулы с отсевами зачехляли в оболочку с толщиной стенки 5, 10, 20 мм, обеспечивающие радиальный подпор соответственно менее 0,4 (пример

19), равным 0,4 (примеры 20-23) и больше

0,4 (пример 24).

Для сравнения предлагаемого способа с прототипом провели ГИП капсул с гранулами стандартной фракции (пример 5) и отсевами (пример 10) по режиму Т = 850 С, 5

35 давление в контейнере 1600 атм, выдержка под давлением 4 ч.

Анализ качества заготовок в зависимости от условий проведения компактирования показал следующее. Проведение компактирования капсулы без оболочки в изотермических условиях и температурноскоростных режимах СПД гранулируемого титанового сплава и со степенью деформации компакта не менее 40% для стандартной фракции и не менее 50% для отсевов, обеспечивает уровень механических свойств выше уровня свойств компактов, полученных ГИП, для стандартной фракции на 4,7 — 5,2% для оо,р, íà 3 9 — 4,5% для п, на 1% для д, на 34,5-51,4 для ф, на

2,2- t7.4% для KCU, а для компактов, полученных из отсевов, соответственно на 5,47,0% для 0о,р, на 4,7 — 6,3% для о . на 1 для д . на 23,8-38,4% для ф, на 1,8-3,5% для KCU, Увеличение степени деформации выше 40% для стандартной фракции и выше

50 для отсевов не приводит к заметному росту механических свойств, Компактирование капсул без оболочки в скоростных режимах не соответствующих скоростям СПД сплава, со степенями деформации 60% для стандартной фракции и 65% для отсевов приводит к снижению уровня механических свойств ниже уровня ГИП. Компактирование капсул в оболочке со скоростями дефор- . мации не соответствующими скоростями

СПД сплава, со степенями деформации 20, 60% для гранул стандартной фракции и 30, 65% для отсевов по сравнению с компактированием капсул в оболочке и в скоростном режиме СПД сплава приводит к снижению уровня механических свойств ниже уровня

ГИП. Компактирование в оболочке в температурно-скоростных режимах СПД сплава для компактов из гранул стандартной фракции, имеющих предельную степень деформации менее 40% и для компактов из отсевов соответственно менее 50% с радиальным подпором не менее 0,5 от осевого усилия. и степ ен ью деформации компакта не менее 20 о со ответственно с радиальными подпором не менее 0,4 и деформацией не менее 30% для отсевов обеспечивает уровень механических свойств выше уровня ГИП. Для стандартной фракции на 0,7 — 4,6% для оо,2, на

1,4 — 2,7% для ов, на 20 — 30 для д, на 31,8—

45,0% для ф, на 13,0 — 21,7% для KCU, а для отсевов на 4,8 — 7,0% для оо, на 3,3 — 5,9% для о,, на 0,.8 — 7,9/ для д, на 34,4 — 54,3% для ф на 1,8% для KCU. Степень деформации для компактов из гранул стандартной фракции менее 20% и менее 30% для ком1787687 пактов иэ отсевов приводит к снижению Формула изобретения уровня механических свойств ниже уровня 1. Способ изготовления компактных заГИП. Радиальный подпор менее 0,5 для готовок из гранул титановыхсплавов, вклюстандартной фракции и менее 0,4 для от- чающий засыпку гранул в капсулу, севов приводит к снижению уровня меха- 5 вакуумирование, дегазацию, герметиэиронических свойств ниже уровня ГИП. вание, нагрев и компактирование в изотерУвеличение радиального подпора выше мическихусловиях, отличающийся тем, 0,5.для стандартной фракции и выше 0,4 что, с целью повышения механических для отсевов не приводит к заметному рос- свойств компактов, получаемых из гранул ту свойств. 10 различного гранулометрического состава, включая отсевы, повышения производиИспольэование предлагаемого способа тельйости процесса, упрощения и удешевполучения компактных заготовок из гранул ления технологии, компактирование ведут титановых сплавов обеспечивает по сравне- осадкой в условиях неравномерного сжатия нию с прототипом следующие преимущест- 15 с радиальным истечением материала в темва: пературно-скоростных режимах сверхплаповышение механических свойств ком- стической деформации сплава с предвльной пактов; степенью деформации компакта не менее использование отсевов(фракция менее 40% для стандартной фракции и не менее

