Способ получения деформируемой заготовки из титанового сплава



Способ получения деформируемой заготовки из титанового сплава
Способ получения деформируемой заготовки из титанового сплава

 


Владельцы патента RU 2562186:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении заготовок из двухфазных титановых сплавов, применяемых, в частности, в авиационной промышленности. Исходную заготовку нагревают до температуры ниже температуры полного полиморфного превращения. Осуществляют деформацию нагретой заготовки в нагретом штампе в два этапа с переменной скоростью. На первом этапе деформацию осуществляют со скоростью, не превышающей скорость, обеспечивающую разогрев заготовки до температуры ниже полного полиморфного превращения. На втором этапе деформацию осуществляют со скоростью, обеспечивающей формирование рекристаллизованной структуры с размером β-зерна 5-9 мкм. В результате обеспечивается получение деформированной заготовки с однородной структурой и высокой циклической прочностью и снижение времени технологического цикла изготовления. 5 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения штамповок из двухфазных титановых сплавов, и может найти применение в авиационной промышленности и машиностроении.

Изделия из высокопрочных титановых сплавов являются высоконагруженными и должны обеспечивать при высоких прочностных характеристиках высокие значения вязкости разрушения и трещиностойкости. Такое сочетание свойств возможно при формировании в штамповках β-рекристаллизованной структуры.

Подобная структура в штамповках формируется при деформации при температурах выше температуры полного полиморфного превращения (Тп.п.). Однако в штамповках, полученных по этой технологии, формируется крупное рекристаллизованное зерно. Для деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, необходимо формирование структуры с размером зерна менее 10 мкм, что позволит получать высокие значения циклической прочности.

Известен способ обработки титановых сплавов с целью снижения роста трещин в (α+β) титановом сплаве, содержащем значительное количество β-фазы и более 3% молибдена, включающий следующие операции:

- ковка выше температуры β превращения (Тп.п.) со степенью деформации, достаточной для последующей рекристаллизации;

- охлаждение материала ниже температуры β превращения (Тп.п.) со скоростью 11-55°C/мин;

- упрочняющая термообработка, включающая закалку с температуры на 27-82°C ниже Тп.п. и старение (патент США №4543132, опубл. 24.09.1985). Приведенный процесс позволяет уменьшить размер рекристаллизованного β-зерна за счет высокой скорости охлаждения из β-области, проводить обработку за один нагрев и снизить трудоемкость изготовления заготовок.

Однако технологический процесс имеет существенные недостатки: связанная с большим градиентом температур заготовка-штамп, неравномерность деформации, образование зон затрудненной деформации, длительный нагрев при температурах β-области и повышенное газонасыщение поверхностных слоев металла. Это требует увеличения припуска на механическую обработку и сопровождается снижением коэффициента использования металла. Кроме того, высокая скорость деформации при ковке также сопровождается образованием зон интенсивного течения металла и неравномерностью структуры, что приводит к снижению механических свойств и их стабильности в изделиях.

Известен способ получения деформированных заготовок с рекристаллизованной структурой с максимальным размером β-зерна менее 0,5 мм (Патент США №5026520, опубл. 25.06.1991).

Способ включает:

- нагрев заготовки от температуры Тп.п до Тп.п +45°C;

- деформацию на прессе в штампах, нагретых до температуры, близкой к температуре заготовки (изотермическая штамповка) с промежуточной выдержкой 4-10 мин;

- изотермическую выдержку при температуре, близкой к температуре нагрева штампа и заготовки в течение времени, достаточного для прохождения полной первичной рекристаллизации, но недостаточного для дальнейшего роста зерна;

- закалку (ускоренное охлаждение) заготовки после удаления из пресса до температуры ниже температуры полного полиморфного превращения для предотвращения дальнейшего роста зерна и получения микроструктуры с размером β-зерна менее 0,5 мм (500 мкм).

