Способ получения деформированных полуфабрикатов из интерметаллидных титановых сплавов



Способ получения деформированных полуфабрикатов из интерметаллидных титановых сплавов
Способ получения деформированных полуфабрикатов из интерметаллидных титановых сплавов
Способ получения деформированных полуфабрикатов из интерметаллидных титановых сплавов
Способ получения деформированных полуфабрикатов из интерметаллидных титановых сплавов

 


Владельцы патента RU 2613829:

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

Изобретение относится к области металлургии, а именно к горячей обработке давлением сплавов на основе интерметаллида титана, и может использоваться при изготовлении деталей газотурбинных двигателей. Способ получения деформированных полуфабрикатов из гамма-сплава Ti-43Al-3Nb-2W-0,5Si включает нагрев и двухэтапное прессование литой заготовки в металлической оболочке. Литую заготовку покрывают теплоизоляционным покрытием из стекловолокна и/или каолинового волокна с температурой размягчения ≥1150°С и помещают в оболочку из титанового сплава с толщиной δ, определяемой по выражению δ=(0,02-0,05)×∅, где ∅ - диаметр заготовки в мм. Затем заготовку нагревают и подвергают подпрессовке при температурах 1250-1380°С со степенью деформации 25-40%, скоростью деформации 50-60 мм/с, а затем окончательному прессованию со степенью деформации 96-98% с последующим охлаждением прессованных полуфабрикатов до комнатной температуры. Получают однородную структуру заготовки, которая обеспечивает высокие значения предела прочности и относительного удлинения при комнатной температуре, жаропрочности при температурах до 800°C. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 6 пр.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, конкретно к горячей обработке давлением сплавов на основе интерметаллида титана TiAl (гамма-сплавы), и может использоваться при изготовлении деталей газотурбинных двигателей.

Известен способ обработки титановых сплавов на основе интерметаллидов Ti3Al [Ti-25Al-5Nb (мас.%)] (SU 1235244, C22F 1/18, опубл. 27.08.2015), который включает:

- гомогенизирующий отжиг заготовок при температурах 1000-1200°С, выдержку при этих температурах в течение 2-5 ч и охлаждение до комнатной температуры;

- упаковку термически обработанной заготовки в контейнер с толщиной стенки (0,01-0,08)×∅, где ∅ - диаметр заготовки, мм;

- нагрев контейнера до температур 1050-1200°С и выдержку при этих температурах в течение 2-8 ч, проведение подпрессовки со степенью деформации 5-30% и скоростью деформирования 10-50 мм/с, окончательное прессование со степенью деформации 20-85% при скорости деформирования 10-50 мм/с.

Недостатком этого способа является многочасовой гомогенизирующий отжиг заготовок перед прессованием и необходимость применения эффективной защиты их от окисления в процессе нагревов при повышенных температурах.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ получения полуфабрикатов из сплавов на основе титана, содержащих Ti-36Al (мас.%) (SU 1408805, C22F 1/18, опубл. 27.08.2015), который включает:

- формирование теплоизоляционного слоя с помощью нагрева до температур 1200-1250°С, выдержку при этих температурах в течение 2-2,5 ч и охлаждения заготовки до комнатной температуры со скоростью 5-7,5 град./с;

- упаковку полученной заготовки в металлическую оболочку, нагрев ее до температур 1290-1360°С, подпрессовку в контейнере пресса на степень деформации 29-38% и последующее прессование со скоростью 50-60 мм/с и степенью деформации 62-71% с обеспечением общей степени деформации 90-94%. Последующее охлаждение полученных полуфабрикатов производится на воздухе.

Несмотря на хорошее качество получаемых полуфабрикатов (мелкозернистая структура и высокие механические свойства), способ является экономически затратным, так как требует предварительного нагрева заготовки для создания теплоизоляционного слоя, что не обеспечивает требуемой производительности операции.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения прессованных полуфабрикатов из литых заготовок гамма-сплава Ti-43Al-3Nb-2W-0,5Si (ат.%).

