Способ термомеханической обработки титановых сплавов

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления пилонов двигателя и силовых конструкций носовых обтекателей ракет, эксплуатируемых в условиях повышенных температур. Изобретение направлено на повышение предела прочности при повышенных температурах (σ_в ³⁰⁰), предела длительной прочности (σ_50ч ³⁰⁰, σ_100ч ³⁰⁰) и уменьшение дисперсии механических свойств поперек, вдоль и по высоте титановых сплавов. Обработку титановых сплавов проводят в десять стадий с нагревом до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацией. На первых трех стадиях деформацию проводят в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки на каждом этапе. Деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° от двух до семи раз. После десятой стадии проводят старение при температуре

(Т_пп-320÷Т_пп-520)°С с выдержкой от 2 до 10 часов. Перед старением проводят закалку при температуре

(Т_пп-120÷Т_пп-230)°С с охлаждением в воде или на воздухе. Изобретение позволит повысить прочность на 15-20%, уменьшить дисперсию механических свойств в 3-4 раза, снизить массу деталей на 15-20% и повысить эксплуатационную надежность работы конструкций. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, используемых в авиакосмической и ракетной технике для изготовления пилонов двигателя и силовых конструкций носовых обтекателей ракет, эксплуатируемых в условиях повышенных температур.

Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, 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)°C; охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (Т_пп-180)°С, где Т_пп=920°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, обработанных данным способом.

Известен также способ термомеханической обработки титановых сплавов, 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, включающий многократные нагревы 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 (T_пп-100÷T_пп-180)°C;

- 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÷T_пп-130)°C;

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).

Недостатками прототипа являются то, что титановые сплавы, обработанные этим способом, обладают пониженными механическими свойствами и повышенной дисперсией механических свойств при повышенных температурах.

Технической задачей изобретения является повышение предела прочности при повышенных температурах (σ_в ³⁰⁰), предела длительной прочности (σ_50ч ³⁰⁰, σ_100ч ³⁰⁰) и уменьшение дисперсии механических свойств (поперек, вдоль, по высоте) титановых сплавов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформации, в которых термомеханическую обработку проводят в десять стадий, при этом:

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+250÷Т_пп+280)°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+160÷Т_пп+230)°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 третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп+70÷Т_пп+150)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 15÷40% на каждом этапе деформации;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10÷Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 20-45%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+120)°С, деформацию со степенью 25-70%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10÷Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 15-40%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+40÷Т_пп+100)°С, деформацию со степенью 20-60%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (T_пп-10÷Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 15-40%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+80)°С, деформацию со степенью 20-55%;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 15-50%, где Т_пп - температура полного полиморфного превращения;

при этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° от двух до семи раз.

После десятой стадии может проводиться старение при температуре (Т_пп-320÷Т_пп-520)°С с выдержкой 2-10 часов, или перед старением может проводиться закалка при температуре (Т_пп-120÷Т_пп-230)°С с охлаждением в воде или на воздухе.

В процессе первых трех стадий обработки проводится всесторонняя ковка с изменением направления деформации, которая в отличие от ковки в одном направлении обеспечивает создание однородного химического состава и структурно-фазового состояния во всем объеме заготовки и формирования мелкозернистой β-структуры. При трех стадиях всесторонней ковки происходит диффузионная сварка под давлением границ различно ориентированных раковин и пустот. При последующих нагревах происходит диффузия повышенной концентрации примесей, образованных на границах сварки, в глубину металла, чем обеспечивается химическая однородность по примесям и легирующим элементам.

При последующих четвертой и пятой стадиях обработки проводится фазовая перекристаллизация, включающая деформацию в (α+β)-области на четвертой стадии и последующий нагрев в β-области с деформацией на пятой стадии. Фазовая перекристаллизация проводится второй (шестая и седьмая стадии) и третий (восьмая и девятая стадии) раз, при этом температура нагрева в β-области снижается от пятой к седьмой и девятой стадиям, что обеспечивает получение сверхмелкозернистой структуры.

На десятой стадии при деформациях в (α+β)-области измельчается пластинчатая структура внутри зерна, деформируется граница β-зерен, что формирует структуру, обеспечивающую получение высокого уровня механических свойств, особенно при повышенных температурах.