Способ позволяет избежать длительного отжига после деформации при температуре выше полного полиморфного превращения для получения рекристаллизованной структуры за счет проведения изотермической выдержки от 4 до 10 минут непосредственно после деформации, что позволяет получать размер зерна менее 0,5 мм и снизить толщину газонасыщенного слоя штамповки.

Недостатками способа является нагрев исходной заготовки в β-области (выше Тп.п.), что сопровождается значительным ростом исходного зерна и не позволяет получать мелкозернистую структуру в штамповке. Кроме того, недостатком рассмотренного способа является необходимость механической обработки для удаления газонасыщенного поверхностного слоя, образующегося при нагреве и изотермической выдержке в β-области, что приводит к снижению коэффициента использования металла.

Другим недостатком способа является и высокая трудоемкость, связанная с необходимостью проведения длительной промежуточной выдержки (4-10 минут) в процессе деформации. При этом суммарное время выдержек может составлять 10-20 минут.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения штамповок с рекристаллизованной структурой с размером зерна 10-30 мкм, взятый в качестве прототипа (патент RU 2246556 C1, опубл. 20.02.2005).

Способ включает нагрев заготовки до Тп.п - (10-30)°C, деформацию в два этапа с переменной скоростью в штампах, нагретых до температуры выше Тп.п. на 10-30°C. При этом на первом этапе деформация проводится со скоростью, достаточной для разогрева заготовки до температуры штампа (т.е. выше Тп.п. на 10-30°C), а на втором этапе со скоростью 10-2-10-4 с-1 и степенью деформации 10-30% и изотермической выдержкой в штампе в течение 0,5-1,5 минут. Охлаждение заготовки проводят ускоренно (закалка).

Технология по способу, известному из прототипа, позволяет получать штамповки с однородной рекристаллизованной структурой и высоким КИМ.

Недостатком способа, известного из прототипа, является то, что при использовании предложенного способа не может быть получена рекристаллизованная структура с размером β-зерна менее 10 мкм.

Также недостатком способа, известного из прототипа, является увеличение времени технологического цикла с использованием дорогостоящего оборудования за счет изотермической выдержки в штампе, а также необходимость использования специального оборудования для ускоренного охлаждения (закалки) заготовок после деформации.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения деформированных заготовок из титановых сплавов, с мелкозернистой структурой.

Техническим результатом предлагаемого способа является формирование в деформированной заготовке однородной рекристаллизованной структуры с размером β-зерна 5-9 мкм и высокой циклической прочностью в термически упрочненном состоянии. Другим техническим результатом предлагаемого способа является снижение времени технологического цикла изготовления деформированной заготовки.

Для достижения поставленного технического результата предложен способ получения деформированной заготовки из титанового сплава, включающий нагрев заготовки ниже температуры полного полиморфного превращения, ее деформацию в нагретом штампе в два этапа с переменной скоростью и термическую обработку заготовки, причем деформацию в нагретом штампе проводят на первом этапе со скоростью, не превышающей скорость, обеспечивающей разогрев заготовки до температуры ниже полного полиморфного превращения, а на втором этапе деформацию проводят со скоростью, обеспечивающей формирование рекристаллизованной структуры с размером β-зерна 5-9 мкм.

Предпочтительно нагрев исходной заготовки проводить на 25-35°C ниже температуры полного полиморфного превращения. Предпочтительно на первом этапе деформацию проводить со скоростью не ниже 7х10-2 с-1 , но не превышающей скорость, обеспечивающую разогрев заготовки до температуры полного полиморфного превращения минус 30°C и степенью деформации не менее 80%.

Предпочтительно на втором этапе деформацию проводить со скоростью 10-3-10-4 с-1 и степенью деформации 7-9%.

Предпочтительно нагрев штампов проводить на 25-35°C ниже температуры полного полиморфного превращения исходной титановой заготовки.

Возможно охлаждение заготовки проводить непосредственно после деформации с нерегламентированной скоростью.

Возможно для получения в изделиях высокой прочности проводить термическую обработку деформированной заготовки.

Предлагаемый способ позволяет снизить время технологического цикла по сравнению со способом-прототипом за счет исключения изотермической выдержки в штампе.

