Способ высокотемпературной термомеханической обработки полуфабрикатов из (α+β) титановых сплавов


 


Владельцы патента RU 2595079:

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

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокотемпературной термомеханической обработке полуфабрикатов из титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической технике. Способ высокотемпературной термомеханической обработки полуфабрикатов из (α+β) - титановых сплавов заключается в том, что осуществляют нагрев, многостадийную деформацию, при которой сначала проводят деформацию при температуре на 10-350°C выше температуры полиморфного превращения со степенью 30-90% и скоростью деформации 1-300 мм/с. Затем проводят деформацию при температуре на 20-50°C ниже температуры полиморфного превращения со степенью 10-30% и скоростью деформации 3-60 мм/с, после которой проводят деформацию при температуре на 20-50°C ниже температуры полиморфного превращения со степенью деформации 30-70% и скоростью деформации 5-60 мм/с при охлаждении полуфабриката на 20-300°C. Последующую деформацию проводят со степенью деформации 30-95% в изотермических условиях при температуре в интервале на 100°C выше температуры полиморфного превращения - на 300°C ниже температуры полиморфного превращения, со скоростью деформации 0,01-4,0 мм/с, после чего осуществляют охлаждение на воздухе. Полученная структура сплава характеризуется сверхмелким зерном и однородной морфологией структурных составляющих. Сплав имеет высокие значения предела выносливости и малоцикловой усталости. 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу высокотемпературной термомеханической обработки полуфабрикатов из (α+β)-титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении и авиационной технике.

Как известно, термомеханические параметры обработки давлением титановых сплавов, наряду с легированием, являются главными для обеспечения требуемого уровня механических свойств и эксплуатационных характеристик, их стабильности и анизотропии, гарантией отсутствия преждевременного разрушения.

Известен способ высокотемпературной термомеханической обработки, заключающийся в нагреве до температуры на 50-100°C ниже температуры полиморфного превращения, деформации на 50%, охлаждении в воде и последующим старением в течение 10 ч (Бернштейн М.Л., Термомеханическая обработка металлов и сплавов, т. 2, М., Металлургия, 1968, с. 1153).

Однако, после такой обработки предел выносливости (σ-1 на базе 107 циклов) и малоцикловая усталость (МЦУ) не достигают требуемого уровня (σ-1≥44 кгс/мм2, МЦУ≥100000 циклов при σmax=70 кгс/мм2 и при σmax=45 кгс/мм2, Kt=4,0).

Известен также способ высокотемпературной термомеханической обработки титановых сплавов, заключающийся в нагреве заготовок сплава до температуры β-области и деформации со степенью 60-70% при этой температуре. Затем заготовки нагревают до температуры окончания полиморфного превращения и проводят повторную деформацию, после чего вновь осуществляют нагрев до температуры окончания полиморфного превращения и проводят окончательную деформацию, причем ее завершают при температуре двухфазной области, соответствующей содержанию β-фазы 25-40%, непосредственно после чего осуществляют закалку в воде и старение при 630-650°C (а.с. №1613505, МПК C22F 1/18, опубл. 15.12.1990).

Однако после подобной обработки характеристики выносливости и малоцикловой усталости сплава также не достигают требуемого уровня.

Достаточно заметно повысить вышеуказанные характеристики позволяет способ высокотемпературной термомеханической обработки, заключающийся в деформации в β-области со степенью 30-90% при температуре на 10-350°C выше температуры полиморфного превращения, затем в (α+β)-области со степенью 10-30% при температуре на 20-50°C ниже температуры полиморфного превращения, затем при температуре на 10-100°C выше температуры полиморфного превращения, затем при температуре на 20-50°C ниже температуры полиморфного превращения со степенью 30-70%, причем деформацию ведут со скоростью 5-60 мм/с при охлаждении полуфабриката на 20-300°C, после чего проводят деформацию со степенью 30-95% в изотермических условиях при температуре в интервале на 100°C выше и на 300°C ниже температуры полиморфного превращения, со скоростью деформирования 0,01-4,0 мм/с и последующим охлаждении на воздухе (а.с. №1106175, МПК C22F 1/18, опубл. 10.07.2015 г.).

Однако, как было обнаружено, при таком способе высокотемпературной термомеханической обработки повышение характеристик выносливости и малоцикловой усталости сплавов обеспечивается не регулярно, что ведет к невозможности добиться стабильности в получении необходимого уровня требуемых характеристик.

Технической задачей и техническим результатом заявленного способа является повышение предела выносливости и малоцикловой усталости, что позволит повысить ресурс и надежность деталей и узлов летательных аппаратов.

Технический результат достигается путем осуществления высокотемпературной термомеханической обработки полуфабрикатов из (α+β) - титановых сплавов, при этом осуществляют нагрев, многостадийную деформацию, при которой сначала проводят деформацию при температуре на 10-350°C выше температуры полиморфного превращения со степенью 30-90% и скоростью деформации 1-300 мм/с, затем проводят деформацию при температуре на 20-50°C ниже температуры полиморфного превращения со степенью 10-30% и скоростью деформации 3-60 мм/с, после которой проводят деформацию при температуре на 20-50°C ниже температуры полиморфного превращения со степенью деформации 30-70% и скоростью деформации 5-60 мм/с при охлаждении полуфабриката на 20-300°C, а последующую деформацию проводят со степенью деформации 30-95% в изотермических условиях при температуре в интервале на 100°C выше температуры полиморфного превращения - на 300°C ниже температуры полиморфного превращения со скоростью деформации 0,01-4,0 мм/с, после чего осуществляют охлаждение на воздухе.

