Способ термомеханической обработки бета-титановых сплавов


 


Владельцы патента RU 2441096:

Шаболдо Олег Павлович (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт материалов" ФГУП "ЦНИИМ" (RU)

Изобретение предназначено для повышения уровня эксплуатационных характеристик проволоки из титановых сплавов и изделий из нее, например пружин. Способ включает первичный быстрый нагрев, холодную деформацию, последующий быстрый нагрев, повторение цикла деформации и нагрева и заключительное старение. Оптимизация сочетания прочностных и пластических характеристик проволоки как в деформированном, так и в состаренном состояниях обеспечивается за счет того, что первичный быстрый нагрев до температуры выше температуры начала рекристаллизации осуществляют электроконтактным нагревом, затем материал охлаждают (подвергают закалке) со скоростью охлаждения 10-80°С/с, последующее холодное волочение, чередуя с закалками, осуществляют с суммарными деформациями между закалками 25-49%, последний нагрев проводят до температуры ниже температуры начала рекристаллизации на 10-70°С, после которого производят заключительное волочение с деформацией 5-12% и последующее старение в течение 4-6 часов. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к материаловедению в машиностроении, и может быть использовано при изготовлении проволоки из титановых сплавов и изделий из нее, например пружин.

Процесс изготовления проволоки и пружин как сочетание деформации и термических обработок по сути своей является термомеханической обработкой материала. Уровень техники в отношении заявляемого способа характеризуется следующими аналогами. Известен ряд способов термомеханической обработки и изготовления проволоки из β-титановых сплавов.

Например, способ изготовления холоднотянутой проволоки из титановых β-сплавов (А.С. СССР №501114, C22F 1/18, 1976), включающий горячую прокатку заготовки, очистку поверхности, отжиг, многократное холодное волочение с промежуточными закалками, окончательное волочение с суммарной деформацией 59-80% и старение при 400-425°C. Данным известным способом обеспечивается высокая прочность сплавов, однако основным недостатком этого способа является низкая пластичность проволоки в деформированном состоянии, что недопустимо при использовании ее в качестве полуфабриката при изготовлении изделий, например пружин.

Известен также способ изготовления холоднотянутой проволоки из титановых β-сплавов (А.С. СССР №455763, B21C 1/00,1975), включающий горячую прокатку заготовки, очистку поверхности, отжиг, многократное холодное волочение с промежуточными закалками с обжатием 8-15% за проход и с суммарной деформацией между закалками 70-80%, однократное волочение после последней закалки с деформацией 13-18%) и старение при температуре 425-450°C в течение 5-10 час. Недостатками данного способа является то, что при холодном волочении с большими суммарными деформациями (70-80%) часто образуются трещины на поверхности проволоки, а в случае окончательного волочения после последней закалки при температуре 750-850°C со степенью деформации 13-18% при последующем старении при температуре 425-450°C в течение 5-10 час (т.е. при достаточно низкой степени деформации, низкой температуре и малом времени старения) не обеспечивается в полной мере распад твердого раствора и, как следствие, не достигается высокий уровень прочности. Это вызвано тем, что при закалке с высоких температур, особенно после холодного волочения с большими степенями деформации, в β-титановых сплавах образуется рекристаллизованная структура с достаточно крупным зерном и при последующем волочении с малыми суммарными деформациями не достигается уровень плотности дислокаций, необходимый для эффективного протекания процессов старения слава при приведенных известных режимах.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ термомеханической обработки β-титановых сплавов (патент Украины №40862, C22F 1/18, 2001), предусматривающий первичный быстрый нагрев до температуры в интервале от температуры полиморфного превращения (Тпп) до Тпп +80°C, холодную деформацию ≥50%, последующий быстрый нагрев со скоростью 5-100°C/с до температуры окончания рекристаллизации и закалку со скоростью охлаждения ≥100°C/с, повторение цикла деформации и нагрева и заключительное старение при температурах ниже стандартной на 30-70°C. Этим способом, принятым за прототип, создается достаточно мелкозернистая структура, однако старение при температурах ниже стандартной на 30-70°C из рекристаллизованного состояния не обеспечивает распада твердого раствора в полной мере и не приводит соответственно к существенному упрочнению β-титановых сплавов либо требует для достижения нужного эффекта больших выдержек при старении, а волочение, в частности, последнее со степенью деформации, равной или более 50%, приводит к снижению пластичности сплава в деформированном состоянии, что нежелательно для последующего изготовления изделий, например навивки пружин.

