СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЕЦ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2004 года по МПК B21H1/06 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для получения цельнокатаных колец из титановых сплавов. Способ предназначен для изготовления деталей газотурбинных двигателей, а также может найти применение в других отраслях промышленности, где применяются кольцеобразные изделия из титановых сплавов.

Известно, что на свойства металлов и сплавов при обработке их давлением наиболее сильно влияют три основных фактора: температура и скорость деформации, а также вид напряженного состояния.

Повышение температуры обычно способствует уменьшению сопротивления деформации, увеличению пластичности металла, так как увеличивается энергия теплового движения атомов, создаются условия для одновременного действия наиболее эффективных механизмов пластической деформации. Наряду с этим, при высоких температурах процесс пластической деформации усложняется и инициируются следующие процессы:

- физико-химические процессы (например, фазовые превращения)

- взаимные смещения зерен

- образование субзерен

- миграция границ зерен

- возврат и рекристаллизация

- образование и развитие несплошностей (пор, трещин) и их залечивание

- образование полос аккомодации и др.

Некоторые из этих процессов прямо или косвенно приводят к огрублению структуры металла.

Другим, не менее важным фактором, оказывающим влияние на процессы: роста зерен, зарождение, роста и залечивания несплошностей, а следовательно, и непластичность и сопротивление деформации, является скорость деформации. Зависимость указанных выше свойств и процессов неоднозначна в различных интервалах скоростей и для различных групп сплавов. Из этого следует, что нельзя рассматривать влияние температуры на механизм деформации отдельно от скорости. Для разработки оптимальных технологических режимов изготовления цельнокатаных колец необходимо учитывать температуру и скорость деформации материала.

Известен способ изготовления раскатных кольцевых заготовок стареющих никелевых сплавов (патент РФ №2088365, В 21 Н 1/06, 1997.08.27). В технологическом процессе в качестве исходных используются заготовки, изготовленные посредством осадки, прошивки и разгонки. Устранение огранки осуществляется путем нагрева заготовки в гомогенной области с последующей предварительной раскаткой со степенью деформации не менее 15-20%, а ступенчатый нагрев под тепловую раскатку осуществляют непосредственно за предварительной раскаткой без охлаждения. Предварительную и окончательную деформацию осуществляют в разных калибрах. Данный способ обеспечивает расширение технологических возможностей и экономию дефицитных дорогостоящих сплавов.

Недостатком этого способа является то, что он предназначен только для стареющих сплавов, т.к. в нем используется эффект повышения деформируемости стареющих сплавов в условиях деформации, близких к изотермическим.

Известен способ изготовления раскатных кольцевых заготовок из высоколегированных сплавов (патент РФ №2173598, В 21 Н 1/06, 20.09.2001, Бюл. №26 - прототип). Способ заключается в том, что исходные сварные из горячекатаных профилей или бесшовные кольцевые заготовки прямоугольного или швеллерообразного сечения из титановых сплавов перед раскаткой нагревают при температуре 950-800°С, выдерживают не менее 0,5 ч, извлекают из печи и устанавливают в валках кольцепрокатного стана, а теплую раскатку начинают при 900-750°С, причем в интервале при 900-800°С температуру колец под раскатку принимают исходя из того, чтобы она была ниже температуры полиморфного превращения данного сплава не менее чем на 30°С. Способ обеспечивает изготовление кольцевых заготовок из титановых сплавов с однородной регламентированной структурой и стабильно высоким уровнем механических свойств.

