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 космической и ракетной технике для создания конструкций, работающих при повышенных температурах.

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 также способ термомеханической обработки, применяемый при изготовлении изделий из 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, в котором 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°С 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 известного способа является низкий уровень длительной прочности титановых сплавов при 500-700°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформации в процессе охлаждения до температуры ниже температуры полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, в котором термомеханическую обработку проводят в шесть стадий, при этом на первых пяти стадиях осуществляют:

- нагрев до температуры (T_пп+120÷Т_пп+270)°C, 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)°C;

- 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 (T_пп-400÷T_пп-500)°С с выдержкой в течение 5-20 часов, где Т_пп - температура полного полиморфного превращения (патент РФ №2219280).

Сплав, обработанный этим способом, имеет пониженную длительную прочность (60-600 сек) при температуре 500-700°С.

Технической задачей изобретения является повышение длительной прочности изделий из титановых сплавов при температуре 500-700°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки титановых сплавов, отличающийся тем, что ее осуществляют в десять стадий, при этом:

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+280÷Т_пп+350)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 30-70% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+130)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 55-80%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 30-40%;

затем на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-360÷Т_пп-500)°С с выдержкой 5-20 часов, где Т_пп - температура полиморфного превращения;

при этом от двух до четырех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по седьмую, проводят с изменением направления деформации на 90°.

В процессе деформации после первых двух нагревов при температуре выше полиморфного превращения (β-область) с последующим охлаждением и изменением направления деформации при чередовании осадки и вытяжки происходит создание изотропной структуры, усреднение химического состава и уплотнение сплава путем ликвидации пустот, раковин, рыхлот и других дефектов литья. Изменение направления деформации, в отличие от деформации в одном направлении позволяет ликвидировать различно ориентированные дефекты, достигнуть более однородного химического состава и создать изотропную структуру. При последующих нагревах и деформациях происходит создание однородного структурного и фазового состояния за счет трех фазовых перекристаллизаций, заключающихся в деформации в α+β-области на третьей, пятой и седьмой стадиях и нагреве в β-области на четвертой, шестой и восьмой стадиях. В процессе деформации в α+β-области более интенсивная деформация проходит в зонах с меньшей величиной зерна, а при нагреве в β-области более интенсивно в этих зонах идет процесс рекристаллизации и рост зерен. В других зонах с более крупным зерном, деформация идет менее интенсивно, и с меньшей скоростью идет процесс рекристаллизации. Таким образом происходит выравнивание структуры. При трех фазовых перекристаллизациях достигается создание однородной сверхмелкозернистой структуры.

Заготовка с такой структурой имеет малую глубину окисления по границам зерен, а следовательно, требует меньшей глубины механической обработки поверхности перед прокаткой плит на восьмой и девятой стадиях.

Деформация при прокатке на девятой стадии в α+β-области обеспечивает измельчение внутризеренной структуры и создание прерывистости и зубчатости границ.

При последней десятой стадии обработки (старении) достигается распад метастабильных фаз и дисперсионное упрочнение.

Выполнение десяти стадий обработки обеспечивает получение высокого комплекса стабильных механических свойств при повышенных температурах.

Примеры осуществления

Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ-23 и ВТ-43, обработанные предлагаемым способом термомеханической обработки (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям. Результаты испытаний приведены в таблице.

Пример 1

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+280)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-40)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка - вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+100)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка - вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

На первой и второй стадиях все четыре этапа деформации проводят в процессе непрерывного охлаждения.

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию осадкой со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию осадкой со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

С третьей по седьмую стадию, направление деформирования изменяют путем поворота (кантовки) заготовки на 90°.

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+100)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 55%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 30%;

на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-360)°С выдержку 5 часов, охлаждение, где Т_пп - температура полиморфного превращения.

Пример 2

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+350)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка -вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-180)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка - вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

На первой и второй стадиях все четыре этапа деформации проводят в процессе непрерывного охлаждения.

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 70% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

С третьей по седьмую стадию, направление деформирования изменяют путем поворота (кантовки) заготовки на 90°.

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+130)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 80%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 40%;

на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-500)°С, выдержку 20 часов, охлаждение, где Т_пп - температура полиморфного превращения

Пример 3

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+310)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-70)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка - вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+130)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-140)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка - вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

На первой и второй стадиях все четыре этапа деформации проводят в процессе непрерывного охлаждения.

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-35)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-35)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры и температурой конца деформации (Т_пп-120)°С;

С третьей по седьмую стадию, направление деформирования изменяют путем поворота (кантовки) заготовки на 90°.

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+120)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 70%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 35%;

на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-450)°С, выдержку 10 часов, охлаждение, где Т_пп - температура полиморфного превращения.

Предлагаемый способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов позволяет повысить предел длительной прочности (за 30, 150 и 300 секунд) при температурах 500, 600 и 700°C на 30-45%, за счет повышения однородности структурно-фазового состояния и многофазного упрочнения.

Применение предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу изделий на 55-70% и повысить полезную нагрузку летательных аппаратов, а также повысить эксплуатационную надежность при температурах 500-700°С за счет повышения длительной прочности на 50-70%.

Таблица σ_{30 сек} σ_{150 сек} σ_{300 сек} Сплав ВТ 23, Т_пп=920°С   500° 600° 700° 500° 600° 700° 500° 600° 700° 1 1200 720 280 1150 680 220 1100 630 190 2 1220 735 290 1170 690 225 1140 640 198 3 1230 748 295 1190 695 227 1150 644 203 4 920 530 225 870 470 180 840 450 155 Сплав ВТ 43, Т_пп=910°С 1 1270 750 310 1170 720 230 1150 650 210 2 1278 759 312 1176 726 235 1158 657 217 3 1282 764 317 1183 734 237 1162 659 221 4 935 542 238 895 490 195 850 455 158

Изобретение может быть использовано в космической и ракетной технике для создания конструкций, изготовленных из плит и работающих при повышенных температурах. Термомеханическую обработку проводят в десять стадий с многократными нагревами до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения и деформацией в процессе охлаждения до температуры ниже полиморфного превращения. Некоторые стадии обработки проводят с изменением направления деформации при чередовании осадки и вытяжки, что позволяет ликвидировать различно ориентированные дефекты, достигнуть более однородного химического состава и создать изотропную структуру. Выполнение десяти стадий обработки обеспечивает получение высокого комплекса стабильных механических свойств при повышенных температурах. Способ позволяет снизить массу деталей на 30-45% и повысить полезную нагрузку летательных аппаратов, а также повысить эксплуатационную надежность. 1 табл.

Способ термомеханической обработки титановых сплавов, отличающийся тем, что ее осуществляют в десять стадий, при этом
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+280÷Т_пп+350)°С, где Т_пп - температура полиморфного превращения, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;
на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;
на четвертой стадии - нагрев до температуры (T_пп+20÷Т_пп-50)°C, деформацию протяжкой со степенью 30-70% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°C;
на восьмой стадии - нагрев до температуры (T_пп+100÷Т_пп+130)°C, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 55-80%;
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 30-40%;
на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-360÷Т_пп-500)°С с выдержкой 5-20 ч, затем охлаждение;
при этом от двух до пяти деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по седьмую, проводят с изменением направления деформации на 90°.