СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПСЕВДО - β ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2017 года по МПК C22F1/18 C22F3/02 

Изобретение относится к металлургии, а также к материаловедению в машиностроении и может быть использовано в производстве для изготовления изделий из титановых сплавов, в частности пружин, а также к термической обработке псевдо-β титановых сплавов в виде заготовок или конкретных изделий из них.

Известен способ упрочнения сплавов за счет дисперсионного твердения (старение). Рост сопротивления малым пластическим деформациям у этих сплавов связан с изменением субструктуры матрицы и с блокирующим действием частиц избыточной фазы. Дополнительное повышение прочности этих сплавов, сопровождающееся снижением свойств пластичности, может быть достигнуто в результате пластической деформации этих сплавов после закалки, за которой следует старение. Прерывистый распад может обеспечить достижение высокого уровня упрочнения в том случае, если исходная структура мелкозернистая. Такую структуру получают после закалки, значительной пластической деформации, кратковременного нагрева до температур рекристаллизации с последующим быстрым охлаждением. В процессе старения дополнительно измельчаются зерна исходного твердого раствора (Металловедение и термическая обработка стали, т.II /Под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштада. - М.: Металлургия, 1983, с. 281-282).

Известен способ обработки изделий из сплавов на основе титана в том числе ВТ 15, относящегося также как и сплав ТС6 к псевдо-β титановым сплавам, с использованием термоциклической обработки (Федюкин В.К., Смогоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. – Л.: Машиностроение, 1989, с.147). Сущность способа в том, что осуществляется многократные (до 20 раз) циклы обработки «нагрев - охлаждение» в температурном интервале 850-1050°С. Установлено, что на свойства сплава кроме числа циклов оказывает влияние и скорость охлаждения. При этом повышаются вязкопластические характеристики сплава, возрастает условный предел прочности сплава с 942 до 955 МПа. Недостатком этого способа является небольшой эффект упрочнения сплава, не оказывающий существенного влияния на эксплуатационные свойства упругих элементов.

Известен способ упрочнения заготовки ( пруток, проволока) из сплава ТС6, принятый в качестве ближайшего аналога (Шаболдо О.П., Виторский Я.М., Караштин Е.А., Васильев Е.В., Сорокин М.В.// Металлообработка. 2011. №2. С. 28-35.), заключающийся в том, что исходную заготовку - горячекатаный пруток подвергали предварительному нагреву до температуры 800°С и закалке со скоростью охлаждения 50°С/с, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 45%. Способ обеспечивает существенный эффект упрочнения, повышения механических и эксплуатационных свойств заготовки за счет измельчения внутризеренной структуры и повышения плотности дислокаций. Основным недостатком способа является то, что способ наряду с высокой прочностью не обеспечивает необходимых значений пластичности, а в ряде случаев и высоких значений условных пределов упругости, текучести, необходимых для материала, предназначенного для упругих элементов.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа термической обработки изделий из псевдо-β титановых сплавов (на примере титанового сплава ТС6) с целью увеличения значений условных пределов упругости, текучести и повышение пластичности.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе термической обработки изделий из псевдо-β титановых сплавов - сплава ТС6 после стандартной технологии (закалки и холодной пластической деформации - СТО) изделие подвергают нагреву и выдержке при температуре 200-230°С, а последующее охлаждение до температуры -10°С проводят при одновременном воздействии потока газа и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ в течение 10 мин.

Достигаемым техническим результатом заявляемого способа является образование в субструктуре (ячеистой структуре), появившейся после холодной пластической деформации, субзерен, перестройка дефектов кристаллической решетки (дислокаций), их частичная аннигиляция. В результате этого измельчаются зерна, зерна разбиваются на субзерна и при этом обеспечивается равномерное распределение дисперсной α-фазы по зерну, что приводит к возрастанию пластичности и прочностных показателей изделия.

Способ осуществляется следующим образом: исходную заготовку - горячекатаный пруток из псевдо-β титановых сплавов подвергают предварительному нагреву до температуры 800°С и закалке со скоростью охлаждения 50°С/с, холодному волочению за несколько проходов с суммарной степенью деформации 45% (СТО).

