СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2016 года по МПК B23K20/14 B21D26/55 

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам получения деталей или изделий с гарантированными функциональными свойствами, и может быть использовано для оптимизации технологического процесса сверхпластической формовки.

Материаловедческий подход к решению задачи о получении изделий с заданными функциональными свойствами состоит в том, чтобы создать регламентированную «подходящую» структуру в материале изделия. Этот подход основан на многочисленных систематических исследованиях связи между состоянием структуры и механическими свойствами металлов и сплавов [Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. - М.: Металлургия, 1984. - 264 с.; Аношкин Н.Ф., Белов А.Ф., Глазунов С.Г. Полуфабрикаты из титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1979. - 512 с.; Вишняков Я.Д. Материаловедение и теория технологии материалов в контексте наук о рисках и безопасности. Часть 1. Материаловедение. - 1998. - №4. - с. 36…48; №5. - с. 51…56].

Таким образом, на языке материаловедения и технологии проблема получения изделий повышенной надежности состоит в том, чтобы:

1) выделить (установить) те механические свойства материала, от которых главным образом зависит повышенная надежность изделия;

2) установить вид структуры материала, обеспечивающий наибольшие значения характеристик именно этих механических свойств;

3) получить в материале изделия структуру именно этого вида (или в определенных частях изделия структуру определенного типа);

4) в изделиях массового производства обеспечить стабильное получение структуры требуемого типа.

По типу микроструктуры все промышленные сверхпластичные сплавы можно разделить на две группы. Одна группа - сплавы с матричной структурой, в которых рост зерен основной фазы (матрицы) сдерживается частицами второй фазы, распределенными в матричной фазе. Примером сплавов этой группы являются алюминиевые сплавы 1201, 1420, В95 и др. Другая группа - сплавы с микродуплексной структурой, у которых зерна двух фаз перемещаются в пространстве и объемное соотношение фаз близко к 50%:50%. У этих сплавов максимально развита поверхность раздела двух фаз с разным типом кристаллической решетки и разным химическим составом и поэтому максимально взаимное торможение роста зерен этих фаз. Примером сплавов с микродуплексной структурой являются (α+β)-титановые сплавы ВТ1-3, ВТ6, ВТ14, ВТ22, ВТ23 и другие.

Титановые сплавы подвергают термической обработке всех видов, применяемых для сплавов на основе других металлов: отжигу разного назначения, закалке, старению и в меньшей степени, химико-термической обработке. Возможность эффективного влияния режимов термообработке на механические свойства титановых сплавов обусловлена тем обстоятельством, что полиморфное превращение β→α может происходить по двум схемам:

а) путем зарождения новых частиц α-фазы в β-матрице, что приводит к упрочнению;

б) путем роста уже существующих на первой ступени отжига части α-фазы; при этом укрупнение частиц α-фазы вызывает разупрочнение сплава.

Эти два β→α превращения могут происходить одновременно или с некоторым смещением по времени.

Температурные интервалы всех видов отжига снижаются с увеличением содержания β-стабилизаторов при неизменном содержании алюминия. При увеличении содержания алюминия температуру всех видов отжига приходится повышать, поскольку алюминий повышает температуру начала интенсивного развития возврата и рекристаллизации.

Указанные изменения формы структурных составляющих происходят под влиянием ряда последовательно протекающих процессов. В каждой из фаз при этом происходят те же процессы, что и в соответствующей однофазной области, однако присутствие второй фазы вносит в процесс формирования черты, свойственные только двухфазному состоянию.

Известны способы изготовления крупногабаритных штамповок из титановых сплавов (ВТ3-1, ВТ6, ВТ-22, ВТ-23 и др.) методом сверхпластической деформации (А.С. СССР №1577378, C22F 1/04, 1988; А.С. СССР 1759583, В23К 20/14, 1990; патент Великобритании №1301987, 1978; патент США №3927817, 1975).

Наиболее близким по набору существенных признаков является техническое решение по патенту США №3920175, 1977 г., которое было принято авторами за ближайший аналог.

Недостатком данного способа является то, что при использовании титановых заготовок из сплава ВТ22 применяемая технология изготовления особо ответственных силовых деталей (шпангоуты, силовые нервюры, балки шассийные и т.д.) не позволяет добиться необходимой прочности готовых изделий (ударная вязкость, вязкость разрушения). Это связано с тем, что динамическая полигонизация и динамическая рекристаллизация в β-фазе при температурах (α+β)-области происходит легче, чем в α-фазе при тех же условиях. Внутризеренные α-пластины расчленяют объем крупных исходных β-зерен на сравнительно мелкие и очень разные. Формирующая в таких условиях субструктура очень неоднородна.

Целью настоящего изобретения является улучшение механических свойств силовых деталей из сплава ВТ22, для которых приоритетной характеристикой материала является трещиностойкость (K_1с) за счет улучшения морфологии микроструктуры исходного материла.

Способ осуществляют следующим образом.

Для изготовления силовых деталей по разработанной ранее технологии изготавливают заготовки из высокопрочного титанового сплава ВТ22. Далее проводят горячую сверхпластическую деформацию (газовая формовка на основе сверхпластичности титановых сплавов) при температуре от 870°С до 960°С и скорости деформации 10^-3 с^-1. Затем проводят термическую обработку готовых изделий по экспериментальным режимам в (α+β)-области. С целью оптимизации параметров температура варьировалась от 860°С до 880°С.

Как и при обработке в α-области, деформация α-фазы происходит путем скольжения и двойникования. При температурах (α+β)-области каждая α-пластина изолирована от других пластин межфазной границей и имеет толщину обычно не более 2…4 мкм, что соизмеримо или даже меньше равновесного размера α-субзерна и рекристаллизированного зерна.

Чем ниже температура и выше скорость деформации, тем больше в структуре формированного сплава участков с высокой плотностью двойников деформации и нерегулярных дислокаций. При снижении скорости деформации в высокотемпературном интервале (α+β)-области успевает формироваться субзеренная структура.

Особенность деформации при температурах (α+β)-области - трансформация пластинчатой исходной структуры в глобулярную.

Проведенное металлографическое исследование микроструктуры сплава показало, что микроструктура глобулярного типа в сочетании частиц первичной α-фазы образцов, термообработанных в (α+β)-области, обеспечивают максимальный уровень пластичности и ударной вязкости, а также достаточно высокий уровень вязкости разрушения. Такая морфология микроструктуры обеспечивает максимально высокий уровень трещиностойкости K_1c, значительно превышающий уровень трещиностойкости деталей без дополнительной термообработки в (α+β)-области.

Изобретение может быть использовано для оптимизации технологического процесса сверхпластической формовки при изготовлении ответственных силовых деталей, в частности шпангоутов, силовых нервюр, балок шассийных и т.д. Осуществляют горячую газовую формовку заготовок из титанового сплава ВТ22 с использованием сверхпластической деформации при температуре от 870 до 960°С и скорости деформации 10^-3 с^-1. Готовые детали дополнительно подвергают термической обработке в (α+β)-области при температуре от 860 до 880°С. Способ обеспечивает улучшение прочностных свойств изделий из титанового сплава ВТ22, в частности трещиностойкости.

Способ изготовления деталей из титанового сплава ВТ22, включающий проведение горячей газовой формовки заготовок с использованием сверхпластической деформации, отличающийся тем, что упомянутую формовку проводят при температуре от 870 до 960°С и скорости деформации 10^-3 с^-1, а готовые детали дополнительно подвергают термической обработке в (α+β)-области при температуре от 860 до 880°С.