СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ ТИТАНОВЫХ ЗАГОТОВОК Российский патент 2004 года по МПК C22F1/18 

Изобретение относится к деформационно-термической обработке материалов с целью изменения физико-механических свойств и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине при изготовлении полуфабрикатов из титана.

Известны способы обработки металлов с целью повышения их свойств, в частности, для получения ультрамелкозернистой структуры, обеспечивающей улучшение физико-механических характеристик. Эти способы могут сочетать в себе пластическую деформацию и термомеханическую обработку.

Известен способ обработки титановых заготовок по а.с. СССР № 1737920, МПК С 22 F 1/18, опубл. 15.12.94, заключающийся в деформировании материала при температуре смены механизма гомогенной деформации первичным двойникованием на механизм гетерогенной деформации послойным течением.

Известен способ термической обработки деталей из титановых сплавов, включающий нагрев до 150-200°С, выдержку в течение 2-3 часов, охлаждение и последующий нагрев до 500-750С с выдержкой 0,25-2,0 часа (патент РФ № 2020187, МПК С 22 F 1/18, опубл. 30.09.94).

Известен способ термомеханической обработки титановых заготовок, включающий нагрев в β-область, деформацию при температуре нагрева со степенью 60-70%, повторную деформацию в направлении, перпендикулярном первоначальной, и окончательную деформацию в (α+β)-области, после чего осуществляют закалку в воде и старение при 630-650°С (а.с. СССР № 1613505, МПК С 22 F 1/18, опубл. 15.12.90).

Известные способы обработки не позволяют получать одновременно высокую прочность и пластичность в материале заготовок.

Наиболее близким к предложенному является способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок (патент РФ № 2175685, С 22 F 1/18, В 21 J 5/00, опубл. 10.11.01), включающий интенсивную пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах, проводимую в интервале температур 500-250°С с накопленной логарифмической степенью деформаций е≥4, и последующую термомеханическую обработку чередованием холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательным отжигом в интервале температур 250-500°С в течение 0,5-2,0 часов.

Данный способ позволяет получать за счет интенсивной пластической деформации ультрамелкозернистую структуру в обрабатываемом материале и повысить уровень прочностных свойств. Однако получаемый уровень механических свойств (сочетание высокой прочности и удовлетворительной пластичности) недостаточны для использования в ряде ответственных конструкций.

Предложенное изобретение направлено на улучшение механических свойств обрабатываемого материала с целью повышения одновременно прочностных и пластических характеристик.

Поставленная задача решается способом получения ультрамелкозернистых титановых заготовок, включающим интенсивную пластическую деформацию с накопленной логарифмической степенью деформации е≥4 и последующую термомеханическую обработку чередованием холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательным отжигом в интервале температур 250-500°С в течение 0,5-2,0 часов, в котором в отличие от прототипа пластическую деформацию заготовки осуществляют путем пропускания ее через матрицу с винтовым каналом, сечение которого, перпендикулярное оси прессования, постоянно вдоль этой оси, а угол наклона винтовой линии к оси прессования изменяется по длине или высоте матрицы, имея нулевое значение на ее начальном и конечном участке.

При продавливании заготовки через винтовую матрицу она испытывает интенсивную сдвиговую деформацию. Ввиду того, что сечение винтового канала, перпендикулярное оси прессования, постоянно, то форма заготовки и ее поперечное сечение не меняются. Это позволяет осуществлять ее многократное прессование с целью накопления интенсивных деформаций и упрочнения заготовки.

Известно использование гидромеханического прессования с кручением путем многократного пропускания призматической заготовки через матрицу с винтовым каналом с целью получения больших пластических деформаций материалов, а именно сдвиговых деформаций (Я.Е. Бейгельзимер и др. Новые схемы накопления больших пластических деформаций с использованием гидроэкструзии. Физика и техника высоких давлений, 1999, т. 9, № 3, с. 109).

Сочетание интенсивной сдвиговой деформации и последующей термомеханической обработки в указанных режимах позволяет сформировать в материале термически стабильную ультрамелкозернистую структуру с размером зерен 0,1 μк и менее. При этом по сравнению с прототипом повышается уровень прочности на растяжение в 2 раза и увеличивается пластичность на 28-30%. Кроме того, в результате такой обработки первоначально анизотропный материал становится изотропным, что является отличительной структурной особенностью получаемого материала.

Таким образом, предложенная совокупность признаков способа позволяет получить новый неожиданный эффект, приводящий к значительному улучшению физико-механических свойств разрабатываемого материала. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию “Изобретательский уровень”.

Способ осуществляется следующим образом.