При проведении заявляемой обработки после СТО на предварительно нагретую до определенной температуры заготовку из сплава ТС6 одновременно при его охлаждении воздействуют: поток газа с температурой -10°С и акустические поля, благодаря чему достигается технический результат, а именно в субструктуре (ячеистой структуре), появившейся после холодной деформации, при последующей заявляемой обработке происходит аннигиляция и перестройка части дефектов кристаллической решетки. В результате этого измельчаются зерна, зерна разбиваются на субзерна и при этом обеспечивается равномерное распределение дисперсной α-фазы по зерну, что приводит к возрастанию пластичности и прочностных показателей изделия.

В качестве примера для оценки заявляемого способа термической обработки изделий из сплава ТС6 была использована проволока диаметром 3,6 мм, полученная с применением СТО, образцы из которой размером 200 мм испытывались на статическое растяжение на машине модели AGX-100kN, SHIMADZU. Затем образцы из проволоки подвергались обработке путем нагрева до температуры 200-230°С, выдержке в течение 10-15 мин, а последующее охлаждение части образцов осуществлялось до температуры -10°С и проводилось при одновременном воздействии потока газа и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ (аэротермоакустическая обработка - АТАО1), другая часть образцов после нагрева охлаждалась на спокойном воздухе. Результаты механических испытаний приведены в таблице. Часть образцов после АТАО1 повторно подвергалась обработке по указанной схеме (АТАО2). Результаты испытаний образцов после АТАО2 приведены в таблице.

Охлаждение изделия может быть проведено с использованием газоструйного генератора звука (ГГЗ). При проведении заявляемой обработки благодаря одновременному воздействию на предварительно нагретое до температуры 200°С изделие из сплава ТС6 потока газа с температурой -10°С и акустического поля достигается технический результат, а именно измельчаются зерна-β твердого раствора, в которых равномерно распределяется дисперсная α-фаза, формируется внутризеренная структура с выстраиванием дислокаций в виде упорядоченных образований, возрастает протяженность малоугловых границ, происходит аннигиляция и перестройка части дефектов решетки. В результате этого зерна разбиваются на субзерна, чему способствует ускорение диффузионных процессов, что и обеспечивает возможность повышения уровня условных пределов упругости, текучести и прочности по сравнению со свойствами, полученными по схеме СТО, при этом заявляемая обработка обеспечивает повышение пластичности на 30-35%, чему способствует уменьшение внутренних микронапряжений на границах раздела фаз. Как видно из результатов, приведенных в таблице, при уровне звукового давления 140-160 дБ и рекомендуемых температурах нагрева 200-230°С с последующим охлаждением до температуры -10°С предлагаемая термоакустическая обработка позволяет получить повышение механических свойств титанового сплава ТС6 по сравнению с обработкой по режиму аналога, чем достигается решение задачи, поставленной перед изобретением.

Таким образом термическая обработка изделия из псевдо-β титановых сплавов (рассмотрена на примере деформируемого сплава ТС6) характеризуется тем, что изделие подвергают закалке, холодной пластической деформации, согласно изобретению изделие нагревают до температуры (0,4-0,45) t_cm, где t_cm°C - температура старения сплава и выдерживают в течение 10-15 мин, а охлаждение ведут до температуры -10°С при одновременном воздействии потока газа и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ в течение 10 мин, это приводит к возрастанию пластичности и прочностных показателей материала изделия, что является доказательством осуществимости способа.

Изобретение относится к способам термической обработки изделий или заготовок из псевдо-β титановых сплавов путем закалки и холодной пластической деформации и может быть реализовано в металлургии, а также в машиностроении в производстве для изготовления конкретных изделий из них, в частности, пружин. Способ термической обработки изделия из псевдо-β титановых сплавов включает нагрев закаленного и продеформированного изделия, его выдержку и охлаждение. Нагрев изделия осуществляют до температуры (0,4-0,45) t_cm, где t_cm°C - температура старения сплава, выдерживают в течение 10-15 мин, а охлаждение ведут до температуры -10°С при одновременном воздействии потока газа и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ в течение 10 мин. Формируется внутризеренная структура с выстраиванием дислокаций в виде упорядоченных образований, в результате чего уменьшаются внутренние микронапряжения на границах раздела фаз, увеличиваются значения пределов упругости и текучести, а также повышается пластичность. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ термической обработки изделия из псевдо-β титановых сплавов, включающий нагрев закаленного и продеформированного изделия, его выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что нагрев изделия осуществляют до температуры (0,4-0,45) t_cm, где t_cm°C - температура старения сплава, выдерживают в течение 10-15 мин, а охлаждение ведут до температуры -10°С при одновременном воздействии потока газа и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ в течение 10 мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев, выдержку и охлаждение проводят повторно.