СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2017 года по МПК B23K20/18 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 технологического процесса сверхпластической 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 получения стабильно заданной структуры материала в изделиях массового производства является использование эффекта сверхпластичности при формовке титановых сплавов.

В течение последних десятилетий был достигнут значительный прогресс в изучении сверхпластичности титановых сплавов. Вследствие этого в литературе было опубликовано много примеров успешной формовки сплавов Ti-6Al-4V (Российский аналог ВТ6). В настоящее время установлено, что эти сплавы могут стать сверхпластичными при деформации при 926°С, скорости деформации 2⋅10^-4 с^-1, размере зерна меньше 10 мкм и небольших давлениях инертного газа аргона (порядка 1…4 МПа). Сплавы Ti-6Al-4V (ВТ6) имеют хорошую коррозионную стойкость, высокую удельную прочность, а также отличное сопротивление усталости и сопротивление на излом. Эти свойства идеально подходят для материалов, которые могут быть использованы в авиационно-, ракетно-космическом машиностроении.

Однако, чтобы сделать эти сплавы коммерчески более привлекательными, необходимо понизить температуру сверхпластической деформации (формовки), что обеспечивает существенное снижение энергозатрат, уменьшение времени технологического процесса, увеличение количества изготавливаемых деталей и т.д. Для этого могут быть использованы элементы, такие как Fe, Ni, Со, Mo и V.

В данном конкретном случае не было изучено влияние деформации, скорости и температуры на величину фазы и ее последующий рост в процессе сверхпластической формовки. Кроме того, микроструктурные особенности этих сплавов не были исследованы должным образом. Во время сверхпластической деформации (формовки) происходит микроструктурная эволюция. Такая эволюция оказывает существенное влияние на механические свойства Ni модифицированного сплава Ti-6Al-4V (ВТ6). Вследствие этого необходимо дополнительное экспериментирование для более детального изучения взаимосвязи между механическими свойствами и микроструктурными особенностями Ni модифицированного сплава Ti-6Al-4V (ВТ6).

Известны способы изготовления крупногабаритных штамповок из титановых сплавов (ВТ3-1, ВТ6, ВТ22 и др.) методом сверхпластической деформации (А.С. СССР 1577378, C22F 1/04, 1988; А.С. СССР 1759583, B23K 20/14, 1990; патент США №3996019, 1980; патент США №4361262, 1986 и др.)

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 применяемая технология получения титановых заготовок из сплава Ti-6Al-4V (ВТ6) не позволяет добиться необходимой прочности готовых изделий (коррозионная стойкость, высокая удельная прочность, сопротивление на излом). Это связано с тем, что для Ni модифицированного сплава Ti-6Al-4V (ВТ6) эффективное динамическое изменение фазового размера происходит неравномерно для обеих α- и β-фаз, так как объемная доля β-фазы возрастает с повышением температуры и она значительно мягче α-фазы.

Технической задачей является улучшение механических свойств готовых изделий (шпангоуты, обтекатели, люки, элементы оперения) из Ni модифицированного сплава ВТ6 за счет улучшения морфологии и реологических характеристик исходного материала.

Способ осуществляется следующим образом. Изготавливают детали из титанового сплава ВТ6 методом сверхпластической деформации (формовки) при температуре 926°С и заданной скорости деформации. Предварительно производят электролитическую Ni модификацию сплава, после достижения температуры 926°С, соответствующей температуре рекристаллизации титанового сплава ВТ6, его охлаждают, а формовку производят при температуре 815°С и скорости деформации 2⋅10^-3 c^-1 до достижения равного соотношения α- и β-фаз микроструктуры сплава.

Экспериментальные исследования показали, что использование легирующих элементов, таких как Fe, Ni, Со, Mo и V, не только уменьшает оптимальную температуру формовки, но и увеличивает объемную долю хорошо деформируемой β-фазы. Наличие такой β-фазы необходимо для сверхпластической формовки (α+β) - титановых сплавов. Так как объемная доля β-фазы увеличивается, то напряжение текучести уменьшается при всех скоростях деформации. Уменьшение напряжения текучести может быть вызвано увеличением количества более мягкой β-фазы, что создает условия для зернограничного проскальзывания (скольжения). Также при этом существенно снижается образование полостей. При этом размер и структура α-фазы не сильно меняется во время сверхпластической деформации, она остается относительно мелкой и равноосной. Это связано с низкой диффузионной способностью α-фазы.

Изобретение может быть использовано для изготовления методом сверхпластической деформации ответственных силовых деталей из титанового сплава ВТ6, в частности шпангоутов, люков, обтекателей. Предварительно проводят электролитическую модификацию сплава никелем. Нагревают сплав до температуры 926°C, а газовую формовку осуществляют при температуре 815°C и скорости деформации 2⋅10^-3 с^-1 до достижения равного соотношения α- и β-фаз микроструктуры сплава. Способ обеспечивает улучшение механических свойств готовых изделий за счет улучшения морфологии и реологических характеристик исходного материала.

Способ изготовления деталей из титанового сплава ВТ6 методом сверхпластической деформации, включающий газовую формовку деталей при заданных температуре и скорости деформации, отличающийся тем, что предварительно проводят электролитическую модификацию сплава никелем, затем нагревают его до температуры 926°C, а газовую формовку осуществляют при температуре 815°C и скорости деформации 2⋅10^-3 с^-1 до достижения равного соотношения α- и β-фаз микроструктуры сплава.