СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОВОЛОКИ ИЗ (α+β) - ТИТАНОВОГО СПЛАВА ДЛЯ АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ С ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВОМ И КОНТРОЛЕМ ПРОЦЕССА МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ Российский патент 2018 года по МПК C22F1/18 B21B3/00 B21C23/08 

Изобретение относится к способам обработки титановых сплавов давлением, содержащих алюминий, ванадий, и может быть использовано при изготовлении проволоки из (α+β)-титанового сплава методом горячего волочения или прокатки, используемой для аддитивной технологии.

Изобретение направлено на снижение потерь готовой продукции, снижение затрат энергии на температурную обработку сплава и позволяет улучшить такие показатели при изготовлении проволоки для аддитивной технологии из (α+β)-титанового сплава как прочность и пластичность и исключить обрывы проволоки в процессе изготовления.

Титановый сплав ВТ6, пригодный для применения в качестве проволоки для аддитивной технологии, представляет собой сплав Ti-Al-V, который номинально содержит титан, 6 мас. % алюминия, 4 мас. % ванадия и обычно менее 0,20 мас. % кислорода. Сплав ВТ6 (α+β)-класса используется для изготовления крупногабаритных сварных и сборных конструкций летательных аппаратов, для изготовления баллонов, работающих под внутренним давлением в широком интервале температур от -196°C до 450°C, и целого ряда других конструктивных элементов в авиакосмической промышленности. Для изготовление данных изделий с использованием аддитивной технологии, требуется проволока, имеющая повышенные свойства по однородности микроструктуры, фазового состава, с минимальной анизотропией механических свойств по всей длине и без наличия сварных и других соединения.

Известен способ изготовления проволоки из α-титановых сплавов путем нагрева заготовки и прокатки в несколько проходов со скоростью в первом проходе не более 2 м/с, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности, нагрев производят до температуры, определяемой из зависимости Т=[(450-470)-20 V₁]°C, где V₁ - скорость прокатки в первом проходе, а деформацию осуществляют в многовалковых калибрах с суммарной степенью 75-80% (Патент RU №1476718, заявка 4292778/02 от 03.08.1987 г., МПК В21В 3/00).

Недостатком этого способа являются то, что в данной разработке использована многократная термообработка, получаемые при этом механические свойства проволоки не позволяют получить, из одной заготовки, провод без сварных соединений длиной не менее 8500 м.

Известен способ получения проволоки из (α+β)-титановых сплавов, включающий нагрев, деформацию и отжиг (Волочение легких сплавов. Ерманок М.З., Ватрушин Л.С. М.: ВИЛС, 1999, с. 95-108).

Недостатком этого способа являются применение много переходной операции деформации, осуществляемой с нагревом, и применение энергоемких операций травления и вакуумного отжига, следствием которого является низкий уровень значений характеристик предела прочности на разрыв, что не позволяет, из одной заготовки, получение проволоки из титанового сплава ВТ6 с повышенными механическими свойствами одним куском длиной не менее 8500 м для аддитивной технологии.

Известен способ изготовления высокопрочной проволоки из титана и титановых сплавов, включающий получение слитка, его горячую деформацию с получением заготовки для волочения, волочение при комнатной температуре на конечный размер и окончательную термическую обработку (US 6077369 А, C22F 1/18, 20.06.2000).

Недостатком этого способа является окисление и трещинообразование поверхности, формирование структурной неоднородности по длине проволоки и как следствие разброс и нестабильность механических свойств проволоки, что не позволяет получение структурированной проволоки из титанового сплава ВТ6 с повышенными механическими свойствами одним куском длиной не менее 8500 м для аддитивной технологии.

Известен способ изготовления высокопрочной проволоки из (α+β)-титанового сплава мартенситного класса, включающий получение слитка, его горячую деформацию с получением заготовки для волочения, волочение при комнатной температуре на конечный размер и окончательную термическую обработку, при этом после горячей деформации полученные заготовки отжигают на воздухе и механически обрабатывают, волочение проводят многократно с промежуточными отжигами в атмосфере воздуха, при этом, после первого хода волочения проводят механическую обработку, а окончательную термическую обработку ведут в атмосфере воздуха в течение 60-180 мин при температуре (0,5÷0,7)Тпп °C с дальнейшим охлаждением до комнатной температуры (Патент RU №2460825, заявка 2011140698 от 07.10.2011 г, МПК В21В 3/00).

