Способ изготовления тонких листов из высокопрочных титановых сплавов

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам изготовления тонких листов из высокопрочных титановых сплавов методом пакетной прокатки. Задача изобретения - получение листов с ультрамелкозернистой структурой, пригодных для сверхпластической деформации при температурах ниже 800°С. В предлагаемом способе изготовления тонких листов исходную заготовку с размером зерна α-фазы не более 2 мкм получают методом горячей прокатки кованого или штампованного сляба с относительной толщиной h_з/h_k=8,0-10,0, где h_з - толщина исходной заготовки перед пакетной прокаткой, мм, h_k - толщина готовых листов, мм, затем охлаждают со скоростью 200-400°С/мин. Последующую термомеханическую обработку проводят в квазиизотермических условиях методом горячей прокатки пакета заготовок, помещенных в стальной кейс, в продольном и поперечном направлениях с разворотом на 90°. Изменение направления прокатки осуществляют при достижении суммарной степени деформации в одном направлении 60-70%. Величина частных обжатий при одном цикле нагрева составляет не менее 10%, причем в каждом последующем проходе не более чем в предыдущем, а температура каждого последующего прохода прокатки не превышает предыдущую, кроме того, температуру горячей деформации пакета устанавливают в диапазоне на 200-300°С ниже температуры полиморфного превращения. Изобретение обеспечивает получение крупногабаритных тонких листов с субмикрокристаллической структурой и необходимым комплексом механических свойств. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.,1 табл.

 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способу изготовления тонких листов из высокопрочных титановых сплавов методом пакетной прокатки.

Известен способ изготовления тонких листов (0,076-1,0 мм) из титана, циркония и их сплавов (патент США № 2985945, опубл. 30.05.61). Способ включает подготовку карточной заготовки, сборку заготовок в пакет в стальном кейсе, нагрев пакета до 727-759°С, горячую прокатку пакета, отжиг, холодную прокатку со степенью деформации 10-60%, термообработку, раскрой пакета и операции отделки листов.

Способ позволяет получить требуемые механические свойства листов в продольном и поперечном направлениях за счет поддержания оптимальных температурно-деформационных условий процесса. Размер зерна полученных листов составляет 4-6 мкм и более.

Формовка изделий в условиях сверхпластической деформации (СПД) из указанных листов возможна только при высоких температурах (900-960°С), что существенно усложняет технологический процесс и удорожает стоимость получаемых изделий.

Известно, что для снижения температуры деформации в условиях сверхпластичности необходимо получить заготовку с субмикрокристаллической структурой с размером зерен 1 мкм и менее (Кузнечно-штамповочное производство, 1999 г., №7, с.17-19). Получение полуфабрикатов с таким размером зерен позволит снизить температуру деформации на сотни градусов - в зависимости от легированности сплавов. Одним из наиболее технически приемлемых способов получения такой структуры является метод многосторонней изотермической ковки. Однако существуют определенные трудности реализации предлагаемых процессов в промышленных условиях на существующем оборудовании.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ обработки заготовок из металлов и сплавов посредством термомеханического деформирования за один или несколько этапов, обеспечивающего измельчение микроструктуры материала заготовки за счет выбора условий нагружения (патент РФ № 2203975, кл. C 22 F 1/18, публ. 19.04.2000) - прототип.

Условия нагружения обеспечивают трансформацию микроструктуры в процессе деформации и/или процессе термообработки. Количество этапов деформирования и вид нагружения выбирают с учетом конфигурации исходной и конечной заготовки и размера зерна в исходной заготовке. На первом этапе получают заготовку многокомпонентным нагружением, в частности “кручение - растяжение (сжатие)”. Далее деформирование заготовок проводят в оболочке.

Способ позволяет получать заготовки, в основном, круглого сечения с размером зерен менее 0,5 мкм.

Основным недостатком способа-прототипа является низкая технологичность процесса, ограниченность форм и размеров получаемых заготовок. Реализация процесса в промышленных условиях требует больших капитальных затрат для создания необходимого оборудования и инструмента.

Проведенный анализ патентных и литературных источников показал актуальность создания технологического процесса получения крупногабаритных полуфабрикатов из высокопрочных сплавов титана с однородной микрокристаллической структурой в промышленных условиях на существующем оборудовании.