Техническим результатом является получение из труднодеформируемого сплава Ti-43Al-3Nb-2W-0,5Si (ат.%) прессованных полуфабрикатов с однородной структурой и повышенным комплексом механических свойств - пределом прочности и относительным удлинением при комнатной температуре.

Для достижения поставленного технического результата, предложен способ получения деформированных полуфабрикатов из гамма-сплава Ti-43Al-3Nb-2W-0,5Si, включающий нагрев и двухэтапное прессование литой заготовки в металлической оболочке, при этом литую заготовку покрывают теплоизоляционным покрытием из стекловолокна и/или каолинового волокна с температурой размягчения ≥1150°С и помещают в оболочку из титанового сплава с толщиной δ, определяемой по выражению δ=(0,02-0,05)×∅, где - ∅ диаметр заготовки в мм, затем заготовку нагревают и подвергают подпрессовке при температурах 1250-1380°С со степенью деформации 25-40%, скоростью деформации 50-60 мм/с, а затем окончательному прессованию со степенью деформации 96-98% с последующим охлаждением прессованных полуфабрикатов до комнатной температуры.

Предпочтительно, в качестве металлической оболочки используются титановые сплавы с температурой фазового перехода (Тпп) 1000-1050°С.

Выбор толщин оболочки связан с уменьшением контактных напряжений в поверхностных слоях заготовки при прессовании и использовании оболочки как дополнительной смазки.

Выбор в качестве теплоизоляционного покрытия стекловолокна или каолинового волокна обусловлен получением на внешней поверхности покрытой заготовки при температурах прессования газонепроницаемого пластичного слоя, который уменьшает окисляемость заготовки при нагреве, обеспечивает сохранение в заготовках заданной температуры нагрева, исключая их захолаживание при прессовании, образует технологическую смазку, снижающую усилия прессования заготовок.

Выбранное теплоизоляционное покрытие на основе стекловолокна и/или каолинового волокна имеет близкие температуры размягчения и коэффициенты теплопроводности при температурах 1250-1380°С, поэтому качество теплоизоляционного покрытия литой заготовки будет одинаково как для каждого в отдельности, так и их смеси.

Предпочтительно, нагрев литых заготовок с теплоизоляционным покрытием в оболочке из титанового сплава проводят в газовой среде, состоящей из 75±1 об.% водорода и 25±1 об.% азота, при содержании кислорода ≤0,004 об.% и паров воды ≤0,001 об.% при температуре точки росы ≤-60°С.

Предложенная среда нагрева заготовок обеспечивает повышенную технологическую пластичность литого сплава, уменьшает высокотемпературное окисление заготовок, обеспечивает взрывобезопасность операции, поскольку нагрев заготовок в среде чистого водорода повышает опасность возникновения взрывного горения, вызывающего разрушение конструкции печи.

Предпочтительно, охлаждение прессованных полуфабрикатов проводят со скоростью 10-20 град./с до комнатной температуры. Предлагаемые режимы охлаждения заготовок связаны с уменьшением термических напряжений, вызывающих коробление прессованных полуфабрикатов (в особенности тонкостенных профилей) при охлаждении с температур деформации.

Как показано в таблицах 1 и 2 (варианты 1 и 5), при применении на заготовках металлической оболочки с толщиной менее 0,02×∅ образующиеся растягивающие напряжения вызывают разрушение металлической оболочки, обнажение поверхности заготовок и их захолаживание, что приводит к появлению поверхностных надрывов и трещин. При толщинах покрытий более 0,05×∅ растягивающие напряжения не разрушают металлическую оболочку, позволяют сохранить температуру заготовки и обеспечить нормальное течение материала. Несмотря на преимущества толстых покрытий, их использование снижает выход годного материала, повышает стоимость полуфабрикатов и возникают проблемы с утилизацией использованных теплоизоляционных покрытий и оболочек.