Недостатком данного способа является недостаточная пластичность титановых сплавов в данном интервале температур, что вызывает необходимость многопереходной раскатки заготовки, быстрая захолаживаемость, особенно тонкостенных заготовок. Кроме того, в технологическом процессе не учитывается скорость деформации материала, что не позволяет подобрать оптимальные технологические режимы обработки изделия.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является получение изделий с однородной регламентированной мелкодисперсной микроструктурой при увеличении производительности и технологических возможностей стандартного оборудования.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является получение заготовки с равномерной регламентированной микроструктурой, сокращение количества выносов и сопутствующих им нагревов, угара металла, снижение трудоемкости процесса изготовления изделий, кроме того, реализуется возможность изготовления на стандартном оборудовании раскатных колец повышенной точности с большими геометрическими размерами.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления цельнокатаных колец из титановых сплавов, включающем изготовление исходной кольцевой заготовки, теплую раскатку кольца и последующую термическую обработку, при каждом переходе теплую раскатку кольца начинают проводить в β-области, или β- и (α+β)-области, а по мере охлаждения заготовки заканчивают в (α+β)-области и ведут со скоростью деформации от 3·10^-3 с^-1 до 1 с^-1.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Кольцевая заготовка нагревается до температуры β-области или β- и (α+β)-области, где сопротивление деформации существенно ниже (П.Г.Микляев. Механические свойства легких сплавов при температурах и скоростях обработки давлением, - М.: Металлургия, 1994 г., стр. 85-97). Это позволяет иметь резерв пластичности, который при тех же усилиях на раскатном стане позволяет производить кольца более крупных геометрических размеров, при уменьшении числа выносов. Раскатку кольца производят со скоростью деформации от 3·10^-3 с^-1 до 1 с^-1. В процессе раскатки происходит захалаживание заготовки, и процесс деформации переходит в (α+β)-область. При скорости деформации более 1 с^-1 выделяемое в процессе деформации тепло не успевает рассеиваться в окружающую среду и температура изделия во время раскатки не понижается до требуемой (α+β)-области температуры. При скорости деформации менее 3·10^-3 с^-1 в β-области или β- и (α+β)-области происходит огрубение структуры металла, а в (α+β)-области не достаточно интенсивно происходит измельчение зерна и формирование оптимальной макро- и микроструктуры по всему сечению изделия, что может вызвать понижение физико-механических свойств металла в процессе обработки.

При раскатке цельнокатаных колец используются исходные заготовки, изготовление которых заканчивают операцией ковки в (α+β)-области.

При последующей за этой операцией раскатка данной заготовки в β-области деформация сопровождается рекристаллизацией металла с измельчением зерна.

При изготовлении цельнокатаных колец деформация кольца в (α+β)-области может составлять не менее 30% от всего проводимого объема деформации.

Окончательная деформация цельнокатаного кольца в (α+β)-области при степени деформации 30% и более переводит структуру металла в (α+β)-деформированную, равномерной по всему сечению, и повышает пластичность металла.

Возможно, в способе изготовления цельнокатаных колец из титановых сплавов тепловую раскатку кольца начинают проводить в (α+β)-области.

Это улучшает физико-механические свойства металла на 2-5% по сравнению с процессом, в котором раскатка колец начинается в β-области или β- и (α+β)-области, но при этом возрастает количество переходов и связанные с этим затраты в 2 и более раза, а также на 25-30% снижаются возможности оборудования при изготовлении крупногабаритных изделий.

Предлагаемый способ опробован при изготовлении цельнокатаных колец из титановых сплавов ВТ20 и 5В, раскатка которых начиналась в β-области и цельнокатаного кольца из сплава ВТ20д2, раскатка которого начиналась в (α+β)-области. Детали были изготовлены на кольцераскатном стане марки RAW 100/80, при усилии раскатки до 100 т и скорости прокатки в диапазоне 0,6-1,6 м/с.

Пример 1.

Из кольцевой заготовки наружным диаметром 483 мм, внутренним диаметром 250 мм и высотой 184 мм из титанового сплава ВТ-20 с температурой полиморфного превращения Тпп=965° было изготовлено цельнокатаное кольцо размерами: наружным диаметром 1065 мм, внутренним диаметром 989 мм и высотой 179 мм по следующей операционно-технологической схеме, приведенной в таблице 1.

D, мм - наружный диаметр кольца;

d, мм - внутренний диаметр кольца;

Н, мм - высота кольца;

S, мм - толщина стенки кольца;

λ, % - коэффициент вытяжки;

ε_s, % - степень деформация стенки кольца;

с^-1, - средняя скорость деформации;

t, сек - время деформации.

Степень деформации в 1 и 2 выносах составила порядка 40-45% от всего объема за каждый вынос.

Полученное кольцо подвергли термической обработке по ТУ (отжиг при температуре 850°С в течение 1 часа). Результаты механических испытаний приведены в таблице 2.

