СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2009 года по МПК C22F1/18 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления баллонов, корпусов, обтекателей, обшивки, оболочек, днищ.

Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий:

- нагрев до температуры (1050-1200)°С (Т_пп+120÷Т_пп+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (Т_пп - 80)°С;

- нагрев до температуры (880-1050)°С (Т_пп-50÷Т_пп+120)°С, охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (Т_пп - 180)°С, где Т_пп=920°С (Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. «Полуфабрикаты из титановых сплавов». М., ОНТИ ВИЛС, 1996 г., с.371).

Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий нагрев в β-области выше температуры полиморфного превращения, деформацию в процессе охлаждения до температуры на (30-70)°С ниже температуры полиморфного превращения, охлаждение, повторный нагрев в двухфазной области, повторную деформацию в этой области в процессе охлаждения, повторное охлаждение, окончательный нагрев в двухфазную область, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств деформацию проводят в β- и (α+β)-областях с одинаковой степенью (40-60)%, повторный нагрев осуществляют до температуры на (20-40)° ниже температуры полиморфного превращения, повторную деформацию проводят со степенью (25-35)% при охлаждении до температуры на (100-130)°С ниже температуры полиморфного превращения, повторное охлаждение после деформации осуществляют до температуры на (180-280)°С ниже температуры полиморфного превращения, после чего дополнительно повторяют последний цикл нагрева и деформации в процессе охлаждения в тех же условиях, а охлаждение после деформации в этом цикле проводят до комнатной температуры, окончательный нагрев осуществляют до температуры на (100-300)°С ниже температуры полиморфного превращения (а.с. СССР №1740487).

Недостатком известных способов является низкий уровень трещиностойкости при пониженном пределе прочности, пониженная технологическая пластичность при деформации титановых сплавов, обработанных данными способами.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому является способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию в процессе охлаждения до температуры ниже температуры полиморфного превращения, в котором термомеханическую обработку проводят в шесть стадий, при этом на первых пяти стадиях осуществляют:

- нагрев до температуры (T_пп+120÷Т_пп+270)°С, деформацию со степенью 50-70% при охлаждении до (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+160)°С, деформацию со степенью 40-60% при охлаждении до (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 10-30% при охлаждении до (Т_пп-140÷Т_пп-160)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 40-60% при охлаждении до (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

- нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_ПП+50)°С, деформацию со степенью 30-70% при охлаждении до (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

затем на шестой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-400÷Т_пп-500)°С с выдержкой в течение (5-20) ч, где Т_пп - температура полиморфного превращения (патент РФ №2219280).

Титановые сплавы, обработанные данным способом, имеют пониженные характеристики трещиностойкости, предела прочности и технологической пластичности при обработке давлением.

Технической задачей изобретения является повышение уровня трещиностойкости

(К_С ^усл) при одновременном повышении предела прочности (σ_В) и повышение допустимой степени деформации (ε).

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложены способы термомеханической обработки титановых сплавов, включающие многократный нагрев до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию, в которых термомеханическую обработку проводят в десять стадий, при этом:

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+270)°С, деформацию со степенью 60-90%;

на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+70÷Т_пп+200)°С, деформацию со степенью 50-70%;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-40%;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 30-60%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-50%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 40-70%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 30-70%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-70÷Т_пп+70)°С, деформацию со степенью 40-90%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-220)°С, деформацию со степенью 30-70%, повторяют четыре раза;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-270)°С, деформацию со степенью 2-10%, где Т_пп - температура полиморфного превращения.

После десятой стадии может проводится старение при температуре (Т_пп-320÷T_пп-520)°С с выдержкой 2-10 часов, или перед старением может проводиться закалка при температуре (Т_пп-120÷Т_пп-230)°С с охлаждением в воде или на воздухе.

В результате проведения термомеханической обработки в десять стадий при изготовлении листов, в том числе тонких, достигается высокое качество как по состоянию поверхности, так и по созданию сверхмелкозернистой структуры с нанодисперсными упрочняющими частицами α-фазы в β-матрице.