На фигуре 1 представлены зависимости влияния температуры прессования и допустимой степени деформации при подпрессовке на качество получаемых полуфабрикатов. Из этих зависимостей видно, что при степени подпрессовки менее 25% (область I) наблюдается потеря технологической пластичности материала за счет захолаживания заготовки и появления высоких напряжений течения, что приводит к образованию глубоких надрывов и трещин. При степени подпрессовки заготовок более 40% (область III) заготовки подвержены значительной пластической деформации, что вызывает сильный разогрев заготовок и повышение температур в область с интенсивной рекристаллизацией и ростом зерна. Оптимальной областью температур прессования, обеспечивающей повышенную технологичность сплавов, является область II, которая представлена на фигуре 1.

Примеры осуществления.

Слитки сплава состава Ti-43Al-3Nb-2W-0,5Si (ат.%) изготавливали по технологии, принятой при производстве серийных титановых сплавов. Использовались следующие шихтовые материалы - титановая губка, лигатуры с указанными легирующими элементами. Изготовление слитков включало получение расходуемого электрода, выплавку слитков вакуумно-дуговым переплавом, механическую обработку слитков. Литые заготовки диаметром 150 мм и длиной 180 мм покрывали теплоизоляционным материалом и упаковывали в оболочку из титанового сплава с температурой фазового превращения (Тпп) в пределах (1000-1050)°С (например, сплава марки ВТ20). Подготовленные заготовки в оболочке из титанового сплава с теплоизоляционным покрытием сразу нагревались до заданных температур прессования и подвергались горячей обработке давлением двухэтапным прессованием для получения конечных полуфабрикатов. Прессованные полуфабрикаты разрезались на заготовки, из которых изготавливались образцы для исследования структуры (определения размера микрозерна) и испытаний механических свойств при комнатной температуре. В таблице 1 представлены результаты экспериментов по двухстадийному прессованию заготовок сплава Ti-43Al-3Nb-2W-0,5Si (ат.%) по предлагаемому способу (варианты №2-4) и способу-прототипу (вариант №6).

В таблице 2 представлены размеры зерна (dЗ) и механические свойства (σВ, σ0,2 и δ) при температуре 20°С прессовок сплава Ti-43Al-3Nb-2W-0,5Si (ат.%) по предлагаемому способу (варианты №№2-4) и способу-прототипу (вариант №6).

Как видно из таблиц 1 и 2, предлагаемый способ получения полуфабрикатов из сплава Ti-43Al-3Nb-2W-0,5Si (ат.%), по сравнению со способом-прототипом обеспечивает повышение технологической пластичности сплава, расширяет диапазон допустимых величин деформации при подпрессовке (25-40)% вместо (29-38)%. Это создает возможность для благоприятного течения материала в матрице, что обеспечивает высокие значения общей деформации на конечных стадиях прессования. Такие явления приводят к формированию высококачественных мелкозернистых заготовок с меньшим размером зерна на 23,6% и повышенными механическими свойствами при температуре 20°С - пределом прочности на 18,8% и относительным удлинением на 58%.

Предлагаемый способ изготовления прессованных полуфабрикатов из гамма-сплава Ti-43Al-3Nb-2W-0,5Si (ат.%) позволяет получать деформированные мелкозернистые заготовки, обладающие повышенными механическими свойствами при комнатной температуре. Получаемые полуфабрикаты с такой структурой и механическими свойствами могут использоваться на окончательных операциях изготовления деталей с меньшим количеством переходов и припусками на механическую обработку, обеспечивая повышенные значения коэффициента использования металла (КИМ) и снижение стоимости механической обработки.