При наливке пружин из β-титанового сплава ТС6, изготовленного по термомеханическим режимам известных способов, в 70-80% пружин выявлялись поверхностные поперечные трещины.

Задачей изобретения является получение проволоки из β-титановых сплавов без трещин, формирование в ней структуры, обеспечивающей высокие пластические характеристики сплавов в деформированном состоянии, исключающие образование трещин при изготовлении изделий, например навивке пружин, и высокие прочностные и упругие свойства после старения, необходимые для обеспечения эксплуатационных характеристик изделий из нее, например, высокой релаксационной стойкости пружин.

Указанная задача достигается тем, что перед первой деформацией сплав подвергают быстрому нагреву и закалке со скоростью охлаждения 10-80°C/с, волочение осуществляют с суммарными деформациями между закалками 25-49%, последний нагрев проводят при температуре ниже температуры начала рекристаллизации на 10-70°C, после которого производят заключительное волочение с деформацией 5-12% и последующее старение в течение 4-6 часов.

При проведении первичного быстрого нагрева и закалки со скоростью охлаждения 10-80°C/с в горячекатаных прутках из β-титановых сплавов формируется равномерная рекристаллизованная структура с размером зерна 0,06-0,08 мм (4-5 балл). Данная структура обеспечивает высокий уровень пластических свойств β-сплавов (ψ=65%, δ=25%), обеспечивающий успешное холодное волочение. При проведении холодного волочения прутков и проволоки из β-титановых сплавов со степенями суммарной деформации 25-49% в них формируется структура с достаточной плотностью дислокаций, которая при промежуточных закалках трансформируется в мелкозернистую рекристаллизованную структуру, что позволяет, в свою очередь, осуществить последующее холодное волочение прутков и проволоки из β-титановых сплавов со степенями суммарной деформации 25-49% без обрывов и образования поверхностных трещин. Сформированная при волочении со степенями суммарной деформации 25-49% дислокационная структура при проведении последнего нагрева до температуры ниже температуры начала рекристаллизации на 10-70°C перестраивается в ячеистую структуру, состоящую из мелких слаборазориентированных между собой ячеек, свободных внутри себя от дислокаций. При дальнейшем заключительном холодном волочении с малыми степенями деформации 5-12% внутри ячеек формируются одиночные равномерно распределенные дислокации. На них при последующем старении в течение 4-6 часов происходит выделение частиц α-фазы, также распределенной равномерно, что дает существенный прирост прочностых и упругих характеристик материала, при этом сохраняется достаточно высокая пластичность, что обеспечивает оптимальное сочетание прочностных, пластических и упругих характеристик материала (σв≥1500 МПа, σ0,2≥1440 МПа, σпц≥1200 МПа, ψ=18-20%, δ≥8%).

Основанием для приведенных в формуле в качестве отличительных признаков ограничений послужили проведенные авторами исследования, которые показали следующее.

При проведении первичного быстрого нагрева и закалки со скоростью охлаждения менее 10°С/с в сплаве начинают протекать процессы распада β-твердого раствора, что приводит к снижению технологической пластичности материала. Увеличение скорости охлаждения выше 80°С/с не дает никаких преимуществ для формирования оптимальной промежуточной структуры, однако требует проведения дополнительных технических мероприятий для ее реализации. Уменьшение степени суммарной деформации ниже 25% приводит к тому, что в сплаве не создается необходимая дислокационная структура, обеспечивающая при последующих промежуточных закалках формирование однородной по сечению рекристаллизованной структуры. Кроме того, при проведении волочения проволоки с суммарной деформации менее 25% увеличивается количество термических обработок (особенно при изготовлении проволоки малых сечений), что приводит к снижению производительности процесса и повышенному окислению материала. Холодное волочение со степенью суммарной деформации более 49% приводит к чрезмерному упрочнению материала (наклепу) и образованию поверхностных трещин. При проведении заключительной закалки при температуре ниже температуры рекристаллизации более чем на 70°C в β-сплавах титана не происходит снижение плотности дислокаций в необходимой степени и при последующем холодном волочении в сплаве не формируется оптимальная для дальнейшего старения структура (слаборазориентированная ячеистая структура с одиночными равномерно распределенными внутри ячеек дислокациями). Проведение закалки при температуре ниже температуры рекристаллизации менее чем на 10°C приводит к образованию зародышей или к протеканию рекристаллизации в отдельных областях. Рекристаллизованная структура не является оптимальной для заявляемой схемы последующего термомеханического упрочнения β-титановых сплавов. При холодном волочении со степенью деформации менее 5% плотности образующихся при этом одиночных дислокаций внутри ячеек недостаточно для выделения на них при старении в необходимом для существенного упрочнения сплава количестве частиц α-фазы. Увеличение степени холодной деформации свыше 12% при заключительном волочении β-титановых сплавов после низкотемпературной закалки приводит к образованию дислокационных скоплений, которые при последующем старении способствуют неравномерному распределению α-фазы, что понижает пластичность сплава. Времени выдержки при старении менее 4 часов недостаточно для распада β-твердого раствора для обеспечения требуемого уровня упрочнения сплавов. Увеличение времени выдержки более 6 часов приводит к снижению пластичности материала.