Создание однородного структурно-фазового состояния и гомогенного химического состава на первых семи стадиях при изготовлении сляба и получении сверхмелкозернистой структуры с восьмой по десятую стадиях прокатки листов обеспечивает получение высокой технологической пластичности и сочетания высокой трещиностойкости при высокой прочности.

Примеры осуществления

Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ23Л и ВТ19-1, обработанные предлагаемым способом (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям.

Пример 1

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+170)°С, деформацию со степенью 60%;

на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+70)°С, деформацию со степенью 50%;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 20%;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформацию со степенью 30%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 20%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформацию со степенью 40%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 30%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-70)°С, деформацию со степенью 40%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-170)°С, деформацию со степенью 30%, повторяют четыре раза;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-170)°С, деформацию со степенью 2%.

Пример 2

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+270)°С, деформацию со степенью 90%;

на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+200)°С, деформацию со степенью 70%;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 40%;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 60%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 50%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 70%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 70%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+70)°С, деформацию со степенью 90%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-220)°С, деформацию со степенью 70%, повторяют четыре раза;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-270)°С, деформацию со степенью 10%;

затем - старение при температуре (Т_пп-420)°С с выдержкой 6 часов.

Пример 3

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+220)°С, деформацию со степенью 70%;

на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+120)°С, деформацию со степенью 60%;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 30%;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+40)°С, деформацию со степенью 50%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 40%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+40)°С, деформацию со степенью 60%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию со степенью 50%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-10)°С, деформацию со степенью 70%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-200)°С, деформацию со степенью 50%, повторяют четыре раза;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-230)°С, деформацию со степенью 5%;

затем проводят закалку при температуре (Т_пп-170)°С с охлаждением в воде или на воздухе и старение при температуре (Т_пп-420)°С с выдержкой 6 часов.

В таблице представлены механические свойства титановых сплавов, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу.

Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволит повысить уровень трещиностойкости (К_С ^усл) на 30% при одновременном повышении предела прочности (σ_В) на 25% и повысить допустимую степень деформации (ε) на 100%.

Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу конструкций на 25%, повысить их надежность работы, повысить технологичность изготовления.

Таблица Способ ВТ23Л (Т_пп=920°С) ВТ 19-1 (Т_пп=780°С) σ_В (МПа) К_С ^усл (МПа·м^1/2) ε (%) σ_В (МПа) К_С ^усл (МПа·м^1/2) ε (%) 1 1520 170 75 1450 130 85 2 1550 160 70 1480 121 75 3 1530 164 72 1470 117 77 4 1200 ПО 30 1150 90 40

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления баллонов, корпусов, обтекателей, обшивки, оболочек, днищ. Для повышения уровня трещиностойкости при одновременном повышении предела прочности и повышения допустимой степени деформации термомеханическую обработку сплава проводят в десять стадий. На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+270)°С, деформацию со степенью 60-90%, на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+70÷Т_пп+200)°С, деформацию со степенью 50-70%, на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-40%, на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 30-60%, на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-50%, на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 40-70%, на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 30-70%, на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-70÷Т_пп+70)°С, деформацию со степенью 40-90%, на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-220)°С, деформацию со степенью 30-70%, повторяют четыре раза, на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-270)°С, деформацию со степенью 2-10%, где Т_пп - температура полиморфного превращения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения и деформации, отличающийся тем, что термомеханическую обработку проводят в десять стадий, при этом на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+170÷Т_пп+270)°С, деформацию со степенью 60-90%, на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+70÷Т_пп+200)°С, деформацию со степенью 50-70%, на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-40%, на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 30-60%, на пятой стадии - нагрев до температуры
(Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-50%, на шестой стадии - нагрев до температуры
(Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 40-70%, на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 30-70%, на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-70÷Т_пп+70)°С, деформацию со степенью 40-90%, на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-220)°С, деформацию со степенью 30-70%, повторяют четыре раза, на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-170÷Т_пп-270)°С, деформацию со степенью 2-10%, где Т_пп - температура полиморфного превращения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после десятой стадии проводят старение при температуре (Т_пп-320÷Т_пп-520)°С с выдержкой 2-10 ч.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что перед старением проводят закалку с температуры (Т_пп-120÷Т_пп-230)°С с охлаждением в воде или на воздухе.