Положительный эффект заявленного способа обусловлен тем, что в процессе совокупного воздействия на металл многостадийной высокотемпературной термомеханической обработки и регламентированных скоростей деформации, достигается структурное состояние, характеризующееся сверхмелким зерном, однородной морфологией структурных составляющих и фазовым составом полуфабрикатов из титановых сплавов, обеспечивающих более высокие показатели предела усталости и малоцикловой усталости. Известно, что деформацию в β-области возможно проводить с достаточно большими скоростями за счет высокой технологичной пластичности и возможности воздействия высоких удельных давлений при температурах β-области. Однако, деформация в β-области со скоростями выше 300 мм/с уже не обеспечивает однородности структуры, вследствие чего возможно образование трещин и других дефектов. Деформация в (α+β)-области со скоростями более 60 мм/с может повлечь за собой разрушение полуфабриката, поскольку при данной температуре снижается технологическая пластичность металла и увеличивается сопротивление титановых сплавов деформации.

По сравнению с прототипом, исключение из технологического процесса изготовления полуфабрикатов деформации при температуре на 10-100°C выше температуры полиморфного превращения, позволяет на последующих стадиях высокотемпературной термомеханической обработки получить мелкозернистую однородную структуру, обеспечивающую высокие показатели предела выносливости и малоцикловой усталости, однако, при этом уменьшается трудоемкость процесса деформации в целом.

Предложенный способ был опробован при обработке поковок из сплава ВТ23М, температура полиморфного превращения которого составляет 900°C.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1

Высокотемпературную термомеханическую обработку проводят по следующему способу: деформация в β-области со степенью 40% и скоростью 75 мм/с при 1050°C, затем в (α+β)-области со степенью 15% и скоростью 20 мм/с при температуре 870°C, затем при температуре 850°C со степенью 50%, причем деформацию ведут со скоростью 20 мм/с при охлаждении полуфабриката до 700°C, после чего проводят деформацию со степенью 50% в изотермических условиях при температуре 800°C, со скоростью деформирования 2,0 мм/с, последующее охлаждение на воздухе. Поковки, полученные данным способом, обладали следующим уровнем свойств: МЦУ=270000 при σmax=70 кгс/мм2 (коэффициент концентрации Kt=2,2) и МЦУ=225000 при σmax=45 кгс/мм2 (коэффициент концентрации Kt=4,0), предел выносливости σ-1 (на базе 10 циклов)=65 кгс/мм2.

Пример 2

Высокотемпературную термомеханическую обработку проводят по следующему способу: деформация в β-области со степенью 30% и скоростью 150 мм/с при 1000°C, затем в (α+β)-области со степенью 20% и скоростью 15 мм/с при температуре 880°C, затем при температуре 860°C со степенью 60%, причем деформацию ведут со скоростью 35 мм/с при охлаждении полуфабриката до 750°C, после чего проводят деформацию со степенью 60% в изотермических условиях при температуре 820°C, со скоростью деформирования 2,5 мм/с, последующее охлаждение на воздухе. Поковки, полученные данным способом, обладали следующим уровнем свойств: МЦУ=235000 при σmax=70 кгс/мм2 (коэффициент концентрации Kt=2,2) и МЦУ=195000 при σmax=45 кгс/мм2 (коэффициент концентрации Kt=4,0), предел выносливости σ-1 (на базе 10 циклов)=58 кгс/мм2.

Пример 3

Высокотемпературную термомеханическую обработку проводят по следующему способу: деформация в β-области со степенью 60% и скоростью 200 мм/с при 1200°C, затем в (α+β)-области со степенью 10% и скоростью 10 мм/с при температуре 860°C, затем при температуре 850°C со степенью 45%, причем деформацию ведут со скоростью 30 мм/с при охлаждении полуфабриката до 780°C, после чего проводят деформацию со степенью 65% в изотермических условиях при температуре 850°C, со скоростью деформирования 4,0 мм/с, последующее охлаждение на воздухе. Поковки, полученные данным способом, обладали следующим уровнем свойств: МЦУ=250000 при σmax=70 кгс/мм2 (коэффициент концентрации Kt=2,2) и МЦУ=210000 при σmax=45 кгс/мм2 (коэффициент концентрации Kt=4,0), предел выносливости σ-1 (на базе 10 циклов)=62 кгс/мм2.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики усталостной прочности: малоцикловая усталость при максимальном напряжении цикла σmax=70 кгс/мм2 (коэффициент концентрации Kt=2,2) и σmax=45 кгс/мм2 (коэффициент концентрации Kt=4,0) и предел выносливости σ-1 (на базе 107 циклов) после обработки по способу-прототипу и предложенному способу (примеры 1-3).

