СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2010 года по МПК C22F1/18 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке изделий (полуфабрикатов, деталей, узлов и др.) из титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления болтов, шпилек и других крепежных деталей.

Известен способ термомеханической обработки изделий из 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-40)°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).

Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств изделий из титановых сплавов, обработанных данным способом при повышенных температурах.

Известен также способ термомеханической обработки 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 двухфазной области, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств деформацию проводят в β- и (α+β)-областях с одинаковой степенью, равной (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 механических свойств изделий из титановых сплавов, обработанных данным способом, при повышенной температуре.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию 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 (Т_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) часов, где Т_пп - температура полиморфного превращения (патент РФ №2219280).

Титановые сплавы, обработанные этим способом, обладают недостаточно высоким уровнем механических свойств в течение 60 секунд при повышенной температуре.: σ_60сек (МПа) при 400-600°С.

Технической задачей изобретения является повышение предела прочности: σ_60сек (МПа) при 400-600°С изделий, выполненных из титановых сплавов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, в котором термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий, при этом:

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+150÷Т_пп+250)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+140÷Т_пп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 25÷50% на каждом этапе деформации;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+120)°C, деформацию со степенью (20-60)%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30÷Т_пп+90)°С, деформацию со степенью (20-60)%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30÷Т_пп+80)°С, деформацию со степенью (20-70)%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20-50)%, где Т_пп - температура полного полиморфного превращения;

на десятой стадии производят нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-200)°С, охлаждение на воздухе;

на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-270÷Т_пп-550)°С, выдержка 5-20 ч.

при этом не менее трех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°.

На первой и второй стадиях термомеханической обработки происходит заваривание различно ориентированных раковин и уплотнение металла на стыках дендритов, механическое усреднение состава сплава, устранение зональной и дендритной ликвации в слитке, усреднение состава по диффузионному механизму, активизированному процессами динамической рекристаллизации.

С третьей по восьмую стадии осуществляются процессы фазовой перекристаллизации, состоящие из деформации при температуре ниже полиморфного превращения на третьей, пятой и седьмой стадиях, при котором создается повышенная плотность дислокационной структуры, и последующих нагревов при температуре β-области на четвертой, шестой и восьмой стадиях, при котором происходит образование первичных β-зерен из большого количества центров, формирующихся вокруг дислокаций. Это обеспечивает получение однородной сверхмелкозернистой β-структуры.

На девятой стадии происходит формирование внутризеренной структуры и нарушение границ β-зерен, которые становятся прерывистыми или в виде зубцов.

На десятой стадии происходит фиксация метастабильных фаз при охлаждении в воде или на воздухе.

На одиннадцатой стадии происходит распад метастабильных фаз с образованием дисперсных частиц - продуктов распада.

Таким образом в процессе одиннадцати стадий обработки достигается формирование однородного химического состава, устранение пор и других дефектов литья, формирование однородной мелкозернистой β-структуры, однородной внутризеренной регламентированной структуры и эффективного однородного дисперсионного упрочнения.

Проведение всех одиннадцати стадий термомеханической обработки обеспечивает создание сплава с высоким уровнем механических свойств.

Примеры осуществления

Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ23 и ВТ43, обработанные предлагаемым способом и способом-прототипом, которые были подвергнуты механическим испытаниям.

Пример 1

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+150)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+140)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 25% на каждом этапе деформации;

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

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;

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

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

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

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

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;

на десятой нагрев до (Т_пп-20)°С, охлаждение на воздухе;

на одиннадцатой - нагрев до температуры (Т_пп-270)°С, выдержка 5 ч.

Пример 2

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+250)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

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

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+120)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;

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

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+90)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;

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

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+80)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 70%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 50%;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-200)°С, охлаждение на воздухе;

на одиннадцатой нагрев до температуры (Т_пп-550)°С, выдержка 20 ч.

Пример 3

На первой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+200)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+200)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 35% на каждом этапе деформации;

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

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+90)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;

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

на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+70)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;

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

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

на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 30%;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-150)°С, охлаждение в воде,

на одиннадцатой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-400)°С, выдержка 12 ч.

В таблице приведены механические свойства образцов поковок и штамповок из титановых сплавов, обработанных по предлагаемому способу (1-3) и способу-прототипу (4).

Предлагаемый способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов позволит повысить предел прочности при повышенной температуре: σ_60сек (МПа) при 400-600°С на 20-25%

Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу изделий из титановых сплавов на 20-25% и повысить их полезную нагрузку.

  Способ σ_60сек при 400-600°С, (МПа) 400 500 600 ВТ23* ВТ43** ВТ23 ВТ43 ВТ23 ВТ43 1 образцы из поковок 1300 1370 1170 1177 670 778 образцы из штамповок 1320 1377 1173 1180 677 784 2 образцы из поковок 1360 1430 1182 1192 667 775 образцы из штамповок 1363 1435 1184 1193 683 794 3 образцы из поковок 1350 1410 1177 1184 674 785 образцы из штамповок 1354 1417 1181 1187 678 787 4 образцы из поковок 970 975 876 878 496 558 образцы из штамповок 977 982 880 882 491 561 * - ВТ23: Т_пп=920°С;
** - ВТ43: Т_пп=910°С

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке изделий из титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления болтов, шпилек и других крепежных деталей. Предложен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, в котором термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий. На стадии с первой по девятую осуществляют нагрев и деформацию, на десятой и одиннадцатой стадиях - нагрев, выдержку с последующим охлаждением. При этом не менее трех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°. Повышается предел прочности при 400-600°С изделий, выполненных из титановых сплавов. Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу изделий из титановых сплавов на 20-25% и повысить их полезную нагрузку. 1 табл.

1. Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, характеризующийся тем, что термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий, при этом:
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_ПП+150÷Т_ПП+250)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20-50% на каждом этапе деформации;
на второй стадии - нагрев до температуры (Т_ПП+140÷Т_ПП+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 25-50% на каждом этапе деформации;
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_ПП-20÷Т_ПП-40)°С, деформацию со степенью 20-60%;
на четвертой стадии - нагрев до температуры(Т_ПП+60÷Т_ПП+120)°С, деформацию со степенью 20-60%;
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_ПП-20÷·Т_ПП-40)°С, деформацию со степенью 20-60%;
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_ПП+30÷Т_ПП+90)°С, деформацию со степенью 20-60%;
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_ПП-20÷Т_ПП-40)°С, деформацию со степенью 20-60%;
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_ПП+30÷Т_ПП+80)°С, деформацию со степенью 20-70%;
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_ПП-20÷Т_ПП-40)°С, деформацию со степенью 20-50%;
на десятой стадии производят нагрев до температуры (Т_ПП-20÷Т_ПП-200)°С, охлаждение на воздухе;
на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т_ПП-270÷Т_ПП-550)°С, выдержку 5-20 ч, где Т_ПП - температура полного полиморфного превращения;
при этом не менее трех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на десятой стадии после нагрева охлаждение проводят в воде.