СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2017 года по МПК C22F1/18 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу обработки полуфабрикатов из титановых сплавов преимущественно с двухфазной структурой, и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении.

Известен способ термопластической обработки титановых сплавов (Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, т. 2, 1969, с. 1153), заключающийся в нагреве до температуры на 50-100°С ниже температуры полиморфного превращения, деформации со степенью 50-65%, охлаждении в воде со скоростью 3000-3600°С/мин, повторном нагреве со скоростью 60-70°С/мин до 500-550°С, выдержке 10 ч при этой температуре и окончательном охлаждении со скоростью 60-70°С/мин.

Однако после такой обработки прочностные характеристики материала остаются на невысоком уровне. Так, например, прочность при двухосном растяжении гладких образцов (σ_вд) и образцов с надрезом (σ_вд^н), а также относительное удлинение (δ) составляют 110-115, 95-100 кгс/мм² и 7-10% соответственно.

Известен также способ термомеханической обработки двухфазных титановых сплавов (Патент RU 2285740 C1, кл. C22F 1/18, опубл. 20.10.2006), заключающийся в том, что перед деформацией проводят термическую обработку, которая включает закалку с температуры полиморфного превращения минус 10°С в воду и высокотемпературное старение при температуре 675-700°С в течение 4 ч с охлаждением на воздухе, а после интенсивной пластической деформации осуществляют экструдирование заготовки в несколько проходов при температуре 300°С с коэффициентом вытяжки не менее 1,2. Такой способ обработки технически сложен в осуществлении из-за сильного упрочнения металла путем термообработки перед деформацией и не обеспечивает высоких характеристик трещиностойкости.

За прототип взят способ обработки полуфабрикатов из титановых сплавов (Авторское свидетельство SU 1154968, кл. C22F 1/18, опубл. 10.10.2015) преимущественно с двухфазной структурой, включающий нагрев в β-области, деформацию, охлаждение до температуры (α+β)-области, повторные нагрев и деформацию, окончательное охлаждение, причем с целью повышения механических свойств нагрев до температуры β-области проводят со скоростью 2-10°С/мин, затем осуществляют выдержку в течение 1-5 ч, а деформацию проводят со степенью 85-98% в процессе охлаждения до температуры на 70-200°С ниже температуры полиморфного превращения, повторный нагрев ведут со скоростью 20-30°С/мин и выдерживают в течение 3-15 мин, а повторную деформацию проводят с натяжением полуфабриката усилием 5-25 кг/см² в процессе охлаждения до температуры на 150-350°С ниже температуры полиморфного превращения.

Однако скорость роста трещины усталости после такого способа обработки полуфабрикатов из титановых сплавов находится на недостаточном уровне.

Техническим результатом является повышение трещиностойкости материала, а именно снижение скорости развития и распространения трещин.

Технический результат достигается способом обработки полуфабрикатов из титановых сплавов с двухфазной структурой, включающим нагрев в β-области и деформацию, охлаждение до температуры (α+β)-области, последующие нагрев и деформацию, окончательное охлаждение, и отличается тем, что нагрев до температуры β-области проводят со скоростью 1-20°С/мин, затем осуществляют выдержку в течение 1-8 ч, а деформацию проводят со степенью 70-98% в процессе охлаждения до температуры на 40-200°С ниже температуры полиморфного превращения, затем осуществляют последующие нагрев до температуры в интервале температур на 50°С ниже и на 30°С выше температуры полиморфного превращения со скоростью 10-50°С/мин и деформацию со степенью 10-50% в процессе охлаждения до температуры на 60-200°С ниже температуры полиморфного превращения, после чего нагрев ведут до температуры в интервале на 30°С ниже и на 150°С выше температуры полиморфного превращения со скоростью 10-50°С/мин и осуществляют выдержку в течение 2-30 мин, а деформацию проводят со скоростью 0,5-50 мм/с с натяжением полуфабриката с усилием 3-35 кг/мм² в процессе охлаждения до температуры на 100-400°С ниже температуры полиморфного превращения.

Предпочтительно, нагрев в β-области проводят при температуре на 100-280°С выше температуры полиморфного превращения, а деформацию проводят со скоростью 0,5-100 мм/с.

Предпочтительно, после нагрева до температуры в интервале на 30°С ниже и на 150°С выше температуры полиморфного превращения деформацию проводят со степенью 60-90%, а окончательное охлаждение со скоростью 3-40°С/мин.