Призматическую титановую заготовку из сплава ВТ 1-0 в хорошо отожженном крупнозернистом состоянии с размером зерен 15-20 μк помещают в прямолинейную заходную часть матрицы с винтовым каналом, через который заготовку продавливают до тех пор, пока ее задний торец не выйдет в прямолинейную выходную часть матрицы. Ввиду того, что сечение винтового канала постоянно, в ходе процесса форма заготовки и ее поперечное сечение не изменяются. Это позволяет осуществлять ее многократное прессование с целью накопления интенсивных деформаций и упрочнения заготовки.

Деформацию проводят за несколько последовательных проходов для равномерной проработки структуры. Количество проходов определяется достижением накопленной логарифмической степени деформации е≥4.

После окончания этапа пластической деформации заготовку вынимают из оснастки и охлаждают до комнатной температуры. Затем ее подвергают правке и обработке для снятия дефектного слоя, после чего проводят контроль микротвердости, механических свойств на растяжение и микроструктуры.

На следующем этапе, называемом термомеханической обработкой (ТМО), заготовку подвергают ступенчатой многоходовой прокатке на четырехвалковом стане с промежуточными и окончательным отжигами. Температура отжига на промежуточной стадии составляет 500-350°С, время 0,5-2,0 час. На окончательной стадии температура отжига составляет 350-250°С, время 0,5-2,0 час. Суммарная степень деформации заготовки составляет 30-90%. После окончания этапа ТМО повторно проводят контроль микроструктуры, микротвердости и механических свойств.

Пример конкретного выполнения.

Берем исходную горячекованную заготовку из технически чистого титана марки ВТ1-0 в виде прутка сечением 25×25 мм и длиной 100 мм. Пруток подвергали винтовому прессованию в 3 прохода по описанному способу, в результате чего была достигнута степень деформации е=6. Максимальное значение угла наклона винтовой линии к оси прессования составляло γ=60°.

Затем заготовку подвергали правке и обработке для снятия дефектного слоя.

Контроль параметров и механических свойств показал:

- размер зерен d=0,3 μк

- предел прочности

(вдоль заготовки/поперек заготовки) σ_в=500 МПа/830 МПа

- предел текучести

(вдоль заготовки/поперек заготовки) σ=460 МПа/760 МПа

- относительное удлинение

(вдоль заготовки/поперек заготовки) δ=12%/17%

На следующем этапе пруток подвергали термомеханической обработке, а именно: многоходовой прокатке на четырехвалковом стане с промежуточными и окончательными отжигами. Температура отжига на промежуточной стадии составляла 350°С, время 1,0 час. На окончательной стадии температура отжига составляла 300°С, время 1,0 час.

Результаты испытаний:

- размер зерен d=0,1 μк

- предел прочности

(вдоль заготовки/поперек заготовки) σ_в=780 МПа/795 МПа

- предел текучести

(вдоль заготовки/поперек заготовки) σ₀₂=750 МПа/760 МПа

- относительное удлинение

(вдоль заготовки/поперек заготовки) δ=30%/28%

Как показывают полученные результаты, комбинация термомеханической обработки (прокатки) с винтовым прессованием значительно улучшает не только прочность, но и пластичность материала заготовки, причем достигается изотропия механических свойств в продольном и поперечном направлениях, что часто является недостижимым при традиционных методах обработки.

Таким образом, предложенные способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок позволяет существенно улучшить структуру и механические свойства обрабатываемого материала и использовать его в ответственных конструкциях.

Изобретение относится к деформационно-термической обработке материалов и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине при изготовлении полуфабрикатов из титана. Предложенный способ включает интенсивную пластическую деформацию с накопленной логарифмической степенью деформации е≥4 и последующую термомеханическую обработку, проведенную путем чередования холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательным отжигом в интервале температур 250-500°С в течение 0,5-2,0 часов, при этом интенсивную пластическую деформацию заготовки осуществляют путем пропускания ее через матрицу с винтовым каналом, сечение которого, перпендикулярное оси прессования, постоянно вдоль этой оси, а угол наклона винтовой линии к оси прессования изменяется по длине или высоте матрицы, имея нулевое значение на ее начальном и конечном участке. Техническим результатом изобретения является разработка способа, обеспечивающего повышение прочностных и пластических характеристик обрабатываемого материала.

Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок, включающий интенсивную пластическую деформацию с накопленной логарифмической степенью деформации е≥4 и последующую термомеханическую обработку чередованием холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательным отжигом в интервале температур 250-500°С в течение 0,5-2,0 ч, отличающийся тем, что интенсивную пластическую деформацию заготовки осуществляют путем пропускания ее через матрицу с винтовым каналом, сечение которого, перпендикулярное оси прессования, постоянно вдоль этой оси, а угол наклона винтовой линии к оси прессования изменяется по длине или высоте матрицы, имея нулевое значение на ее начальном и конечном участках.