Недостатками этого способа являются многостадийность и длительность процесса обработки заготовки и низкие механические свойства сплава по сравнению с предлагаемым способом. Данный способ не позволяет получить структурированную проволоку из титанового сплава ВТ6 с повышенными механическими свойствами одним куском длиной не менее 8500 м для аддитивной технологии.

Наиболее близким техническим решением для описываемого ниже способа является способ изготовления проволоки из (α+β)-титановых сплавов, включающий нагрев заготовки и деформацию в несколько проходов, при этом в процессе деформации осуществляют охлаждение, причем при степени суммарной деформации до 50% охлаждение осуществляют до температуры деформации 640-670°C, при степени суммарной деформации более 50%, но менее 80% охлаждение осуществляют до температуры деформации более 670°C, но менее 700°C (Патент RU №1520717, заявка 4309001 от 21.09.1987, МПК В21В 1/00).

Недостатком данного способа являются то, что механические свойства титанового сплава, полученные указанной обработкой, ниже, чем в предлагаемом способе, что не позволяет получение, из одной заготовки, структурированной проволоки из титанового сплава ВТ6 с повышенными механическими свойствами одним куском без обрыва, длиной не менее 8500 м для аддитивной технологии.

Задачей данного изобретения является повышение качества проволоки из (α+β)-титанового сплава для аддитивной технологии и снижение затрат на ее изготовление.

Технический результат, достигаемый в процессе решения задачи, заключается в получении проволоки единым куском без сварных соединений, повышение прочности и пластичности титановой проволоки из (α+β)-титанового сплава, получение однородной, мелкозернистой структуры сплава, снижение анизотропии механических свойств по длине проволоки.

Технический результат достигается способом изготовления проволоки из (α+β)-титановых сплавов для аддитивных технологий, включающий нагрев заготовки и деформацию заготовки путем волочения или прокатки в несколько проходов, отличающийся тем, что нагрев заготовок проводят индукционным методом на установках с номинальной мощностью 50-70 кВт и частотой 40-80 кГц для заготовок диаметром от 8,0 до 4,0 мм и с номинальной мощностью 20-40 кВт и частотой 300-500 кГц для заготовок диаметром от менее 4,0 до 0,4 мм, деформацию заготовок путем волочения или прокатки проводят при нагреве заготовок (Т_з) до температуры Т_з=300-635°C и нагреве волок или роликов (Т_в) до температуры Т_в=300-650°C, а скорость деформации (V) заготовки выбирают на каждом проходе в зависимости от диаметра (d) заготовки:

V=(2-10) м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) мм,

V=(10-15) м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=(15-20) м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=(20-30) м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=(30-40) м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=(40-60) м/мин для диаметра d=(от менее 2,0 до 0,4) мм,

причем деформацию заготовок проводят под контролем температуры волок или роликов (Т_в) и скорости деформации (V) методом акустической эмиссии путем измерения в зоне пластического деформирования энергетического параметра (N), величина которого составляет не более 0,04×10^-3 мВ²с.

Кроме этого, проволока имеет максимальное содержание по массе %: алюминий 5,50-6,76, ванадий 3,50-4,40, железо ≤0,22, углерод ≤0,05, кислород 0,14-0,18, азот ≤0,03, водород ≤0,015 и титан - остальное, проволока имеет допуск на диаметр -0,05/+0,01 мм.

Повышение прочности и пластичности титановой проволоки из (α+β)-титанового сплава, это свойства титанового сплава, которые необходимо получить в процессе изготовления проволоки, чтобы иметь возможность изготовить провод, из одной заготовки, одним куском без сварных соединений. Для сплавов титана характерно значительное увеличение сопротивления пластической деформации и потеря пластичности на начальных стадиях деформирования. Особенно это проявляется при деформации α+β-титановых сплавов, имеющих повышенное содержание легирующих элементов, что способствует дополнительному упрочнению материала. Повышенное содержание алюминия в титане, особенно при значениях более 5,5%, увеличивает прочностные характеристики и снижает пластичность в условиях холодной пластической деформации. Максимальное обжатие для сплава ВТ-6 не превышает 18-20%. В этой связи при изготовлении проволоки из данного сплава используются многоциклические схемы. В данном способе предлагается проводить горячее волочение или прокатку, при нагреве заготовки до температур (300-635)°C без промежуточных термических обработок, со скоростью деформации в диапазоне (2-60) м/мин. Опытным путем определялись оптимальная скорость деформации для каждого диаметра заготовки. Важным фактором здесь является отсутствие образования мельчайших микротрещин, которые выходят на поверхность. Образование микротрещин на поверхности на начальных стадиях волочения или прокатки в дальнейшем с уменьшением диаметра, приводит к порыву проволоки. Наличие сварных концов проволоки допустимо, но не для всех операций аддитивной технологии.