Положительный эффект способа обусловлен следующим. В процессе нагрева со скоростью 1-20°С/мин и выдержки 1-8 ч создается гомогенный β-твердый раствор. При деформации 70-98% в процессе охлаждения до (α+β)-области до температуры 40-200°С ниже температуры полиморфного превращения происходит дробление β-зерен и рекристаллизация на месте при деформации в β-области и горячий наклеп при переходе деформации к температуре (α+β)-области. Последующий нагрев до температуры в интервале температур на 50°С ниже и на 30°С выше температуры полиморфного превращения со скоростью 10-50°С/мин и деформацией со степенью 10-50% в процессе охлаждения до температуры на 60-200°С ниже температуры полиморфного превращения проводят для глубокой и равномерной проработки структуры. При нагреве до температуры, лежащей в области полиморфного превращения, со скоростью 10-50°С/мин происходит фазовая перекристаллизация, а при ограниченном времени выдержки 2-30 мин не происходит роста β-зерен. После нагрева до температуры в интервале на 30°С ниже и на 150°С выше температуры полиморфного превращения при деформации со степенью 60-90% со скоростью 0,5-50 мм/с и натяжении 3-35 кг/см² в процессе охлаждения до температуры на 100-400°С ниже температуры полиморфного превращения происходит измельчение фрагментов внутризеренной структуры, формируется равномерная структура. Окончательное охлаждение со скоростью 3-40°С/мин фиксирует оптимальное соотношение α- и β-фаз.

Параметры обработки полуфабрикатов из титановых сплавов подобраны таким образом, чтобы позволить достичь формирование структурного состояния, в котором развитие трещины будет значительно затруднено, при этом обеспечивая сохранение высокого уровня механических свойств.

По предложенному способу обрабатывали полуфабрикаты из сплава ВТ23, температура полиморфного превращения которого (Т_пп) 930°С.

В таблице 1 приведены конкретные режимы осуществления предложенного способа, также механические свойства в сравнении с обработкой по известному способу-прототипу.

Как видно из таблицы, обработка листов из сплава ВТ23 по предложенному способу позволяет снизить скорость распространения трещины усталости по сравнению с известным прототипом на 20-45%.

Технико-экономическая эффективность способа состоит в том, что детали и конструкции, изготовленные из обработанных по предложенному способу полуфабрикатов, имеют высокую эксплуатационную надежность и ресурс работы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу обработки полуфабрикатов из титановых сплавов преимущественно с двухфазной структурой, и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении. Заявлен способ обработки полуфабрикатов из титановых сплавов с двухфазной структурой. Способ включает нагрев в β-области и деформацию, охлаждение до температуры (α+β)-области, последующие нагрев и деформацию, окончательное охлаждение. Нагрев до температуры β-области проводят со скоростью 1-20°С/мин, затем осуществляют выдержку в течение 1-8 ч, а деформацию проводят со степенью 70-98% в процессе охлаждения до температуры на 40-200°С ниже температуры полиморфного превращения. Затем осуществляют последующие нагрев до температуры в интервале температур на 50°С ниже и на 30°С выше температуры полиморфного превращения со скоростью 10-50°С/мин и деформацию со степенью 10-50% в процессе охлаждения до температуры на 60-200°С ниже температуры полиморфного превращения, после чего нагрев ведут до температуры в интервале на 30°С ниже и на 150°С выше температуры полиморфного превращения со скоростью 10-50°С/мин и осуществляют выдержку в течение 2-30 мин, а деформацию проводят со скоростью 0,5-50 мм/с с натяжением полуфабриката с усилием 3-35 кг/мм² в процессе охлаждения до температуры на 100-400°С ниже температуры полиморфного превращения. Повышается трещиностойкость материала. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ обработки полуфабрикатов из титановых сплавов с двухфазной структурой, включающий нагрев в β-области и деформацию, охлаждение до температуры (α+β)-области, последующие нагрев и деформацию, окончательное охлаждение, отличающийся тем, что нагрев до температуры β-области проводят со скоростью 1-20°С/мин, затем осуществляют выдержку в течение 1-8 ч, а деформацию проводят со степенью 70-98% в процессе охлаждения до температуры на 40-200°С ниже температуры полиморфного превращения, затем осуществляют последующие нагрев до температуры в интервале температур на 50°С ниже и на 30°С выше температуры полиморфного превращения со скоростью 10-50°С/мин и деформацию со степенью 10-50% в процессе охлаждения до температуры на 60-200°С ниже температуры полиморфного превращения, после чего нагрев ведут до температуры в интервале на 30°С ниже и на 150°С выше температуры полиморфного превращения со скоростью 10-50°С/мин и осуществляют выдержку в течение 2-30 мин, а деформацию проводят со скоростью 0,5-50 мм/с с натяжением полуфабриката с усилием 3-35 кг/мм² в процессе охлаждения до температуры на 100-400°С ниже температуры полиморфного превращения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев в β-области проводят при температуре на 100-280°С выше температуры полиморфного превращения, а деформацию проводят со скоростью 0,5-100 мм/с.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после нагрева до температуры в интервале на 30°С ниже и на 150°С выше температуры полиморфного превращения деформацию проводят со степенью 60-90%, а окончательное охлаждение со скоростью 3-40°С/мин.