Способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана на основе орто-фазы


 


Владельцы патента RU 2520924:

Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") (RU)

Изобретение относится к обработке металлов и может быть использовано при изготовлении поковок дисков горячим деформированием слитков из сплава на основе алюминида титана, основанного на орторомбической фазе Ti2NbAl. Слиток подвергают осадке-протяжке на восьмигранник с суммарным уковом 1,6-1,7. Окончательное деформирование осуществляют на рельефных бойках с 4-5 перемещениями по плоскости бойков, а затем в закрытом калибровочном штампе. Суммарный уков при окончательном деформировании составляет 3-5. В результате обеспечивается получение поковок дисков повышенной точности с однородной мелкозернистой структурой, обладающих высокими характеристиками удельной прочности и пластичности. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к обработке металлов и сплавов давлением, а именно к способам изготовления поковок дисков горячей деформацией из слитков сплавов на основе алюминидов титана (интерметаллидных титановых сплавов), основанных на орторомбической фазе Ti2NbAl. Изобретение может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности при производстве заготовок дисков газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок.

Известны три основные группы сплавов на основе алюминидов титана, обладающие различным фазовым составом: γ-сплавы (TiAl), α2-сплавы (Ti3Al) и орто-сплавы (Ti2NbAl), которые обладают уникальным комплексом физических и механических свойств (высокой прочностью, низкой плотностью, жаростойкостью, высокими антикоррозионными свойствами, высоким сопротивлением усталостному разрушению и ползучести).

Однако основным препятствием для масштабного применения интерметаллидных сплавов на основе α2- и γ-фазы является их низкая пластичность (относительное удлинение, сужение и ударная вязкость при комнатной температуре). В то же время орторомбические сплавы имеют несколько более высокую плотность, чем сплавы TiAl и Тi3Al, но несмотря на это обладают высокими характеристиками низкотемпературной и высокотемпературной удельной прочности и пластичности, что позволяет рассматривать их как весьма перспективный материал для изготовления ответственных деталей аэрокосмической техники.

Известен способ получения кованых полуфабрикатов из литых сплавов системы Ti-Al, который включает предварительное деформирование в заданном интервале скоростей и температур за несколько этапов в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Техническим результатом изобретения является повышение технологической пластичности литого материала за счет реализации более благоприятной схемы деформации, в результате которой в объеме поковки формируется однородная и мелкозернистая структура (патент РФ №203417, МКП B21J 5/00, В21J 1/04). Недостатком этого способа является то, что способ адаптирован для получения только лабораторных образцов из сплавов на основе γ-алюминидов титана и не позволяет гарантированно получать качественные полуфабрикаты ответственного назначения прежде всего из-за возможного наличия литейной пористости в объеме полуфабриката. Указанный способ не пригоден для производства полуфабрикатов заготовок дисков в промышленных условиях.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения жаропрочных титановых сплавов на основе орто-фазы, который включает получение промежуточного материала путем ковки в α2+В2 или В2 области и последующий отжиг при температуре В2 области, в результате чего в материале формируется пластинчатая (O+В2) структура, позволяющая повысить ковкость и пластичность (патент JP 2011-52239 A, 2011.3.17, МКП C22F 1/18, С22С 14/00, C22F 1/00). Недостатком этого способа является то, что в предложенной технологии не предусмотрена операция по устранению литейной пористости перед деформацией, что снижает прочностные характеристики изделия. Также недостатком данного способа является низкий КИМ поковок вследствие отсутствия окончательной деформации и использования плоских бойков и калибровочного штампа. Существенным недостатком данного способа являются низкая прочность и пластичность полуфабриката при комнатной температуре вследствие плохой деформационной переработки исходной литой заготовки, что делает невозможным применение данного способа для изготовления деталей ответственного назначения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение в промышленных условиях поковок дисков повышенной точности с однородной мелкозернистой структурой, обеспечивающей получение высоких характеристик низкотемпературной и высокотемпературной удельной прочности и пластичности за счет применения высокотемпературной газостатической обработки (ВГО) с последующей деформацией.

Для решения поставленной задачи предложен способ изготовления поковок из сплавов алюминида титана на основе орто-фазы, включающий следующие этапы:

1. ВГО слитка при давлении 900-1300 атм и температуре выше температуры полиморфного превращения (Тпп) с выдержкой 2-6 ч.

2. Деформацию проводят по схеме:

- осадка-протяжка на восьмигранник вдоль первоначальной оси слитка и обкатка при температуре {(Тпп+100)÷(Тпп+200)}°C с суммарным уковом 1,6-1,7. Деформация включает осадку слитка в торец на высоту, равную диаметру, установку осаженного слитка на образующую поверхность и протяжку на квадрат, а затем, после поочередной установки на ребра, протяжку на восьмигранник длиной, равной исходной длине слитка, и обкатку;

- деформация по указанной схеме при температуре {Тпп÷(Тпп+100)}°C с суммарным уковом 1,5-1,6;

- деформация методом многократной осадки с подогревами со степенью деформации 20-25% на каждом этапе при температуре {Тпп÷(Тпп-50)}°C с суммарным уковом 3-5. При этом осадки выполняются вначале на рельефных бойках с 4-5 перемещениями по плоскости бойков, а затем в калибровочном штампе.

