СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2015 года по МПК B23K20/14 B21D26/55 

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам получения деталей или изделий с регламентируемой структурой, и может быть использовано для оптимизации технологического процесса сверхпластической формовки изделий сложной формы.

Задача получения определенного распределения структуры материала по объему изделия (например, однородного) решается обычно на основании большого практического опыта и результатов специально проводимых экспериментов. Одним из успешно применяемых путей стабильного получения заданной структуры материала в изделиях массового производства является использование эффекта сверхпластичности.

Титановые сплавы, обладающие высокой удельной конструкционной прочностью и коррозионной стойкостью, используются для изготовления широкой номенклатуры изделий, а технологический процесс, основанный на сочетании сверхпластической формовки с диффузионной сваркой (СПФ/ДС) позволяет существенно расширить область применения новый титановых сплавов.

Сравнительно невысокий модуль упругости титана и его сплавов в некоторых случаях может рассматриваться как преимущество, поскольку позволяет, например, снизить величину напряжений, возникающих при знакопеременных нагрузках, а также величину термических напряжений при нагреве (охлаждении) изделий, полиморфизм титана, хорошая растворимость в нем многих элементов, образование химических соединений с переменной растворимостью - все это позволяет получить на основе титана большое количество сплавов с разнообразной структурой и свойствами.

Известны результаты исследований сверхпластичности титановых сплавов различного состава [Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов М.: Металлургия, 1984; Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов под ред. Н. Пейтона и Г. Гамильтона, пер. с англ. - М.: Металлургия, 1985], эти данные подтверждают, что СПД (сверхпластическая деформация) в титановых сплавах наблюдается в (α+β)-области. Показано, что в двухфазном состоянии обеспечиваются условия стабильности ультрамелкозернистой структуры сплавов.

Вместе с тем высокая чувствительность титановых сплавов к типу и параметрам структуры позволяет на одном сплаве получать различные сочетания прочностных, пластических и служебных свойств. Поставка титановых сплавов со строго регламентированной структурой, обеспечивающей повышенный уровень того свойства, которое является определяющим в данном конкретном применении, может быть весьма полезна. Поэтому установление связей конкретных механических свойств (кратковременные свойства, сопротивление усталости и ползучести, характеристики жаропрочности и т.п.) с типом и параметрами структуры является актуальным и практически важным.

Для недеформированного титанового сплава при нагреве до температур (α+β)-области характерна пластинчатая структура: крупное β-зерно, окаймленное по границам прослойкой α-фазы; внутризеренные объемы расчленены α-пластинами, организованные в α-колонии, соседние α-пластины разделены прослойками β-фазы, относительная толщина которых определяется фазовым составом и существенно зависит от температуры нагрева.

При обработке в температурном интервале (α+β)-области α- и β-фазы сосуществуют в соизмеримых количествах и подвергаются деформации одновременно, в результате чего β-зерна и α-пластины изгибаются, стремятся вытянуться вдоль направления течения металла, образуя волокнистую структуру.

Степень изменения формы внутризеренных α-пластин и приграничных прослоек α-фазы определяется их исходной ориентацией по отношению к направлению течения металла. Наибольшее формоизменение происходит с пластинами, расположенными перпендикулярно этому направлению - они сминаются в «гармошку». При значительной степени (α+β)-деформации (более 60%) приграничные α-прослойки, по положению которых можно судить о форме исходных деформированных β-зерен при металлографическом исследовании, становятся неотличимыми от деформированных внутризеренных α-пластин.

Скорость деформации для обеспечения состояния структуры сверхпластичности должна быть, с одной стороны, достаточно малой, чтобы успевали в полном объеме протекать диффузионные процессы, участвующие в деформации, с другой стороны, достаточно высокой, чтобы в условиях повышенных температур не допустить значительного роста зерен. Поэтому оптимальный интервал скоростей деформации, соответствующий структурной сверхпластичности, зависит от исходного размера зерна и для металлов с ультрамелкозернистой структурой (L_cp=1…10 мкм) он находится в пределах 10^-3…10^-5 с^-1.