Охлаждение заготовки непосредственно после деформации с нерегламентированной скоростью позволяет отказаться от использования специального оборудования для закалки за счет нерегламентированной скорости охлаждения после деформации.

Примеры осуществления

Для примеров осуществления способов изготовления деформированной заготовки из титановых сплавов выбран высокопрочный титановый сплав ВТ22 с температурой полного полиморфного превращения (Тп.п.), равной 870°C, из которого изготовлена деформированная заготовка типа «диск» диаметром 250 мм. В качестве исходной заготовки использовали деформированный пруток диаметром 100 мм с размером β-зерна 80 мкм.

В известном уровне технического решения (способ-прототип) способ осуществлялся по следующей технологии в соответствии с таблицей 1, пример 3.

Нагрев заготовки проводили до температуры 840°C (Тп.п. - 30°C). Деформацию проводили за два этапа в штампах, нагретых до температуры 900°C (Тп.п. титановой заготовки +30°C). На первом этапе деформацию проводили со скоростью 10-1 с-1 и степенью деформации 40%. На втором этапе деформацию проводили со скоростью 10-3 с-1 и степенью деформации 20%.

После окончания деформации штамповку подвергали выдержке под нагрузкой 80 МПа при температуре нагрева штампов (900°C) в течение 1,5 мин.

Охлаждение заготовки проводили закалкой до температуры 810°C со скоростью 50°C/мин обдувкой штамповки системой конвекции воздуха (вентиляторами).

В способе, осуществленном по известному уровню технического решения, получены следующие технические результаты.

Общее время технологического процесса составило 3,5 мин.

В образцах, вырезанных из различных зон штамповки, размер β-зерна составил 20 мкм.

Механические свойства образцов, изготовленных после термической обработки штамповки, составили σв=1220 МПа, N циклов при σв=550 МПа составило 14700 (таблица 2).

Согласно предлагаемому изобретению примеры осуществления проводились по режимам, приведенным в таблице 1 пп.1-2.

Пример 1 (таблица 1 п.1).

Нагрев заготовки проводили до температуры 830°C (Тп.п. - 40°C). Деформацию проводили за два этапа в штампах, нагретых до температуры 845°C (Тп.п. титановой заготовки - 25°C). На первом этапе деформацию проводили со скоростью 5·10-2 с-1 и степенью деформации 70%. На втором этапе деформацию проводили со скоростью 10-4 с-1 и степенью деформации 7%. Охлаждение заготовки проводили с нерегламентированной скоростью на спокойном воздухе.

Получены следующие технические результаты.

Для примера 1 общее время технологического процесса составило 1,0 мин.

В образцах, вырезанных из различных зон штамповки, размер β-зерна составил 8 мкм.

Механические свойства образцов, изготовленных после термической обработки штамповки, σв=1220 МПа, N циклов при σв=550 МПа составило 21800 (таблица 2).

Пример 2 (таблица 1 п.2).

Нагрев заготовки проводили до температуры 850°C (Тп.п. - 20°C). Деформацию проводили за два этапа в штампах, нагретых до температуры 840°C (Тп.п. титановой заготовки -30°C). На первом этапе деформацию проводили со скоростью 7·10-2 с-1 и степенью деформации 80%. На втором этапе деформацию проводили со скоростью 10-3 с-1 и степенью деформации 9%. Охлаждение заготовки проводили с нерегламентированной скоростью на спокойном воздухе.

Получены следующие технические результаты.

Для примера 2 общее время технологического процесса составило 1,0 мин.

В образцах, вырезанных из различных зон штамповки, размер β-зерна составил 9 мкм.

Механические свойства образцов, изготовленных после термической обработки штамповки, σв=1220 МПа, N циклов при σв=550 МПа составило 20900 (таблица 2).

Как видно из приведенных данных, предлагаемое техническое решение по сравнению с известным техническим решением позволяет снизить общее время технологического процесса 2-3,5 раза (с 3,5 до 1,0-1,5 мин), уменьшить размер β-зерна с 20 до 5-9 мкм и в термически обработанном состоянии увеличить количество циклов до разрушения образца при знакопеременной нагрузке σв=550 МПа (N) с 14700 до 20900-21800 циклов.