Предлагаемый способ был опробован при изготовлении проволоки из β-титанового сплава ТС6. Примеры конкретного осуществления способа.

Пример 1. Исходную заготовку - горячекатаный пруток подвергали предварительному быстрому электроконтактному нагреву до температуры 800°C и закалке со скоростью охлаждения 50°C/с, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 45%, промежуточной закалке при температуре 800°C, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 45%, последнему нагреву до температуры 680°C (ниже температуры начала рекристаллизации для данного сплава в данном состоянии на 30°C), заключительному волочению со степенью деформации 9% и старению при температуре 480°C в течение 5 часов.

Пример 2. Исходную заготовку - горячекатаный пруток подвергали предварительному электроконтактному нагреву до температуры 800°C и закалке со скоростью охлаждения 10°C/с, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 25%, промежуточной закалке при температуре 800°C, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 25%, последнему нагреву до температуры 700°C (ниже температуры начала рекристаллизации для данного сплавав в данном состоянии на 10°C), заключительному волочению со степенью деформации 5% и старению при температуре 480°C в течение 6 часов.

Пример 3. Исходную заготовку - горячекатаный пруток подвергали предварительному электроконтактному нагреву до температуры 800°C и закалке со скоростью охлаждения 80°C/с, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 49%, промежуточной закалке при температуре 800°C, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 49%, последнему нагреву до температуры 640°C (ниже температуры начала рекристаллизации для данного сплава в данном состоянии на 70°C), заключительному волочению со степенью деформации 12% и старению при температуре 480°C в течение 4 часов.

Волочение проволоки по приведенным во всех трех примерах термомеханическим режимам проходило без разрушений и образования на поверхности трещин. Механические свойства проволоки, обработанной по термомеханическим режимам, приведенным в примерах 1-3, в деформированном состоянии и после старения представлены в таблице. Результаты механических испытаний подтверждают возможность получения проволоки из β-титановых сплавов с оптимальным сочетанием прочностных и пластических характеристик как в деформированном, так и в состаренном состояниях.

Предлагаемый способ термомеханической обработки β-титановых сплавов может быть реализован при производстве проволоки и изделий из нее, например пружин.

Способ термомеханической обработки β-титановых сплавов, включающий первичный быстрый нагрев, холодную деформацию, последующий быстрый нагрев, повторение цикла холодной деформации и нагрева и заключительное старение, отличающийся тем, что перед первой деформацией сплав подвергают нагреву и закаливают со скоростью охлаждения 10-80°С/с, деформацию осуществляют волочением с суммарными деформациями между закалками 25-49%, последний нагрев проводят до температуры ниже температуры начала рекристаллизации на 10-70°С, после которого производят заключительные волочение с деформацией 5-12% и старение в течение 4-6 ч.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам обработки крупногабаритных заготовок из титановых сплавов с улучшенными физико-механическими свойствами для изготовления изделий, эксплуатируемых в различных областях промышленности, в том числе машиностроении, авиадвигателестроении и медицине.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения жаропрочных титановых сплавов с использованием горячего изостатического прессования (ГИП), для изготовления лопаток и дисков компрессора высокого и низкого давления, дисков ГТД, силовых и энергетических установок.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам изготовления изделий из сплавов с эффектом памяти формы на основе никелида титана со способным к изменению цвета покрытием в его деформированной части, и может быть использовано при поизводстве датчиков, которые самопроизвольно информируют об изменении температуры и деформации путем изменения цвета их поверхности.