Задачей изобретения является создание способа изготовления крупногабаритных плоских полуфабрикатов (тонких листов) с получением субмикрокристаллической структуры (размер зерен в пределах 1 мкм) и необходимым комплексом механических свойств, пригодных для сверхпластического деформирования при температурах ниже 800°С.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления тонких листов из высокопрочных титановых сплавов, включающем операции подготовки заготовки и горячую деформацию пакета заготовок в оболочке, исходную заготовку с размером зерна α-фазы не более 2 мкм получают методом горячей прокатки кованого или штампованного сляба с относительной толщиной h_з/h_к=8-10, где h_з - толщина исходной заготовки перед прокаткой, мм; h_к - толщина готового листа, мм, затем охлаждают со скоростью 200-400°С/мин, а последующую термомеханическую обработку проводят в квазиизотермических условиях методом горячей прокатки пакета заготовок, помещенных в стальной кейс, в продольном и поперечном направлениях с разворотом на 90°С, причем изменение направления прокатки осуществляют при достижении суммарной степени деформации в одном направлении 60-70%. Величина частных обжатий при одном цикле нагрева составляет не менее 10%, причем в каждом последующем проходе при прокатке пакета не более чем в предыдущем, а температура каждого последующего прохода прокатки не превышает предыдущую, кроме того, температуру горячей деформации пакета заготовок в кейсе устанавливают в диапазоне на 200-300°С ниже температуры полиморфного превращения (Тпп).

Создание в заготовке структуры с размером зерен менее 2 мкм достигается путем проведения операции термообработки при получении требуемого размера заготовки с регламентированной скоростью охлаждения. Термообработку заготовок проводят при температуре Тпп+(50-150)°С с последующим охлаждением в воде со скоростью 200-400°С/мин. Такой режим позволяет получить в структуре материала заготовки игольчатый α-мартенсит с величиной зерна не более 2 мкм.

Дальнейшее измельчение зерна обеспечивается режимом термомеханической деформации пакета заготовок в оболочке (стальном кейсе). Горячая прокатка при температуре Тпп - (200-300)°С со степенью деформации 60-70% разрушает игольчатый мартенсит. В результате структура преобразуется в α-фазу, которая деформируется с образованием строчечных включений, состоящих из мельчайших зерен, обеспечивая получение субмикроструктуры.

Относительный размер толщины заготовки h_з/h_к=8-10 принят из условия обеспечения необходимой пластической деформации для получения листов с размером зерен в пределах 1 мкм в процессе горячей деформации пакета заготовок в кейсе.

Кристаллографическую текстуру листов формируют направлением прокатки пакета. Изменение последовательности продольной и поперечной прокатки пакета (разворот на 90 градусов) позволяет получить оптимальную кристаллографическую текстуру в листах и снизить анизотропию механических свойств.

Величину частных обжатий не менее 10% назначают из условия полной проработки сечения обрабатываемой заготовки. Поскольку в процессе прокатки температура обрабатываемого пакета падает, то предусматривают снижение величины частного обжатия с целью сохранения постоянства энергосиловых параметров процесса.

Температуру каждого последующего цикла деформации выбирают не выше предыдущей в целях сохранения получаемого в предыдущем цикле размера зерна.

Для опытного опробования предлагаемого способа изготовления листов, пригодных для СПД при температурах ниже 800°С, был подобран химический состав сплава Ti-6Al-4V в пределах требований спецификации ASM-Т-9046 с следующим содержанием компонентов, мас.%: 5,5-6,0 Аl; 4,0-4,5 V; 0,08-0,16 О₂; 0,2-0,3 Fe; 0,06-0,1 Ni; 0,06-0,1 Сr; не более 0,005 С; не более 0,005 N, Ti - остальное.

Целью подбора химического состава сплава было максимально увеличить содержание β-фазы в сплаве путем увеличения содержания легирующих элементов, стабилизирующих β-фазу, что приводит к снижению температуры полиморфного превращения β-фазы в α-фазу и, как следствие, снижение температуры, при которой устанавливается равное количество фаз (50% α-фазы и 50% β-фазы), необходимое для получения наилучших значений свойств сверхпластичности в сплаве, т.е. для снижения напряжения течения при СПД.

Из слитка с таким химическим составом были изготовлены листы размерами 2,23×915×1650 мм (пример 1) и 2,032×1219×3658 мм (пример 2). Температура полиморфного превращения (Тпп) сплава равна 940°С.

Пример 1.

Штампованный в β-области сляб нагревали в электрической печи до температуры Тпп - 40°С и прокатывали с суммарной степенью деформации 25%. Затем раскат повторно нагревали до температуры Тпп +140°С и прокатывали с суммарной степенью деформации 69%. После операции резки на краты и удаления газонасыщенного слоя подкат нагревали до температуры Тпп - 40°С и прокатывали в α+β-области с суммарной степенью деформации 50% на толщину 20 мм (h_з/h_к=8,97). Полосу толщиной 20 мм разрезали на карточки размером 1380×1120 мм. Карточки нагревали до температуры 1050°С (Тпп +110°С), выдерживали 30 минут и закаливали в воде со скоростью охлаждения 300°С/мин. После удаления с поверхности газонасыщенного слоя и дефектов карточки укладывали в кейс, изготовленный из углеродистой стали. Собранный кейс нагревали до температуры 700°С (Тпп - 240°С) и прокатывали в поперечном направлении относительно направления прокатки первоначальной заготовки (сляба) с суммарной степенью деформации 63% на толщину листа 7,2 мм. Затем карточки перекладывали в кейс для получения готового листа, вновь нагревали до температуры 700°С (Тпп -240°С) и прокатывали с разворотом на 90 градусов в направлении, перпендикулярном направлению первой прокатки пакета с суммарной степенью деформации 63% до получения листов толщиной 2,4 мм. Далее кейс подвергали отжигу при температуре 650°С с выдержкой при этой температуре 60 минут.