1. Способ получения деформированных полуфабрикатов из гамма-сплава Ti-43Al-3Nb-2W-0,5Si, включающий нагрев и двухэтапное прессование литой заготовки в металлической оболочке, отличающийся тем, что литую заготовку покрывают теплоизоляционным покрытием из стекловолокна и/или каолинового волокна с температурой размягчения ≥1150°С и помещают в оболочку из титанового сплава с толщиной δ, определяемой по выражению δ=(0,02-0,05)×∅, где ∅ - диаметр заготовки в мм, затем заготовку нагревают и подвергают подпрессовке при температурах 1250-1380°С со степенью деформации 25-40%, скоростью деформации 50-60 мм/с, а затем окончательному прессованию со степенью деформации 96-98% с последующим охлаждением прессованных полуфабрикатов до комнатной температуры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлической оболочки используют титановые сплавы с температурой фазового перехода (Тпп) 1000-1050°С.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что нагрев литых заготовок с теплоизоляционным покрытием в оболочке из титанового сплава проводят в газовой среде, состоящей из 75±1 об.% водорода и 25±1 об.% азота, при содержании кислорода ≤0,004 об.% и паров воды ≤0,001 об.% при температуре точки росы ≤-60°С.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что охлаждение прессованных полуфабрикатов проводят со скоростью 10-20 град./с до комнатной температуры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу получения полуфабрикатов из двухфазных титановых сплавов, и может быть использовано в авиастроении и машиностроении.

Способ изготовления сварных титановых труб может быть использован в области машиностроения и предназначен для повышения прочности и циклической долговечности сварных титановых труб за счет оптимального выбора термомеханических параметров обработки трубных заготовок.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для оптимизации технологического процесса сверхпластической формовки ответственных силовых деталей.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления стержневых деталей с головками из титановых сплавов, и может быть использовано в авиационно-космической технике, а также химическом машиностроении, судостроении и автомобилестроении.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении изделий из жаропрочных никелевых сплавов, применяемых в авиационной промышленности и в энергетическом машиностроении.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам обработки железоникелевого сплава. Заявлен способ обработки инварного сплава на основе системы железо-никель.

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке сплавов с памятью формы, и может быть использовано в медицине и технике. Способ обработки сплавов титан-никель с содержанием никеля 49-51 ат.% с эффектом памяти формы включает термомеханическую обработку заготовки, термомеханическое наведение эффекта памяти формы, разгружение и нагрев для восстановления формы.

Изобретение относится к обработке ванадиевых сплавов, легированных элементами IVB группы, содержащих элементы замещения Cr, W и элементы внедрения С, О, N в количестве не менее 0,04 мас.%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано для получения высокопрочных наноструктурированных прутков круглого сечения из титанового сплава ВТ22.

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

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к обработке металлов давлением, а именно к технологии получения высокопрочного проката аустенитной нержавеющей стали с нанокристаллической структурой, который может быть использован в качестве конструкционного материала.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при радиальной ковке шестигранных полых профилей. Круглую полую заготовку подвергают обжатию одновременно двумя взаимно перпендикулярными парами бойков не менее чем за три прохода.

Изобретение относится к обработке металлов давлением. Способ циклической многопроходной радиальной ковки включает период радиальной ковки заготовки бойками при ее перемещении подающим манипулятором в бойки и период радиальной ковки при перемещении заготовки тянущим манипулятором из бойков.
Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в кузнечных цехах металлургических и машиностроительных заводов при изготовлении полуфабрикатов из слитков алюминиевых сплавов.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении крупногабаритных стальных поковок полукорпусов шаровых кранов и изделий подобной конфигурации, имеющих массу свыше одной тонны.

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.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении заготовок из двухфазных титановых сплавов, применяемых, в частности, в авиационной промышленности.

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 для изготовления штамповок лопаток ГТД из титановых сплавов. Способ изготовления штамповок лопаток из титановых сплавов включает выдавливание заготовки в изотермических условиях при одинаковой температуре нагрева заготовки и штампа и последующую изотермическую штамповку выдавленной заготовки. Выдавливание и изотермическую штамповку осуществляют при температуре нагрева штампа и заготовки 800-830°C±40°C при средней скорости деформации не более 0,3 мм/с. Снижается сопротивление деформации сплава и повышается размерная стойкость штампов. Получают штамповки лопаток с мелкозернистой структурой. 1 ил., 1 пр.
Наверх