СПОСОБ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2005 года по МПК C21D8/00 B21J1/06 

Изобретение относится к обработке металлических сплавов давлением, преимущественно в виде слитков, и может быть использовано при изготовлении изделий, в том числе и ответственного назначения, в различных областях техники, например, в авиации, машиностроении и т.д.

Известен способ штамповки заготовок, включающий нагрев заготовки, ее штамповку и охлаждение за несколько переходов (см. авторское свидетельство СССР №660770, МКИ В 21 К 3/04, опубл. 05.05.79 г.) - аналог.

Однако данный способ не позволяет получить необходимую макро- и микроструктуру заготовки, что отрицательно сказывается на качестве получаемых изделий.

Известен способ обработки давлением металлических сплавов, преимущественно из слитков, включающий операции нагрева и деформации сплава за несколько переходов (Семенов Е.И. “Ковка и объемная штамповка”, Учебник для вузов, М., Высшая, школа, 1972 г., стр.130-138) - прототип.

Недостатком данного способа является значительная физико-химическая неоднородность структуры и нестабильность механических свойств по объему заготовки.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение изделия с высокими эксплуатационными характеристиками, путем достижения оптимальной структуры и физико-механических свойств во всем объеме заготовки.

Указанная цель достигается тем, что в способе обработки металлического сплава давлением его нагрев и деформацию осуществляют за несколько переходов до достижения степени относительной деформации не менее 50%, после чего, по меньшей мере, в одном из последующих переходов нагревают до температуры Т_р ≤ Т ≤ Т_с, где Т_р - температура растворения упрочняющих фаз, Т_с - температура солидуса, с выдержкой при данной температуре не менее 30 часов.

Способ базируется на следующих теоретических предпосылках.

Основным недостатком изделий из металлических сплавов, изготавливаемых известными способами, является их физико-химическая неоднородность, остающаяся в них после обработки сплавов. Указанные недостатки формируются в результате дендритной кристаллизации сплавов, поэтому в слитке имеет место физическая структурная неоднородность, а также химическая неоднородность: зональная и дендритная.

Особенно устойчивой и трудно устранимой является дендритная неоднородность, т.е. неоднородность химического состава по осям дендритов различного порядка.

Ликвидировать указанный недостаток можно совместным влиянием уровней деформаций, высоких температур и выдержки при высоких температурах. При этом степень относительной деформации не менее 50% обеспечивают максимальное сближение осей дендритов первого порядка, в результате их поворота и поступательного движения, а также сжатие и, соответственно, сближение осей второго, третьего и т.д. порядков. Соответственно, высокие температуры и выдержка при них в течение определенного периода времени слитков интенсифицируют процессы диффузии химических элементов сплава в сторону их выравнивания по всему объему слитка.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований известно, что только нагрев слитков до температуры, находящейся в интервале от температуры растворения уточняющих фаз до температуры солидуса, и выдержка при этих температурах длительное время (гомогенизация) приводит лишь к некоторому выравниванию структуры литого материала и улучшению его механических характеристик, например, пластичности, но не устраняет дендритную химическую неоднородность вследствие торможения диффузионных процессов полостями, имеющимися в слитках.

Это возможно обосновать следующим: так как скорость диффузии обратно пропорциональна квадрату расстояния между осями дендритов

U_д=D/l²,

где U_д - скорость диффузии химического элемента,

D - коэффициент диффузии,

l - расстояние между осями дендритов;

то применение высоких температур нагрева и длительных выдержек при этих температурах наиболее эффективно и целесообразно не для слитка с рыхлой литой структурой, а для слитка, предварительно подвергшегося деформации и имеющего плотную структуру и минимальное расстояние между осями дендритов первого порядка. Кроме того, известно, что при кристаллизации сплава с образованием слитка оси первого порядка дендритов ориентируются на практике под углом 10-60° к стенкам изложницы, хотя теоретически этот угол может составлять и 90°.