Известны способы изготовления лопаток компрессора из титановых эвтектоидных сплавов (ВТ3-1, ВТ6, ВТ22 и др.) методом СПФ/ДС (А.с. СССР №1577378, C22F 1/04, 1988, А.с. СССР №1759583, B23K 20/14, 1990, патент Великобритании №1301987, 1978, патент США №4582244, 1985, патент США №3927817, 1975.

Наиболее близким по набору существенных признаков является техническое решение по European Patent №0568201, 1993 г., которое было принято авторами за ближайший аналог.

Недостатком данного способа является то, что при использовании титановых заготовок из сплава Ti-6Al-4V (аналог ВТ6) применяемая технология изготовления лопаток компрессора не позволяет добиться необходимой прочности готовых изделий (ударная вязкость, предел выносливости, длительная прочность, появление неоднородности и т.д.). Это связано с тем, что при повышении температуры сопротивление деформации титановых сплавов существенно снижается и увеличивается пластичность. Однако при использовании обычной горячей деформации вследствие ее неравномерности и неоднородности в сплавах образуются так называемые зоны интенсивного течения, приводящие к резко выраженной макро- и микроструктурной неоднородности.

Целью настоящего изобретения является улучшение механических свойств лопаток компрессора из титанового сплава ВТ6 (прочность и пластичность, усталостная прочность, жаропрочность, вязкость разрушения и др.) за счет значительного сокращения микроструктурной неоднородности фазового превращения сплава ВТ6.

Способ осуществляют следующим образом.

Для изготовления лопаток компрессора по разработанной ранее технологии изготавливают слитки из партии высокопрочного титанового сплава ВТ6 на основе эвтектоидной системы легирования. Далее проводят горячую сверхпластическую деформацию (газовая формовка на основе эффекта сверхпластичности титановых сплавов) при температуре от 870 до 1000°C и скорости деформации 10^-4 с^-1. Затем проводят термическую обработку готовых лопаток компрессора из титанового сплава ВТ6 по экспериментальным режимам. С целью оптимизации параметров температура варьировалась от 870 до 950°C и продолжительность выдержки как при гомогенизации, так и при старении от 450 до 600°C.

Таким образом, сверхпластичность может быть реализована при различных температурных режимах: в процессе монотонно изменяющейся температуры, проходящей через интервал прямого (при нагреве) или обратного (при охлаждении) превращения; при термоциклировании в пределах температурной амплитуды, включающей интервал температур превращения; при фиксированной температуре вблизи температурного интервала превращения, т.е. температура деформируемого материала, так же как и его структура, претерпевает значительные изменения, при деформации в режиме сверхпластичности, связанной с фазовым превращением.

Проведенное металлографическое исследование микроструктуры сплава показало, что микроструктура мелкая (порядка 2…6 мкм), равноосная, с первичными зернами интерметаллической фазы. Таким образом показано, что существует возможность эффективного управления посредством термической обработки микроструктуры сплава, за счет относительного содержания морфологии вторичных интерметаллических выделений β-фазы твердого раствора, тем самым улучшая механические свойства готовых лопаток компрессора (ударная вязкость, предел выносливости, жаропрочность и т.д.).

Изобретение может быть использовано при изготовлении сверхпластической формовки изделий сложной формы, в частности лопаток компрессора. Изготавливают лопатки компрессора из высокопрочного титанового сплава ВТ6 на основе эвтектоидной системы легирования. Производят горячую деформацию газовой формовкой с использованием эффекта сверхпластичности при температуре от 870°C до 1000°C и скорости деформации 10^-4 с^-1. Проводят термическую обработку готовых лопаток компрессора при температуре от 870 до 950°C с продолжительностью выдержки при гомогенизации и старении от 450 до 600°C. Изобретение обеспечивает оптимизацию технологического процесса при улучшении механических свойств лопаток, а именно прочности, жаропрочности, вязкости разрушения.

Способ изготовления лопаток компрессора из титанового сплава ВТ6 методом сверхпластической деформации, включающий газовую формовку деталей лопатки при температуре от 870 до 1000°C и скоростях деформации 10^-4c^-1 и термическую обработку готовых лопаток при температуре от 870°C до 950°C с выдержкой при гомогенизации и старении от 450 до 600°C.