Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке изделий из титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для создания емкостей, балок, лонжеронов, шпангоутов, шассийных и крепежных деталей. Для повышения уровня механических свойств изделий предложен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения Т_пп и деформации. Термомеханическую обработку проводят в семь стадий. На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+200÷Т_пп+270)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации; на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20-40% на каждом этапе деформации; на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-60%; на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+120)°С, деформацию со степенью 20-60%; на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-60%; на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30÷Т_пп+90)°С, деформацию со степенью 20-60%; на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-50%. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для создания емкостей, балок, лонжеронов, шпангоутов, шассийных и крепежных деталей.

Известен способ термомеханической обработки, применяемый при изготовлении полуфабрикатов и деталей из титановых сплавов (температура полиморфного превращения Т_пп=920°С), включающий:

- нагрев до температуры (1050-1200)°С (Т_пп+120÷Т_пп+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (Т_пп-40)°С;

- нагрев до температуры (880-1050)°С (Т_пп-50÷Т_пп+120)°С; охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (Т_пп-180)°С

(Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. «Полуфабрикаты из титановых сплавов. М.: ОНТИ ВИЛС, 1996 г., с.371).

Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств сплавов, термообработанных данным способом.

Известен также способ термомеханической обработки, применяемый при изготовлении полуфабрикатов и деталей авиакосмической и ракетной техники, включающий нагрев в β-области выше температуры полиморфного превращения, деформацию в процессе охлаждения до температуры на (30-70)°С ниже температуры полиморфного превращения, охлаждение, повторный нагрев в двухфазной области, повторную деформацию в этой области в процессе охлаждения, повторное охлаждение, окончательный нагрев в двухфазной области, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств деформацию проводят в β- и (α+β)-областях с одинаковой степенью, равной (40-60)%; повторный нагрев осуществляют до температуры на (20-40)°С ниже температуры полиморфного превращения, повторную деформацию проводят со степенью (25-35)% при охлаждении до температуры на (100-130)°С ниже температуры полиморфного превращения, повторное охлаждение после деформации осуществляют до температуры на (180-280)°С ниже температуры полиморфного превращения; после чего дополнительно повторяют последний цикл нагрева и деформации в процессе охлаждения в тех же условиях, а охлаждение после деформации в этом цикле проводят до комнатной температуры; окончательный нагрев осуществляют до температуры на (100-300)°С ниже температуры полиморфного превращения (а.с. СССР 1740487).

Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств сплавов, обработанных данным способом.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки титановых сплавов и изделий из них, включающий многократные нагревы изделий из титановых сплавов до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию в процессе охлаждения до температуры ниже температуры полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, в котором термомеханическую обработку проводят в шесть стадий, при этом на первых пяти стадиях осуществляют:

- нагрев до температуры (Т_пп+120÷Т_пп+270)°С, деформацию со степенью (50-70)% при охлаждении до (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+160)°С, деформацию со степенью (40-60)% при охлаждении до (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (10-30)% при охлаждении до (Т_пп-140÷Т_пп-160)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью (40-60)% при охлаждении до (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью (30-70)% при охлаждении до (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

затем, на шестой стадии, проводят нагрев до температуры (Т_пп-400÷Т_пп-500)°С с выдержкой в течение (5-20) часов, где Т_пп - температура полиморфного превращения (патент РФ №2219280).

Полуфабрикаты и изделия, получаемые этим способом, обладают недостаточно высоким уровнем механических свойств.

Технической задачей изобретения является повышение уровня механических свойств изделий из титановых сплавов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, включающий многократные нагревы изделий из титановых сплавов до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию, в котором термомеханическую обработку проводят в семь стадий, при этом осуществляют:

- нагрев до температуры (Т_пп+200÷Т_пп+270)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+230)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷40% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформация со степенью (20-60)%;

- нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+120)°С, деформация со степенью (20-60)%;

- нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформация со степенью (20-60)%;

- нагрев до температуры (Т_пп+30-Т_пп+90)°С, деформация со степенью (20-60)%;

- нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформация со степенью (20-50)%,где Т_пп - температура полного полиморфного превращения.

С третьей по седьмую стадию направление деформирования на 90° изменяют от трех до пяти раз, причем на каждой стадии изменяют направление деформирования на 90° в один этап.

На первой и второй стадии термомеханической обработки происходит заваривание различно ориентированных раковин и уплотнение металла на стыках дендритов, механическое усреднение состава сплава, устранение зональной и дендритной ликвации в слитке, усреднение состава по диффузионному механизму, активизированному процессами динамической рекристаллизации.

На остальных стадиях термомеханической обработки происходит формирование однородной макроструктуры. Проведения всех стадий термомеханической обработки обеспечивает создание сплава с высокими механическими свойствами.

Примеры осуществления

Были изготовлены поковки из титановых сплавов, например ВТ23 и ВТ43, по трем способам термомеханической обработки, входящим в заявленный способ, и исследованы механические свойства этих поковок (таблица):

Пример 1

- нагрев до температуры (Т_пп+200)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп+170)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформация со степенью 20%;

- нагрев до температуры (Т_пп+60)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 20%;

- нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформация со степенью 20%;

- нагрев до температуры (Т_пп+30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 20%;

- нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 20%;

Пример 2

- нагрев до температуры (Т_пп+270)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп+230)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 40% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 60%;

- нагрев до температуры (Т_пп+120)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 60%;

- нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформация со степенью 60%;

- нагрев до температуры (Т_пп+90)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 60%;

- нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 50%;

Пример 3

- нагрев до температуры (Т_пп+240)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп+200)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40%;

- нагрев до температуры (Т_пп+90)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40%;

- нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40%;

- нагрев до температуры (Т_пп+70)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40%;

- нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30%;

В таблице приведены свойства поковок из титановых сплавов, обработанных по предлагаемому способу и способу-прототипу.

Таблица.
Способ	Механические свойства
	σв н, МПа	σ мах, МПа	σ мах, МПа
	Кt=2,6	Kt=4,0; N=104	Kt=2,2; N=104
ВТ23*	BT43**	ВТ23	BT43	ВТ23	BT43
1	1450	1490	56	60	75	79
2	1480	1520	60	65	80	83
3	1470	1500	57	62	77	78
прототип	1160	1190	42	45	61	63
* - ВТ23: Тпп=920°С;
** - ВТ43: Тпп=910°С

Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволит повысить предел прочности в надрезе (σ_в ^н) на 25%, малоцикловую усталость (σ_max) при коэффициентах концентрации напряжений (K_t=2,2 и 4,0) и числе циклов, равном 10⁴, на 30%.

Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу изделий на 25% и повысить полезную нагрузку летательных аппаратов, а также повысить эксплуатационную надежность за счет высоких значений предела прочности и малоцикловой усталости в надрезе применяемых титановых сплавов.

1. Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения Т_пп и деформации, отличающийся тем, что термомеханическую обработку проводят в семь стадий, при этом на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+200÷Т_пп+270)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации; на второй стадии нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20-40% на каждом этапе деформации; на третьей стадии нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-60%; на четвертой стадии нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+120)°С, деформацию со степенью 20-60%; на пятой стадии нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-60%; на шестой стадии нагрев до температуры (Т_пп+30÷Т_пп+90)°С, деформацию со степенью 20-60%; на седьмой стадии нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-50%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что с третьей по седьмую стадию направление деформации на 90° изменяют на каждой стадии от трех до пяти раз в один этап.