Проведение всех десяти стадий термомеханической обработки обеспечивает создание сплава с высоким уровнем механических свойств и уменьшенной дисперсией свойств при повышенных температурах.

Примеры осуществления

Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ23 и ВТ43, обработанные предлагаемым способом термомеханической обработки (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям.

Пример 1

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+250)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

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

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп+70)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 15% на каждом этапе деформации;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 20% (первое изменение направления);

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60)°С, деформацию со степенью 25%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 15%(второе изменение направления);

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+40)°С, деформацию со степенью 20%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10)°С, деформацию со степенью 15%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформацию со степенью 20%;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10)°С, деформацию со степенью 15%.

При этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° на четвертой и шестой стадиях (два раза).

Пример 2

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+280)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп+150)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 40% на каждом этапе деформации;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 45% (первое изменение направления);

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+120)°С, деформация со степенью 70%;

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

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+100)°С, деформация со степенью 60%;

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

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+80)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 55%(четвертое изменение направления);

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформация со степенью 50%;

затем проводят старение при температуре (Т_пп-420)°С с выдержкой 6 часов.

При этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° на четвертой, шестой, восьмой и девятой стадиях (4 раза).

Пример 3

На первой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+270)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 35% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+200)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 40% на каждом этапе деформации;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп+100)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

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

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+90)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 50% (второе изменение направления);

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

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

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 25% (пятое изменение направления);

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+50)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 35% (шестое изменение направления);

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

затем проводят закалку при температуре (Т_пп-170)°С (охлаждение в воде или на воздухе) и старение при температуре (Т_пп-420)°С с выдержкой 6 часов.

При этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° на четвертой, пятой, шестой, седьмой, восьмой, девятой и десятой стадиях (7 раз).

В таблице приведены механические свойства образцов из титановых сплавов, обработанных по предлагаемому способу (1-3) и способу-прототипу (4).

Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволит повысить предел прочности при 300°С (σ_в ³⁰⁰), предел длительной прочности (σ_50ч ³⁰⁰, σ_100ч ³⁰⁰) и уменьшит дисперсию механических свойств (поперек, вдоль, по высоте) изделий из титановых сплавов.

Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит повысить прочность на 15-20%, уменьшить дисперсию механических свойств в 3-4 раза, снизить массу деталей на 15-20% и повысить эксплуатационную надежность работы конструкций.

Таблица
ВТ23 (Тпп=920°С)
	поперек	вдоль	по высоте
σв 300	σ50ч 300	σ100ч 300	σв 300	σ50ч 300	σ100ч 300	σв 300	σ50ч 300	σ100ч 300
1	1250	1140	1100	1247	1137	1097	1252	1142	1102
2	1255	1150	1115	1252	1141	1102	1257	1148	1107
3	1253	1154	1105	1250	1139	1101	1254	1152	1106
4	1080	902	870	1045	940	810	1087	961	924
ВТ43 (Тпп=910°С)
1	1290	1195	1162	1252	1170	1165	1259	1159	1117
2	1302	1207	1178	1258	1175	1174	1272	1172	1103
3	1300	1202	1171	1256	1168	1162	1267	1165	1156
4	1085	931	907	1069	963	877	1120	982	926

1. Способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформации, отличающийся тем, что термомеханическую обработку проводят в десять стадий, при этом на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+250÷Т_пп+280)°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+160÷Т_пп+230)°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 третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп+70÷Т_пп+150)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 15-40% на каждом этапе деформации, на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10÷Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 20-45%, на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+120)°С, деформацию со степенью 25-70%, на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10÷Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 15-40%, на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+40÷Т_пп+100)°С, деформацию со степенью 20-60%, на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10÷Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 15-40%, на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+80)°С, деформацию со степенью 20-55%, на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 15-50%, где Т_пп - температура полного полиморфного превращения, при этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформации на 90° от двух до семи раз.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после десятой стадии проводят старение при температуре (Т_пп-320÷Т_пп-520)°С с выдержкой 2-10 ч.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перед старением проводят закалку при температуре (T_пп-120÷Т_пп-230)°C, охлаждение в воде или на воздухе.