При охлаждении проволоки из титана и его сплавов из-за значительного градиента температур наблюдается быстрое захолаживание поверхностных слоев малой толщины, это затрудняет обеспечение равномерной деформации, как по сечению проволоки, так и по длине. Неравномерная деформация проволоки приводит к растрескиванию поверхностных слоев проволоки. Наиболее активно местное захолаживание деформируемого металла происходит в зонах контакта поверхности проволоки с поверхностями волок или роликов, имеющих значительно более низкую температуру. Эта особенность сплавов титана существенно ограничивает возможность получения проволоки для аддитивной технологии, исключающей наличие в одном куске проволоки сваривания отдельных концов проволоки. В предлагаемом способе предлагается нагревать волоки или ролики до температуры Т_в=(300-650)°C. Нагрев волок или роликов в таком температурном диапазоне позволяет избежать появления зон с неравномерной деформацией по длине проволоки, избежать появления на поверхности микротрещин. Низкая теплопроводность титанового сплава оказывает отрицательное влияние и на процесс горячей деформации. Наличие зон наиболее интенсивной деформации при малой теплопроводности приводит к значительному нагреву металла этих зон вследствие теплового эффекта деформации и к ухудшению структуры и свойств. Для устранения таких зон перегрева, нагрев волок или роликов должно быть не выше 650°C.

Для получения проволоки из титанового сплава необходимого качества, для аддитивной технологии, предлагается нагрев заготовки с максимальной точностью в соответствии с выбранным режимом и минимальной неравномерностью температуры по длине и по окружности сечения проволоки производить индукционным способом. Основными требованиями, предъявляемыми к качеству нагрева проволоки индукционным способом из титановых сплавов, являются:

- формирование предельно равномерного температурного поля по длине и по окружности, а также получение минимальной разницы распределения температур по радиусу заготовки. Недогрев не позволяет сплаву достигнуть необходимой пластичности, что способствует появлению деформационных микро разрывов, перегрев же приводит к укрупнению структуры и следующей за этим снижению физико-механических свойств - прочности и пластичности;

- минимизация времени нагрева и улучшение эффективности нагрева. Выполнение этого требования повышает производительность работы и приводит к уменьшению тепловых затрат и тепловых потерь с поверхности заготовки, что влечет за собой снижение неравномерности нагрева, а следовательно, и повышение качества нагреваемой проволоки. Кроме того, с уменьшением времени нахождения заготовки при высокой температуре уменьшается окалина и легирование примесями из воздуха, что также повышает качество сплава, подвергаемого термообработке;

- высокая точность и скорость управления температурным нагревом заготовки, что важно для получения проволоки с высокими показателями качества.

При индукционном нагреве проволоки из титанового сплава имеются и недостатки, они связаны с трудностями формирования равномерного температурного поля по глубине заготовки, обусловленными особенностями протекания высокочастотного тока по проводнику, низкой теплопроводностью титана, высоким уровнем тепловых потерь. Из-за скин-эффекта при индукционном нагреве происходит распределение плотности тока по радиусу сечения заготовки. Максимальный нагрев происходит на поверхности, с увеличением расстояния от поверхности температура падает. Соответственно, поверхностные слои имеют более высокую температуру, причем эта разность температур тем больше, чем выше частота тока. Тепловые потери с поверхности заготовки при деформации путем волочения или прокатки качественно отражается на характере температурного поля: вследствие захолаживания поверхности в глубине провода образуется зона, имеющая более высокую температуру, чем поверхность. Это явление проявляется на титановом сплаве из-за низкой теплопроводности данного материала. Разность температур внутренних и внешних слоев металла приводит к локальным изменениям в структуре титана, а также к возникновению остаточных напряжений. Проведенные авторами исследования позволили определить оптимальные мощности индукторов и частоту токов для нагрева проволоки в зависимости от ее диаметра. Для получения титановой проволоки необходимого качества, удовлетворяющей аддитивной технологии, имеющей минимальную анизотропию механических свойств и фазового состава по объему и по длине авторами предлагаемого технического решения проведены работы по отработке режимов нагрева проволоки индукционным способом. Экспериментально, в зависимости от диаметра проволоки, определены оптимальные параметры мощности и частоты тока индукционного нагрева проволоки. Оптимальным следует считать индукционный нагрев на установках с номинальной мощностью 50-70 кВт и частотой 40-80 кГц для заготовки диаметром 8,0-4,0 мм и с номинальной мощностью 20-40 кВт и частотой 300-500 кГц для заготовки диаметром 4,0-0,4 мм.