3. Термическая обработка поковок дисков предусматривает двухступенчатый отжиг при температурах ниже температуры полиморфного превращения.

ВГО слитка позволяет устранить литейную пористость в слитке, отсутствие которой является одним из важнейших условий повышения прочностных характеристик дисков.

Деформация по схеме осадка-протяжка на восьмигранник при температуре {(Тпп+100)÷(Тпп+200)}°C с суммарным уковом 1,6-1,7 способствует измельчению первичных литых β-зерен во всем объеме полуфабриката за счет устранения зон затрудненной деформации в углах «квадрата». Дальнейшая деформация по указанной схеме при температуре {Тпп÷(Тпп+100)}°C с суммарным уковом 1,5-1,6 обеспечивает формирование регламентированной однородной мелкозернистой макроструктуры. Окончательная деформация, предусматривающая многократную осадку с суммарным уковом 3-5 при температуре {Тпп÷(Тпп-50)}°C вначале на рельефных бойках с 4-5 перемещениями по плоскости бойков, а затем в калибровочном штампе, обеспечивает формирование мелкозернистой внутризеренной структуры.

Двухступенчатая термическая обработка обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств в поковках дисков из сплава алюминида титана на основе орто-фазы.

Технический результат - повышение эксплуатационных свойств: низкотемпературной и высокотемпературной удельной прочности и пластичности за счет получения поковки повышенной точности с однородной мелкозернистой структурой.

Пример осуществления.

Слиток ⌀190×400 мм из сплава на основе орто-фазы алюминида титана, химический состав (патент №2375484 РФ) приведен в таблице 1, был выплавлен методом двойного вакуумно-дугового переплава.

Таблица 1
Химический состав сплава
Содержание химических элементов, % масс.
Ti Nb Al Та Si Fe
основа 43,9-45,00 9,00-11,00 0,02-0,30 0,04-0,20 0,15

Далее слиток (Тпп=990°C) был подвергнут деформации по схеме:

На первом этапе: ВГО в газостате при давлении 1210 атм и температуре 1140°C с выдержкой 4 часа.

На втором этапе:

- нагрев до температуры 1140°C и осадка на высоту 250 мм при диаметре 250 мм с уковом 1,4;

- подогрев до температуры 1140°C и протяжка на квадрат со стороной, равной 200 мм. Протяжка на восьмигранник размером 200 мм с высотой 400, с уковом 1,6 и обкатка на ⌀ 190 мм. Суммарный уков при температуре 1140°C составил 2,2;

- нагрев до температуры 1080°C и осадка на высоту 300 мм при диаметре 220 с уковом 1,2;

- подогрев до температуры 1080°C и протяжка на квадрат со стороной, равной 200 мм. Протяжка на восьмигранник размером 200 мм с высотой 400, с уковом 1,4 и обкатка на ⌀ 190 мм. Суммарный уков при температуре 1080°C составил 1,7;

- осадка на рельефных бойках с 4-мя перемещениями по плоскости бойка, со степенью деформации 25% на первых 4х подэтапах и 20% на последних 2х подэтапах;

- нагрев до температуры 960°C и осадка на высоту 300 мм;

- подогрев до температуры 960°C и осадка на высоту 225 мм;

- подогрев до температуры 960°C и осадка на высоту 180 мм;

- подогрев до температуры 960°C и осадка на высоту 130 мм;

- подогрев до температуры 960°C и осадка на высоту 100 мм;

- подогрев до температуры 960°C и осадка в калибровочном штампе на высоту 80 мм.

Суммарный уков при температуре 960°C составил 3,75.

Поковка диска ТНД ⌀ 500 мм из слитка сплава алюминида титана на основе орто-фазы, полученная предлагаемым способом, была подвергнута механическим испытаниям.

Так же были испытаны заготовки из сплава с химическим составом, представленным в таблице 1, но изготовленные по технологии, описанной в способе-прототипе. В таблице 2 представлены механические свойства поковок интерметаллидного титанового сплава на основе орто-фазы, полученных предлагаемым способом и способом прототипа.

Таблица 2
Механические свойства
Технология изготовления № эксперимента Свойства при температурах, °C
20 650
σв/ρ, км δ, % σв/ρ, км δ, %
Предлагаемый способ 1 21-23 6-7 18-19 9-12
Способ-прототип 2 14-16 3-4 8-9 7-8

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить качество поковок за счет улучшения эксплуатационных свойств путем интенсификации проработки структуры сплава и получения заготовок повышенной точности с однородной мелкозернистой структурой. Предлагаемый способ позволяет повысить при комнатной температуре пластичность в 2 раза и удельную прочность в 1,5-1,7 раза, при рабочей температуре - удельную прочность в 2 раза и пластичность в 1,3-1,5 раза и, как следствие, увеличить срок службы изделия приблизительно в 1,5 раза.