Контроль макроструктуры проводили на макрошлифах в тангенциальном направлении и по высоте кольца. Макроструктура на шлифах не имеет трещин, расслоений, закатов, пустот, металлических и неметаллических включений. Проведено исследование методом "глубокого" травления для контроля пористости - пористость не обнаружена.

Полученная микроструктура соответствует 4-5 типу 9-типовой шкалы микроструктур, макроструктура соответствует 5-6 баллу (ОСТ 192131-92 по инструкции ВИАМ №1054).

Для получения аналогичного цельнокатаного кольца при начале раскатки при температуре 935°С (Тпп-30°С) требуется не менее 6 выносов.

Пример 2.

Из титанового сплава 5В с температурой полиморфного превращения Тпп=1055° было изготовлено цельнокатаное кольцо размерами наружным диаметром 1065 мм, внутренним диаметром 989 мм и высотой 179 мм по следующей операционно-технологической схеме, приведенной в таблице 3.

Уровень свойств и структура металла соответствуют требованиям ОСТ192131-92.

Для получения аналогичного, цельнокатаного кольца при начале раскатки заготовки в (α+β)-области требуется не менее 7 переходов.

Пример 3.

Из кольцевой заготовки наружным диаметром 427 мм, внутренним диаметром 220 мм и высотой 182 мм из титанового сплава ВТ20д2 с температурой полиморфного превращения Тпп=975°С, было изготовлено цельнокатаное кольцо размерами наружным диаметром 944 мм, внутренним диаметром 878 мм и высотой 177 мм.

Раскатка была выполнена за 4 перехода. Каждую раскатку начинали проводить в (α+β)-области при 945°С (Тпп-30°С), со скоростью деформации от 4·10^-3 с^-1 до 2,5·10^-2 с^-1. Результаты механических испытаний приведены в таблице 4.

Контроль макроструктуры проводили на макрошлифах в тангенциальном направлении и по высоте кольца. Макроструктура на шлифах не имеет трещин, расслоений, закатов, пустот, металлических и неметаллических включений. Проведено исследование методом "глубокого" травления для контроля пористости - пористость не обнаружена.

Полученная макроструктура (ОСТ192131-92 по инструкции ВИАМ №1054) соответствует 5-6 баллу в тангенциальном направлении и 4-5 баллу в высотном направлении.

Проведение части деформации в β-области и β- и (α+β)-области позволяет сократить в 2 и более раз количество переходов с нагревами и трудоемкость по сравнению с известным способом, а также позволяет производить более крупные изделия на стандартном оборудовании. При изготовлении колец из титановых сплавов полностью в (α+β)-области скорости деформации в диапазоне от 3·10^-3 с^-1 до 1 с^-1 позволяет наиболее оптимально сочетать критерии экономичности и качества.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для получения цельнокатаных колец из титановых сплавов. В способе изготовления цельнокатаных колец из титановых сплавов при каждом переходе теплую раскатку кольца начинают проводить в β - области, или в β- и (α+β) - области а по мере охлаждения заготовки заканчивают в (α+β)-области и ведут со скоростью деформации от 3·10^-3 с^-1 до 1 с^-1. Изготовление исходной кольцевой заготовки заканчивают операцией ковки в (α+β)-области. Объем деформации кольца в (α+β)-области составляет не менее 30% от всего проводимого объема деформации. Теплую раскатку кольца начинают проводить в (α+β)-области. Обеспечивается получение изделий с однородной регламентированной мелкодисперсной микроструктурой при увеличении производительности и технологических возможностей стандартного оборудования. 3 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Способ изготовления цельнокатаных колец из титановых сплавов, включающий изготовление исходной кольцевой заготовки, теплую раскатку кольца и последующую термическую обработку, отличающийся тем, что при каждом переходе теплую раскатку кольца начинают проводить в β-области или в β- и (α+β)-области, а по мере охлаждения заготовки заканчивают в (α+β)-области и ведут со скоростью деформации от 3·10^-3 с^-1 до 1с^-1.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изготовление исходной кольцевой заготовки заканчивают операцией ковки в (α+β)-области.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что объем деформации кольца в (α+β)-области составляет не менее 30% от всего проводимого объема деформации.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что теплую раскатку кольца начинают проводить в (α+β)-области.