1. Способ получения деформированной заготовки из титанового сплава, включающий нагрев исходной заготовки до температуры ниже температуры полного полиморфного превращения, осуществление ее деформации в нагретом штампе в два этапа с переменной скоростью и термическую обработку заготовки, отличающийся тем, что деформацию заготовки в нагретом штампе на первом этапе осуществляют со скоростью, не превышающей скорость, обеспечивающую разогрев заготовки до температуры ниже полного полиморфного превращения, а на втором этапе деформацию осуществляют со скоростью, обеспечивающей формирование рекристаллизованной структуры с размером β-зерна 5-9 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев исходной заготовки осуществляют до температуры на 25-35°C ниже температуры полного полиморфного превращения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на первом этапе деформацию заготовки осуществляют со скоростью, которая не ниже 7×10-2 с-1 и не превышает скорость, обеспечивающую разогрев заготовки до температуры полного полиморфного превращения минус 30°C, и со степенью деформации не менее 80%.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на втором этапе деформацию заготовки осуществляют со скоростью 10-3-10-4 с-1 и со степенью деформации 7-9%.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что деформацию заготовки осуществляют в штампе, нагретом до температуры на 25-35°C ниже температуры полного полиморфного превращения исходной заготовки.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при термической обработке заготовки осуществляют ее охлаждение, которое проводят с нерегламентированной скоростью непосредственно после деформации заготовки.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к областям металлургии, а именно к способам термической обработки высоколегированных псевдо-β титановых сплавов. Способ термической обработки крупногабаритных изделий из высокопрочного титанового сплава, содержащего, мас.%: 4,0…6,3 алюминия, 4,5…5,9 ванадия, 4,5…5,9 молибдена, 2,0…3,6 хрома, 0…5 циркония, 0…6 олова, 0…0,5 кремния, титан и неизбежные примеси - остальное, включает охлаждение со скоростью V1<3°С/мин из однофазной β-области до температуры T1<370°С и последующее старение при температуре Т2=370…600°С в течение 1…12 часов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу изготовления тонких листов из двухфазного титанового сплава с микрокристаллической структурой, которая, в частности, пригодна для сверхпластической деформации при нагреве.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к вакуумной химико-термической обработке деталей. Способ получения износостойких покрытий на поверхности изделий из титана и его сплавов включает предварительную подготовку изделий путем их отжига и механической обработки и альфирование изделий.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при изготовлении броневых листов из (α+β)-титанового сплава. Способ изготовления броневых листов из (α+β)-титанового сплава включает подготовку шихты, выплавку слитка состава, мас.%: 3,0-6,0 Al; 2,8-4,5 V; 1,0-2,2 Fe; 0,3-0,7 Mo; 0,2-0,6 Cr; 0,12-0,3 О; 0,010-0,045 С; <0,05 N; <0,05 Н;<0,15 Si; <0,8 Ni; остальное - титан.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе титана, обладающим улучшенными баллистическими и механическими свойствами. Сплав на основе титана состоит по существу из, вес.%: 4,2-5,4 алюминия, 2,5-3,5 ванадия, 0,5-0,7 железа, 0,15-0,19 кислорода и титана до 100.