Затем проводились обычные отделочные операции, включающие правку листов на ролико-правильной машине, шлифовку, травление, вырезку образцов для испытаний и обрезку листов на готовый размер. В результате были получены листы размерами 2,23×915×1650 мм.

Пример 2.

Листы размерами 2,032×1219×3658 мм производили по аналогии с примером 1 с использованием двойной пакетной прокатки. Отличие заключалось в изменении направления прокатки после закалки карточных заготовок на α’-мартенсит (первой прокатки). Пакет сначала прокатывался в продольном направлении относительно направления прокатки первоначальной заготовки (сляба), а затем в направлении, перпендикулярном направлению первой прокатки пакета.

Были проведены механические испытания образцов листов, полученных по примеру 1 и примеру 2. Результаты механических испытаний приведены в таблице.

Таблица
Габариты листов, мм	вдоль направления прокатки	поперек направления прокатки
σ0,2, МПа	σв, МПа	относительное удлинение, %	σ0,2, МПа	σв, МПа	относительное удлинение, %
2,23×915×1650	978	1049	12,0	1071	1073	8,0
2,032×1219×3658	876	903	15,6	888	916	10,6

Микроструктура полученных листов приведена на фиг.1, где:

а) - микроструктура листов, полученных по примеру 1;

в) - микроструктура листов, полученных по примеру 2.

Анализ микроструктуры показал, что средний размер зерна α-фазы составляет менее 1 мкм, что существенно (в 3-5 раз) меньше, чем размер зерна серийно выпускаемых листов.

Образцы листов подвергли испытаниям в условиях сверхпластической деформации при температуре 760°С при скорости деформации 3·10^-4 сек^-1.

Результаты испытаний приведены на фиг.2.

Анализ результатов испытаний показал, что напряжение течения материала образцов серийных листов с размером зерна 6,0 мкм, испытанного при температуре 900°С, практически не отличается от напряжения течения материала листов с размером зерна 1,0 мкм, но испытанного при температуре 760°С (при истинной деформации = 1,1 напряжение течения не превышает 35 МПа). Но при этом истинная деформация до разрушения образцов с размером зерна 1,0 мкм составляет 2,0 против 1,7 для образцов от серийно выпускаемых листов. Таким образом, полученные листы пригодны для СПД при температуре 760°С.

Предлагаемый способ позволяет на существующем промышленном оборудовании без дополнительных капитальных затрат изготавливать крупногабаритные тонкие листы с субмикрокристаллической структурой и необходимым комплексом механических свойств, пригодных для сверхпластического деформирования при температурах ниже 800°С.

Снижение температуры СПД позволит значительно повысить стойкость штампов при проведении процесса сверхпластической штамповки и снизить расход электроэнергии при эксплуатации печей. Кроме того, уменьшение температуры нагрева листов перед сверхпластической штамповкой позволит уменьшить затраты на безвозвратные потери металла, связанные с очисткой поверхности детали после процесса штамповки от окалины и газонасыщенного слоя. Безвозвратные потери металла снизятся в 3-10 раз в зависимости от условий проведения СПД.

1. Способ изготовления тонких листов из высокопрочных титановых сплавов, включающий операции подготовки заготовки и горячую деформацию пакета заготовок в оболочке, отличающийся тем, что исходную заготовку с размером зерна α-фазы не более 2 мкм получают методом горячей прокатки кованого или штампованного сляба с относительной толщиной h₃/h_k=8,0-10,0, где h_з - толщина исходной заготовки перед пакетной прокаткой, мм, h_k - конечная толщина готовых листов, мм, затем охлаждают со скоростью 200-400°С/мин, а последующую термомеханическую обработку проводят в квазиизотермических условиях методом горячей прокатки пакета заготовок, помещенных в стальной кейс, в продольном и поперечном направлениях с разворотом на 90°, причем изменение направления прокатки осуществляют при достижении суммарной степени деформации в одном направлении 60-70%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина частных обжатий при одном цикле нагрева составляет не менее 10%, причем в каждом последующем проходе не более чем в предыдущем.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура каждого последующего прохода прокатки не превышает предыдущую.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что температуру горячей деформации пакета заготовок устанавливают в диапазоне Тпп-(200-300)°С.