1. Способ изготовления поковок дисков горячей деформацией слитков из сплава на основе алюминида титана, основанного на орторомбической фазе Ti2NbAl, включающий многократное обеспечение деформации слитка с подогревами при температурах выше и ниже температуры полиморфного превращения (Тпп) и последующую термическую обработку, отличающийся тем, что сначала деформацию обеспечивают по схеме осадка-протяжка на восьмигранник с суммарным уковом 1,6-1,7, а окончательную деформацию с суммарным уковом 3-5 обеспечивают на рельефных бойках с 4-5 перемещениями по ним слитка и далее в закрытом калибровочном штампе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед обеспечением деформации слитка проводят его высокотемпературную газостатическую обработку при давлении 900-1300 атм и температуре выше Тпп.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе гамма-алюминида титана и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°C, в частности лопаток газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к способу изготовления сварных изделий, преимущественно сварных каркасов искусственных клапанов сердца ИКС. Способ изготовления каркасов искусственных клапанов сердца из технически чистого титана включает сборку и сварку деформированной волочением проволоки и пластины и термическую обработку.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении термомеханической детали турбомашины из бета- или альфа/бета-титанового сплава.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению труб из технически чистого титана с радиальной структурой. Для получения трубы из технически чистого титана с радиальной текстурой изготавливают заготовки в виде колец, деформируют с уменьшением толщины их стенок и увеличением их диаметра, а затем сваривают торцами встык с получением трубы.

Изобретение относится к способам термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз γ-TiAl и α2-Ti3Al. Способ термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз γ-TiAl+α2-Ti3Al, затвердевающих полностью через β-фазу, содержащих легирующие элементы, по крайней мере, бор и элементы, стабилизирующие β-фазу, включает охлаждение заготовок от температур β-фазовой области.

Изобретение относится к деформационно-термической обработке сплавов с эффектом памяти формы, в частности сплавов на основе TiNi. Наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы характеризуется структурой из наноскристаллических аустенитных зерен В2 фазы, в которой объемная доля зерен с размером менее 0,1 мкм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно перпендикулярных плоскостях составляет не менее 90%.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминида титана, и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°С, в частности лопаток газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству проволоки волочением, и может быть использовано для нагрева при изготовлении тонкой и тончайшей проволоки из никелида титана.

Изобретение относится к области получения наноструктурированных материалов путем обработки потоком порошковых частиц с использованием энергии взрыва, высокие физико-механические и химические свойства которых позволяют использовать для целей медицины, в том числе имплантатов.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным титановым сплавам, и может быть использовано в авиационной промышленности. Высокопрочный псевдо-бета титановый сплав содержит, мас.%: 5,3-5,7 алюминия, 4,8-5,2 ванадия, 0,7-0,9 железа, 4,6-5,3 молибдена, 2,0-2,5 хрома, 0,12-0,16 кислорода, остальное титан и примеси и, при необходимости, один или более дополнительных элементов, выбранных из N, С, Nb, Sn, Zr, Ni, Co, Cu и Si, причем каждый дополнительный элемент присутствует в количестве менее 0,1%, и общее содержание дополнительных элементов составляет менее 0,5 мас.%.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности при изготовлении дисков роторов газотурбинных двигателей и роторов турбин тепловых и атомных электростанций.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при получении точных заготовок деталей типа дисков сложной формы со значительными перепадами по толщине и диаметру и с глубокими нештампуемыми поднутрениями, изготавливаемых из трудодеформируемых многофазных сплавов, в частности из жаропрочных никелевых сплавов.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности изготовлению деталей типа дисков с конической, полусферической и другими осесимметричными формами из малопластичных и труднодеформируемых материалов, например, из жаропрочных сплавов.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к осадке заготовок на прессе с двумя подвижными рабочими столами в процессе изготовления цельнокатанных колес.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам изготовления литых дисков автомобильных колес. .

Изобретение относится к холодной листовой штамповке и может использоваться для получения деталей типа диска колеса и других деталей с отверстиями, изготавливаемых вытяжкой или формовкой.

Изобретение относится к области обработки давлением и может быть использовано при изготовления осесимметричных деталей типа дисков из труднодеформируемых жаропрочных сплавов. Осуществляют деформирование периферийной части заготовки раскаткой роликами при температуре сверхпластичности в очаге деформации с образованием полотна. Центральную часть заготовки перед раскаткой охлаждают до температуры упругой деформации. В процессе раскатки центральную часть заготовки и подвергающееся внеконтактной деформации полотно охлаждают воздействием охлаждающей среды на центральную часть. При этом обеспечивают охлаждение полотна до температуры его упругой внеконтактной деформации в зоне, сопряженной с центральной частью. Между указанной зоной и очагом деформации образуют промежуточную зону, в которой температура принимает среднее значение между температурой упругой деформации и температурой сверхпластичности и/или значения, близкие к указанному среднему значению. В течение времени раскатки увеличивают давление охлаждающей среды с расширением охлаждаемой зоны полотна. При этом температуру промежуточной зоны сохраняют. В результате обеспечивается повышение качества изготавливаемых деталей и расширение технологических возможностей способа их изготовления. 2 з.п. ф-лы, 6 ил, 7 пр.
Наверх