Как видно из таблицы, после обработки по предложенному способу число циклов до разрушения возрастает на 17,5-40,6%, а предел выносливости на 11,5-25% по сравнению с обработкой по прототипу.

Таким образом, после высокотемпературной термомеханической обработки, предложенной в заявленном изобретении, возрастает ресурс изделий и их надежность в эксплуатации при одновременном уменьшении трудоемкости процесса изготовления полуфабрикатов.

Способ высокотемпературной термомеханической обработки полуфабрикатов из (α+β) - титановых сплавов, заключающийся в том, что осуществляют нагрев, многостадийную деформацию, при которой сначала проводят деформацию при температуре на 10-350°C выше температуры полиморфного превращения со степенью 30-90% и скоростью деформации 1-300 мм/с, затем проводят деформацию при температуре на 20-50°C ниже температуры полиморфного превращения со степенью 10-30% и скоростью деформации 3-60 мм/с, после которой проводят деформацию при температуре на 20-50°C ниже температуры полиморфного превращения со степенью деформации 30-70% и скоростью деформации 5-60 мм/с при охлаждении полуфабриката на 20-300°C, а последующую деформацию проводят со степенью деформации 30-95% в изотермических условиях при температуре в интервале на 100°C выше температуры полиморфного превращения - на 300°C ниже температуры полиморфного превращения со скоростью деформации 0,01-4,0 мм/с, после чего осуществляют охлаждение на воздухе.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к термоводородной обработке полуфабрикатов и изделий из пористого материала на основе титана и его сплавов для медицинских имплантатов. Способ включает термодиффузионное насыщение водородом и вакуумный отжиг.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для интенсивной пластической деформации кручением. Для измельчения микроструктуры металлов и повышения их микротвердости, прочности и пластичности способ включает сжатие и последующее кручение заготовки с получением деформации сдвига, при этом деформацию заготовки проводят на бойках Бриджмена с приложением удельного давления 3-6 ГПа и последующим вращением подвижного бойка относительно своей оси со скоростью 0,2-1,5 об/мин, а в процессе вращения бойка осуществляют плавное изменение температуры заготовки, но не выше 0,4Тпл металла или сплава, а также изменение температуры в зависимости от режимов деформации.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам изготовления особо тонких листов из высокопрочного псевдо-альфа титанового сплава Ti-6,5Al-2,5Sn-4Zr-1Nb-0,7Mo-0,15Si.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению холоднодеформированных бесшовных труб из титанового сплава Ti-3Al-2,5V. Способ включает производство слитков, ковку слитка в цилиндрическую заготовку за несколько переходов с чередованием деформации в β- и (α+β)-областях.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению ультрамелкозернистых титановых заготовок, и может быть использовано в медицине при изготовлении имплантатов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к крепежным изделиям, выполненным из альфа/бета титанового сплава. Крепежное изделие, выполненное из альфа/бета титанового сплава, подвергнутого горячей прокатке, обработке на твердый раствор и старению, содержащего, мас.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термомеханической обработки титана или титанового сплава. Способ включает многоосную ковку с высокой скоростью деформации и регулированием температуры.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения высокопрочных α+β-титановых сплавов, которые могут быть использованы в областях техники, где требуется сочетание высоких показателей прочности и коррозионной стойкости и небольшого веса.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению мелкозернистых листовых титановых сплавов, которые являются подходящими для использования при сверхпластическом формовании.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению плоского проката из высоколегированного титанового сплава. Способ изготовления плит из высоколегированного титанового сплава Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr включает деформацию слитка в сляб путем ковки при температурах в β- и (α+β)-областях, при окончательном деформировании в (α+β)-области, последовательные прокатки сляба в β- и (α+β)-областях.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам изготовления листов методом холодной прокатки из псевдо-альфа титановых сплавов. Способ получения листов из псевдо-альфа титановых сплавов включает деформацию слитка в сляб, механическую обработку сляба, многопроходную прокатку сляба на подкат, резку подката на листовые заготовки, многопроходную горячую прокатку заготовок, холодную прокатку, отжиг и адъюстажную обработку листов. Многопроходную прокатку сляба на подкат проводят в β-области, с суммарной степенью деформации не менее 50%, горячую прокатку листовых заготовок проводят в два этапа, причем на первом этапе проводят продольную прокатку в (α+β)-области в интервале температур ниже температуры полиморфного превращения (ТПП) на 70-200°С. На втором этапе проводят поперечную горячую прокатку с изменением направления прокатки на 90° в (α+β)-области в интервале температур ниже ТПП на 70-200°С с последующей холодной прокаткой с получением листов, при этом суммарная степень деформации при горячей и холодной прокатках на втором этапе составляет 60-90% при соотношении степеней деформации горячей к холодной прокатке от 0,8 до 1,2, отжиг листов производят при температуре 700-820°С в течение 0,5-1 часа, а затем осуществляют теплую прогладку при температуре 600±50°С. Получают тонкие листы большого формата из труднодеформируемых титановых сплавов с низкой анизотропией механических свойств и большой величиной угла загиба при комнатной температуре. 2 ил., 1 табл.
Наверх