Изобретение относится к области металлургии, а именно способам химико-термической поверхностной обработки титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть применено для упрочняющей обработки кромок лопаток паровых турбин при их изготовлении или при восстановительном ремонте.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в турбомашиностроении при восстановлении рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, изготовленных из титановых сплавов.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в турбомашиностроении при восстановлении рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, изготовленных из легированных сталей.

Изобретение относится к технологии механической обработки металлов давлением при интенсивной пластической деформации и может быть использовано для изготовления нанокристаллических труднодеформируемых металлов или полуфабрикатов с улучшенными физико-механическими свойствами.

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться в турбомашиностроении при восстановлении эксплуатационных свойств рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, изготовленных из титановых сплавов.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в турбомашиностроении при восстановлении рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, изготовленных из легированных сталей.
Изобретение относится к металлургии, в частности к обработке псевдо- -титановых сплавов, и может быть использовано для изготовления конструкционных деталей и узлов авиакосмической техники

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в технологических циклах получения полуфабрикатов сплавов на основе ванадия

Изобретение относится к металлургии, в частности к изделиям из сплавов никелида титана с эффектом памяти формы, и может быть использовано в энергетическом машиностроении и приборостроении, в медицине

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению дистанционирующей решетки для позиционирования топливных стержней в сборке тепловыделяющих элементов ядерных установок

Изобретение относится к деформационной обработке металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении, авиа-двигателестроении, автомобильной промышленности
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке изделий (полуфабрикатов, деталей, узлов и др.) из титановых сплавов Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов включает термомеханическую обработку, которую проводят в двенадцать стадий, при этом на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Тпп +200÷Тпп+270)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Тпп+70÷Тпп -100)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30÷60% на каждом этапе; на второй стадии - нагрев до температуры (Т пп+120÷Тпп+170)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Тпп-50÷Т пп-110)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30÷60% на каждом этапе; на третьей стадии - нагрев до температуры (Т пп+20÷Тпп+70)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Тпп-70÷Т пп-140)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30÷60% на каждом этапе; на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп-40)°C, деформацию со степенью 15-60% при охлаждении до температуры (Тпп -100÷Тпп-140)°C; на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+70÷Тпп+90)°C, деформацию со степенью 30-60% при охлаждении до температуры (Т пп-40÷Тпп-90)°C; на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп -40)°C, деформацию со степенью 20-40% в процессе охлаждения до температуры (Тпп-60÷Тпп-100)°C; на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+20÷Т пп+50)°C, деформацию со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (Тпп-40÷Тпп -70)°C; на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т пп-20÷Тпп-40)°C, деформацию со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Тпп-60÷Т пп-100)°C; на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+30÷Тпп+70)°C, деформацию при прокатке со степенью 40-70% в процессе охлаждения до температуры (Тпп-70÷Тпп-170)°C; на десятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20÷Т пп-40)°C, деформацию при прокатке со степенью 30-50% в процессе охлаждения до температуры (Тпп-100÷Т пп-200)°C; на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Тпп-70÷Тпп-170)°C с выдержкой 15-60 мин, охлаждение на воздухе или в воде; на двенадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Тпп-270÷Т пп-470)°C с выдержкой 5-15 часов, где Тпп - температура полиморфного превращения; при этом с четвертой по восьмую стадию направление деформации на 90° изменяют от двух до четырех раз
Изобретение относится к области металлургии, в частности к обработке металлов давлением, и может быть использовано для получения высокопрочной проволоки из ( + )-титановых сплавов, предназначенной для изготовления витых и плетеных конструкций

Изобретение относится к области поверхностной термомеханической обработки деталей из жаропрочных сталей, титановых и никелевых сплавов, интерметаллидов и др

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству высокопрочных труб из двухфазных сплавов на основе титана, преимущественно из псевдо- и ( + )-сплавов

Изобретение относится к области радиационного материаловедения и может быть использовано в технологических циклах получения полуфабрикатов сплавов на основе ванадия, используемых в качестве конструкционных материалов в реакторах деления и синтеза
Наверх