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 авиационной технике. Предложен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения Т_пп и деформации в процессе охлаждения до температуры ниже Т_пп, выдержку и охлаждение. Термомеханическую обработку проводят в восемь стадий. На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+280÷Т_пп+350)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20-50% на каждом этапе; на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20-50% на каждом этапе; на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С; на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Тпп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 30-70% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С; на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С; на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+130)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 55-80%; на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 30-40%; на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-360÷Т_пп-500)°С с выдержкой 5-20 часов. Технический результат - повышение уровня и уменьшение анизотропии механических свойств изделий. 1 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиационной технике.

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

- нагрев до температуры (1050-1200)°С (T_пп+120÷T_пп+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (T_пп-80)°С;

- нагрев до температуры (880-1050)°С (T_пп-50÷T_пп+120)°С;

охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (T_пп-180)°С (Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. «Полуфабрикаты из титановых сплавов. М., ОНТИ ВИЛС, 1996 г., с.371.)

Известен также способ термомеханической обработки, применяемый при изготовлении полуфабрикатов и деталей из титановых сплавов, включающий нагрев в β-область 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 двухфазную область, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств деформацию проводят в β- и (α+β)-областях с одинаковой степенью 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 способа является низкий уровень механических свойств сплавов, обработанных данным способом, и большая анизотропия полуфабрикатов (плит, поковок и др.), что связано с деформацией в одном направлении и отсутствием реализации в достаточной степени механического и диффузионного механизмов выравнивания химического состава слитка с исходной зональной и дендритной ликвацией.

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 полного полиморфного превращения (патент РФ № 2219280).

Изделия, получаемые этим способом, не обладают однородными механическими свойствами в различных направлениях.

Технической задачей изобретения является повышение уровня механических свойств изделий из титановых сплавов, уменьшение анизотропии их механических свойств.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, включающий многократные нагревы изделий из титановых сплавов до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения и деформацию в процессе охлаждения до температуры ниже полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, в котором термомеханическую обработку проводят в восемь стадий, при этом на первых семи стадиях осуществляют:

- нагрев до температуры (Т_пп+280÷Т_пп+350)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;

- нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;

- нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформация осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп-50)°С, деформация протяжкой со степенью 30-70% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформация осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+130)°С, деформация вытяжкой при прокатке со степенью 55-80%;

- нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформация вытяжкой при прокатке со степенью 30-40%,

затем на восьмой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-360÷Т_пп-500)°C с выдержкой 5-20 часов, охлаждение, где Т_пп - температура полиморфного превращения.

В процессе деформации после первых двух нагревов при температуре выше полиморфного превращения (β-область) с последующим охлаждением и изменением направления деформации при чередовании осадки и вытяжки проходит создание изотропной заготовки, усреднение химического состава и уплотнение сплава путем ликвации пустот рыхлости и других дефектов литья.

Чередование направления деформирования при последующих стадиях деформации обеспечивает создание изотропного металла в поперечном, долевом и высотном направлении, что обеспечивает получение высоких механических свойств изделий.

Примеры осуществления

Были изготовлены плиты из титановых сплавов, например ВТ-23 и ВТ-43, и обработаны предлагаемым способом термомеханической обработки и способом-прототипом, затем исследованы механические свойства плит.

Пример 1

- нагрев до температуры (Т_пп+280)°С, деформация в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-40)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп+100)°С, деформация в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100)°С 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 осадкой со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформация протяжкой со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформация осадкой со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+100)°С, деформация вытяжкой при прокатке со степенью 55%;

- нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформация вытяжкой при прокатке со степенью 30%;

- нагрев до температуры (Т_пп-360)°С, выдержка 5 часов, охлаждение, где Т_пп - температура полиморфного превращения.

Пример 2

- Нагрев до температуры (Т_пп+350)°С, деформация в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп+160)°С, деформация в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-180)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформация осадкой со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп-50)°С, деформация протяжкой со степенью 70% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформация осадкой со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+130)°С, деформация вытяжкой при прокатке со степенью 80%;

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

- нагрев до температуры (Т_пп-500)°С, выдержка 20 часов, охлаждение, где Т_пп - температура полиморфного превращения.

Пример 3

- Нагрев до температуры (Т_пп+310)°С, деформация в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-70)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

- нагрев до температуры (Т_пп+130)°С, деформация в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-140)°С 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 осадкой со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп-35)°С, деформация протяжкой со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформация осадкой со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры и температурой конца деформации (Т_пп-120)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+120)°С, деформация вытяжкой при прокатке со степенью 70%;

- нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформация вытяжкой при прокатке со степенью 35%;

- нагрев до температуры (Т_пп-450)°С, выдержка 10 часов, охлаждение, где Т_пп - температура полиморфного превращения.

Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволяет повысить однородность структурно-фазового состояния и механических свойств в различных направлениях титанового сплава и изделий, выполненных из него: дисперсия по механическим свойствам уменьшилась в 4-5 раз (с 12-30% у прототипа до 3-5% у предлагаемого способа), предел прочности (σ_в) повышен на 12%, относительное удлинение (δ), относительное сужение (ψ) и ударная вязкость KCU повышены на 30%.

Применение предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу на 10-15% и повысить полезную нагрузку летательных аппаратов, а также повысить эксплуатационную надежность за счет высокой однородности и изотропности применяемых титановых сплавов и более высокого уровня их механических свойств.

Таблица 1
Поперек	Вдоль	По высоте
Сплав ВТ23 Тпп=920°С
	σв,МПа	δ, %	ψ, %	KCU, Дж/м2	σв, МПа	δ, %	ψ, %	KCU, МДж/м2	σв, МПа	δ, %	ψ, %	KCU, МДж/ м2
1	1460	8,5	28	0,24	1455	8,8	29	0,25	1457	8,7	29	0,24
2	1490	8,2	26	0,23	1480	8,7	28	0,23	1486	8,8	27	0,22
3	1470	8,4	27	0,24	1460	8,7	27	0,24	1467	8,5	28	0,23
4	1350	6,4	16	0,18	1200	7,5	24	0,21	1290	6,8	21	0,19
Сплав ВТ43 Тпп=910°С
1	1471	8,7	27	0,26	1457	8,9	31	0,27	1462	8,8	30	0,25
2	1497	8,3	25	0,28	1489	8,7	27	0,29	1487	8,7	27	0,23
3	1495	8,5	26	0,27	1464	8,8	29	0,25	1467	8,4	28	0,24
4	1357	6,7	17	0,17	1220	7,7	25	0,22	1294	6,7	22	0,20

Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения Т_пп и деформации в процессе охлаждения до температуры ниже полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что термомеханическую обработку проводят в восемь стадий, при этом на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+280÷Т_пп+350)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе; на второй стадии нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе; на третьей стадии нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформациию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С; на четвертой стадии нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп-50)°С, деформациию протяжкой со степенью 30-70% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С; на пятой стадии нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С; на шестой стадии нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+130)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 55-80%; на седьмой стадии нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 30-40%; на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-360÷Т_пп-500)°С с выдержкой 5-20 ч.