125 мкм), являющихся безвозвратными от- 20 50% для отсевов. ходами гранульного производства, для пол- 2: Способ по и. 1, отличающийся учения качественных компактных заготовок тем, что,. с целью получения качественных с уровнем свойств сравнимым с уровнем компактов, имеющих предельную степень компактов из гранул стандартной фракции деформации менее 40% для стандартной по прочностным характеристикам и превы- 25 фракции и менее 50% для отсевов, капсулу шающим его по пластическим характери- зачехляют в оболочку и деформируют.состикам; вместно с ней со степенью деформации комповышение производительности в2-14 пакта не менее 20% для стандартной раз, которая возрастает с увеличением габа- фракции и не менее 30; для отсевов с раритных размеров капсул; . 30 диальным подпаром для стандартной фракупрощение и удешевление технологии . ции не менее 0,5 от осевого усилия, идущего за счет исключения операции горячего иэо- на совместное деформирование капсулы,и статического прессования. оболочки, и не менее 0,4 — для отсевов. .т т

Оболонка Гранулы Способ Скорост- Т инстру- Скорость Е, При- б„дт ба, 4 ) V KCU ной ренин нента, C дефориации, мер кгс/мит кгс/нма 2 2 кгсн/сиа т °

СПД Е, с

Стандарт- Предла- 3,2-6,2 10 т 20 1. 105,1 108,8 8,3 t6,1 4,0 ная гаемый Да 850 3,2-8,3.10 40 г»4,1»8,7 10,0 29,6 4,7 фракция 3,2-9,8.10- 50 3 1!4,7»8, 0 1О, 33, 3

100 2,2-8, 1. 10 60 4 105,2 106,0 .5,7 4,3 2,0

- ке,./ т

Нет..Иаеестиый

100 220 46

l0,8 20,3 4 3

12, 7 37.4. 5,8

t28 4t 8 59

»3,6

101,2

106,9

108,5

5 109,0

30 6 98,1

50 7 105,4

60 8 107,0

3.2 7,1. 10 т

3,2-9,8 10 т

3,2 10 it,2 !О а

2,2-9 2-10

Нет

Предлага- Да оный

850

Отсееы

93,0 6,0 7,5

102 1 12 7 30 2

65 9 92,4

10 100,0

2,0

5,7

850

Нет

Иаеестный ьыьмааакь тс

Продояяение таблицы м ь м ю»

Ст При2 мер од Оь, кгс/ин кгсlмм

Z .

41, KCÎ, Ъ кгсн/сма

Оболтбтка

Гранулы

Оелинина радиального подпора от

Т инстру" мента, С .

С«орест" ной ремим

СПД

Скорость деформации, с, с-

106,0

106,3

109,8

tt0i0

»4,0

»4,5

103,2

107,1

99,1

98,7

t04,8

t06, 19,6 4,2

19,5 4,2

31,2 5,6

31,9 5,4

29,0 5,2

33,0 5,5

7,3 2,8

»,1 3,3

27,9 4,4

26,1 4,2

46,6 5,8

40,7 5,7

40,6 5,8

108,8

108,2

1 15,3

»5,2

116,7

»8,2

103,3

107,5

10 1,6 !

01,3

105,5

107,0

108,1

9,8

7,3

10,3

10 2

I0,2

10;3

5,7

7,6

»,6

9,4

13,7

12,8

13,2

3,2-6,1 10-т

3,2-5,5 10-т

3,2-6, 2 10-т

3,2-8,3 10-т

3,2-Э.8 10 +

3,2"9,8 !О т

2,2-4,0 10

2,2-8,1 10

3,2"7,! 10

3,2-6,2.10-т 3,2-7,t ° 10 т

3,2"9,8-10 т

3,2 10 т1,2-10-а

20»

10 12

20 13

40 14

50 15

50 16

20 17

60 18

30 19

20 20

30 21

50 22

60 23

Стандартс0,5 Р ная

Фракция - 0,5 Р Да

850

РО ° 5 Нет

100 с0,4 Р

Есть

Отсеки

0,4 Р Да 850

60 24

30 25 ,65

108,4

93,8

95,7

40,8 5,9

10,9 3,1

17,5 3,3

13,3

6,3

6,2

107т 5

92,2

9!т,!

2,2-4,6 10

2,2"9,2 10

>О 4 Р Иет 100

1787687

Составитель С.Синельников

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Э.Лончакова

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 33 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5