Поэтому для перевода дендритной структуры в деформированную, т.е. волокнистую, например, в процессе ковки, штамповки, протяжки, осадки и т.д. необходимо отклонить оси первого порядка дендритов в направлении действия максимальной деформации, воздействуя при этом и на оси более высоких порядков.

Данные теоретические выкладки подтверждаются и полученными заявителем практическими результатами. Например, при обработке стальных слитков полный переход литой дендритной структуры в волокнистую деформированную имеет место при относительной степени деформации, равной 70%, для слитков переплавных процессов (с более плотной литой столбчатой дендритной структурой) минимально достаточной является величина относительной деформации 50%, т.е. для достижения заявляемого технического результата величина относительной деформации должна быть не менее 50%.

Заявляемый технический результат достигается только в том случае, если после достижения степени относительной деформации не менее 50%, по меньшей мере, в одном из последующих переходов нагрев осуществляют до температуры, находящейся в интервале от температуры растворения упрочняющих фаз до температуры солидуса. Это обосновывается тем, что при достижении степени деформации более 50% обеспечивается достаточно полное смятие осей дендритов высших порядков и максимальное сближение наиболее прочных осей первого порядка. То есть достигается минимальное расстояние между последними и обеспечиваются оптимальные условия для высокотемпературной диффузии химических элементов сплава и выравнивания химического состава по объему заготовки.

Минимальное время выдержки при температуре из заданного интервала не должно быть меньше 30 часов, так как автором экспериментально доказано, что, например для сталей, при температуре около 1100°С положительный эффект достигается только после 50-часовой выдержки.

Пример реализации заявляемого способа.

Сплав ВТ 18 У с характеристиками: температура растворения упрочняющих фаз - 1060°С; температура солидуса - 1540°С.

Пруток сплава ВТ 18 У диаметром 25 мм, имеющий по данным микроконтроля следы ликвации химических элементов слитка, был использован при производстве заготовок лопаток ротора компрессора высокого давления по ранее известной технологии, включающей операции высадки, штамповки, термической обработки и травления. При операции механической протяжки замка лопаток имела место волнистость поверхности и потребовались дополнительные операции полировки.

То есть химическая неоднородность слитка осталась в прутке и штамповке лопатки, несмотря на неоднократные нагревы и деформацию заготовки.

Другая часть заготовок из этой партии сначала за четыре перехода была деформирована на 95% и загружена в нагревательную вакуумную печь с температурой 1100°С и выдержана при этой температуре 48 часов. После охлаждения из этой партии прутков из них были изготовлены заготовки лопаток по той же технологии. Затруднений и дефектов при обработке замков лопаток не наблюдалось. Контроль показал отсутствие ликвационных “шнуров” в замках лопаток.

Изобретение относится к обработке давлением металлических сплавов, преимущественно, в виде слитков и может быть использовано при изготовлении изделий, в том числе ответственного назначения, в различных областях техники, например, в авиации, машиностроении. Сплав нагревают и деформируют за несколько переходов до достижения степени деформации не менее 50%. Затем по меньшей мере в одном из последующих переходов деформирования сплав нагревают до температуры Т, которую определяют из следующего диапазона: Т_р ≤ Т ≤ Т_с, где Т_р - температура растворения упрочняющих фаз, Т_c - температура солидуса. Сплав выдерживают при данной температуре не менее 30 часов. В результате обеспечивается получение изделий с высокими эксплуатационными характеристиками за счет достижения оптимальной структуры и физико-механических свойств во всем объеме заготовки.

Способ обработки металлического сплава давлением, включающий его нагрев и деформацию за несколько переходов, отличающийся тем, что сплав деформируют до достижения степени относительной деформации не менее 50%, после чего по меньшей мере в одном из последующих переходов нагревают до температуры Т_р ≤ Т ≤ Т_с, где Т_р - температура растворения упрочняющих фаз, Т_c - температура солидуса, с выдержкой при данной температуре не менее 30 ч.