СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2017 года по МПК B21D26/55 C22F1/18 

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

Задача получения определенного распределения структуры материала по объему изделия 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 эффекте сверхпластичности, позволяет существенно расширить область применения новых титановых сплавов.

Титановые сплавы классифицируются по различным признакам. Наиболее распространена классификация по фазовому составу [Металлография титановых сплавов / Под. ред. С.Г. Глазунова, Б.А. Колачева. - М.: Металлургия, 1980; Б.К. Вульф. Термическая обработка титановых сплавов. М.: Металлургия, 1969]. Она наиболее подходит для анализа реологических свойств сплавов и включает:

1) α-сплавы, структура которых представлена α-фазой;

2) псевдо - α-сплавы, структура которых представлена α-фазой и небольшим количеством β-фазы или интерметаллидов (не более 5%);

3) (α+β)-сплавы, структура которых представлена α- и β-фазами. Сплавы этого типа могут содержать небольшое количество интерметаллидов (до 1%);

4) псевдо - β-сплавы со структурой, представленной одной β-фазой после закалки или нормализации из β-области. Структура этих сплавов в отожженном состоянии представлена α-фазой и большим количеством β-фазы;

5) β-сплавы, структура которых представлена термодинамически стабильной β-фазой;

6) сплавы на основе интерметаллидов.

Сплавы α-класса (ВТ1, ВТ1-0, ВТ5 и др.) легируют алюминием и нейтральными упрочнителями (олово и цирконий). Сплавы этого класса по сравнению с титаном отличаются повышенной прочностью и жаропрочностью, высокой термической стабильностью, малой склонностью к хладоломкости, хорошей свариваемостью. Хорошая свариваемость α-сплавов обусловлена их однофазной структурой даже при значительном содержании алюминия, в связи с чем металл шва и околошовной зоны не охрупчивается. Титановые α-сплавы термически не упрочняются - единственный вид термоочистки - полный отжиг (для достаточного снятия нагартовки) или неполный (для снятия остаточных напряжений).

Псевдо α-сплавы (ОТ4, ОТ4-1, ОТ4В и др.) содержат небольшие количества алюминия и малые концентрации β-стабилизаторов, что позволяет сохранить при обработке давлением высокую технологичность. Эти сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки. Псевдо - α-сплавы термически не упрочняются, их применяют в отожженном состоянии.

Сплавы (α+β)-класса (ВТ6, ВТ6С, ВТ8, ВТ14, ВТ23 и др.) обладают широким диапазоном свойств, так как они включают в себя материалы, содержащие в отожженном состоянии примерно от 5 до 60% β-фазы. Большие возможности регулирования свойств этих сплавов определяются не только растворным упрочнением α- и β-фаз, но и их способностью к термическому упрочнению путем закалки и старения. Механические свойства сплавов (α+β)-класса очень чувствительны к типу и параметрам микроструктуры. Для обеспечения высокого уровня пластичности и сопротивления циклическим нагрузкам необходимо стремиться к равноосной мелкозернистой структуре.

Псевдо - β-титановые сплавы (ВТ35, ВТ19, ВТ32 и др.) относятся к высоколегированным сплавам, в которых суммарное содержание легирующих элементов доходит до 25% и более. К преимуществам этих сплавов относят:

1) высокую технологичность в закаленном состоянии, что позволяет осуществлять некоторые операции обработки давлением даже при комнатной температуре;

2) большой эффект термического упрочнения, что связано с высокой степенью пересыщения закаленной - фазы легирующими элементами (Mo, Cr, Zr, V);

3) высокую глубину прокаливаемости;

4) высокую вязкость разрушения при значительных прочностных характеристиках;

5) высокое сопротивление усталости.

Известны способы изготовления крупногабаритных штамповок из титановых сплавов (ВТ3-1, ВТ6, ВТ22, ВТ23 и др.) методом сверхпластической деформации (АС СССР 1577378, C22F 1/04, 1988; АС СССР 1759583, В23К 20/14, 1990; патент Великобритании №1301987, 1978).

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

Недостатком данного способа является то, что при использовании титановых заготовок из сплава ВТ8 (лопатки, диски, рабочие колеса компрессоров и т.д.) применяемая технология не позволяет добиться необходимой прочности готовых изделий (ударная вязкость, трещиностойкость, неоднородность). Это связано с тем, что пластины одной α-колонии деформируются идентично, а динамическая полигонизация и динамическая рекристаллизация в β-фазе при температурах (α+β)-области происходят легче, чем в α-фазе при тех же условиях.

Технической задачей является улучшение механических свойств титановых заготовок из сплава ВТ8 (лопатки, диски, рабочие колеса компрессоров) за счет улучшения морфологии и реологических характеристик исходного материала.

Способ осуществляется методом сверхпластической деформации, включающий газовую формовку деталей из высокопрочного титанового сплава ВТ8 при температурах от 870° до 1000°С.

Далее проводят последовательно, в три этапа, термическую обработку. Первая (низкотемпературная) проводится при температуре от 600° до 650°C, при которой происходит выделение силицидов титана из пересыщенных твердых растворов α- и β-фаз.

Вторая - происходит при температуре от 850°C, которая характеризуется превращением фазового состава из α- в β-.

Третий - происходит при температуре 950°…1100°C. При температуре 1100°C фазовый состав сплава представлен только β-фазой.

Таким образом, из-за того что чувствительность титановых сплавов к типу и параметрам структуры позволяет на одном сплаве получать различное сочетание прочностных, пластических и служебных свойств других сплавов, т.е. применяя трехступенчатую термическую обработку сплава ВТ8, можно заменять высоколегированные сплавы псевдо - β-класса (ВТ19, ВТ32, ВТ35 и др.), которые необычайно дороги в производстве, термически нестабильны из-за высокой плотности, имеют большой разброс механических свойств.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для оптимизации технологического процесса сверхпластической формовки ответственных силовых деталей. Изобретение позволяет улучшить прочностные характеристики деталей из титанового сплава ВТ8. Изготавливают силовые элементы из титанового сплава ВТ8. Далее последовательно проводят в три этапа термическую обработку. Первую проводят при температуре от 600° до 650°C, при которой происходит выделение силицидов титана из пересыщенных твердых растворов α- и β-фаз. Вторую проводят при температуре от 850°C, которая характеризуется превращением фазового состава из α- в β-. Третью проводят при температуре от 950° до 1100°C. При температуре 1100°C фазовый состав сплава представлен только β-фазой.

Способ изготовления деталей из титановых сплавов методом сверхпластической деформации, включающий газовую формовку деталей при температурах от 870° до 1000°С, отличающийся тем, что после газовой формовки детали подвергают термической обработке при температуре от 600° до 650°С до выделения силицидов титана из перенасыщенных твердых растворов α- и β-фаз, с последующей термообработкой при температуре более 850°С до превращения фазового состава α- в β-фазу с переходом в третий этап термической обработки при температуре от 950° до 1100°С до обеспечения β-фазы.