Изобретение относится к области обработки давлением и может быть использовано при изготовления осесимметричных деталей типа дисков из труднодеформируемых жаропрочных сплавов.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для получения интенсивной пластической деформации (ИПД) заготовки. Способ включает осадку и последующее кручение заготовки с обеспечением деформации сдвига.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым материалам с высокой прочностью и обрабатываемостью. Титановый материал содержит железо 0,60 мас.% или менее и кислород 0,15 мас.% или менее, титан и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к трубному производству, а именно к холодной прокатке труб из α- и псевдо-α-сплавов на основе титана. Способ изготовления холоднодеформированных труб из α- и псевдо-α-сплавов на основе титана включает выплавку слитка, ковку слитка в β- и α+β-области с окончанием ковки в α+β-области в промежуточную заготовку с уковом от 2 до 3, прошивку осуществляют при температуре на 30-50°C выше Тпп, многоконусными валками и оправкой с заданной геометрией с подачей воды в зону деформации, раскатку заготовки производят при температуре на 10-90°C ниже Тпп, правку трубной заготовки - при температуре 350-400°C, холодную прокатку производят с коэффициентом вытяжки 1,5-4,5 за несколько этапов, чередуя с проведением промежуточных отжигов при температуре, равной 600-750°C, и последующую термообработку на готовом размере при температуре 580÷650°C.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения нанодвойникованного технически чистого титанового материала. Способ получения нанодвойникованного технически чистого титанового материала включает литье технически чистого титанового материала, содержащего не более чем 0,05 мас.% N, не более чем 0,08 мас.% С, не более чем 0,015 мас.% Н, не более чем 0,50 мас.% Fe, не более чем 0,40 мас.% О и не более чем 0,40 мас.% остальных, доводят литой материал до температуры на уровне или ниже 0°С и проводят пластическую деформацию при этой температуре в такой степени, что в материале образуются нанодвойники.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для нагрева ковочных штампов. Устройство (420) для нагрева ковочного штампа содержит головку (422) горелки, имеющую множество отверстий (426) для пламени.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при радиальной ковке шестигранных профилей. Осуществляют многопроходную реверсивную радиальную ковку одновременно двумя взаимно перпендикулярными парами двухзаходных бойков.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в кузнечных цехах металлургических и машиностроительных заводов при изготовлении, например, автомобильных колес, емкостей высокого давления и подобных им изделий.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в кузнечных цехах заводов при изготовлении полых деталей из алюминиевых сплавов. Исходную круглую заготовку получают из слитка гомогенизацией при температуре (310-340)°C в течение (1-5) часов с последующим охлаждением до температуры (110-120)°C со скоростью не менее 110°C/ч.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в кузнечных цехах металлургических и машиностроительных заводов при изготовлении полуфабрикатов типа галет или шайб для последующего изготовления деталей из высокопрочных сплавов.

Изобретение относится к заготовительному производству и может быть использовано в кузнечно-прессовых цехах заводов. Заготовку помещают в капсулу с цилиндрической стенкой и плоскими днищами.

Изобретение относится к заготовительному производству и может быть использовано в кузнечно-прессовых цехах при получении полуфабрикатов. Капсулу, имеющую цилиндрическую стенку и плоские днища, с расположенной в ней цилиндрической заготовкой размещают в сквозном отверстии ручья контейнера.

Изобретение относится к металлургии благородных металлов и может быть использовано при изготовлении заготовок для изделий из иридия приданием заготовке предварительной требуемой формы ковкой.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в отраслях машиностроения, где изготавливают детали с электроконтактным нагревом из листовых заготовок.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в кузнечных цехах металлургических и машиностроительных заводов при изготовлении деталей, преимущественно крупногабаритных из слитков легких сплавов.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при производстве длинномерных заготовок типа прутков и профилей из конструкционных титановых сплавов методом изотермической экструзии. Производят ковку или прокатку слитка при температуре β-области с получением прутка. Пруток режут на заготовки, которые подвергают промежуточной ковке при температуре (α+β)-области, механически обрабатывают, нагревают до температуры (α+β)-области и деформируют. Деформирование осуществляют экструдированием в матрице из жаропрочного никелевого сплава на прессе с получением прутка или профиля. Механическую обработку производят путем обтачивания заготовок с нарезанием на боковой поверхности продольных канавок или резьбы для смазки. На поверхность механически обработанных заготовок наносят смазку и помещают их в матрицу из жаропрочного никелевого сплава. Заготовки нагревают вместе с матрицей. В результате обеспечивается получение длинномерных заготовок с равномерной регламентированной мелкозернистой структурой и снижение трудоемкости изготовления.5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 1 пр.
Наверх