Контроль и определение оптимальных границ параметров температуры и скоростей волочения или прокатки в данном техническом решении изготовления проволоки из (α+β)-титанового сплава для аддитивной технологии проводили методом акустической эмиссии (АЭ). Хорошо известно, что метод АЭ широко применяется как тонкий структурно-чувствительный метод исследования кинетических закономерностей процессов деформирования и разрушения различных конструкционных материалов (Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. - Москва: Изд-во стандартов, 1976. - 276 с.). Изменения параметров АЭ можно связать с механизмами пластической деформации и тем самым определить особенности структурообразования при различных скоростях и температурах деформации титанового сплава. Метод АЭ позволяет в процессе деформации сплава оценивать механизм перестройки его структуры и регистрировать процессы образования микродефектов, их развитие и выход на поверхность в виде микротрещин, в реальном масштабе времени. Эти особенности метода АЭ использованы авторами для контроля и оптимизации технологических процессов волочения или прокатки проволоки из двухфазного (α+β) титанового сплава. Акустический датчик монтировался в области волок или роликов. Информация, связанная с деформацией заготовки и процессами дефектообразования, поступала в систему регистрации и анализа АЭ информации. Процессы пластической деформации, обусловленные дислокационными потоками, сопровождаются большим количеством акустических импульсов малой энергии, а процессы дефектообразования в материале сопровождаются отдельными акустическими импульсами большой энергии. Таким образом, контролируя процесс волочения или прокатки акустическим методом, отслеживали процессы дефектообразования в зоне деформации заготовки. На фиг. 1 представлена характерная диаграмма активности энергетического параметра N, мВ²с АЭ при волочении сплава ВТ6 получаемого в зоне пластической деформации проволоки. Левая ордината представляет значение средней энергии за секунду (мВ²с), правая ордината представляет значение суммарной энергии за период контроля (мВ²с), по оси абсцисс отложено время проведения измерения (час, мин, сек). Процесс деформации заготовки сопровождается излучением акустических волн, энергетический параметр которых (средняя энергия за секунду), позволяет выявить процесс зарождения развития и выхода на поверхность микротрещин. Появление дефектов в виде микротрещин сопровождается появлением акустических импульсов со средней энергией за секунду в десятки раз превышающий процесс деформации без образования микро разрывов. Авторами экспериментально установлено, что при средней энергии за секунду в пределах до 0,04×10^-3 мВ²с пластическое деформирование происходит без образования микротрещин. На фиг. 2 показана характерная бездефектная мелкозернистая однородная структура, полученная на сплаве на оптимальных режимах волочения, процесс деформации проволоки сопровождался излучением АЭ при средней энергии за секунду в районе 0,02×10^-3 мВ²с. При средней энергии за секунду более 0,04 мВ²с происходит образование дефектов в виде микротрещин. При этом, чем больше величина энергетического параметра, тем более существенному дефекту он соответствует. На фиг. 3 представлен характерный дефект в виде трещины в теле проволоки при средней энергии за секунду в пределах 0,12×10^-3 мВ²с. Контролируя параметры процесса деформации заготовки (скорость, температуру, степень деформации заготовки) по величине энергетического параметра АЭ, определяли оптимальные параметры способа изготовления проволоки имеющей минимальное количество микродефектов, без образованием микротрещин, что позволило исключить обрывы проволоки и получить провод длиной без сварных соединений не менее 8500 метров.

Ниже представлены результаты реализации способа. Реализация способа проводилась в три этапа. На первом этапе изготавливались заготовки для прокатки или протяжки, на втором этапе проводилось изготовление проволоки волочением или прокаткой, на третьем этапе проводилось исследование образцов проволоки. Ниже представлена часть вариантов реализации предлагаемого способа изготовления проволоки из (α+β)-титанового сплава для аддитивной технологии с индукционным нагревом и контролем процесса методом акустической эмиссии. Все заготовки были изготовлены из оного слитка.

Пример 1. Вариант 1. Изготовление заготовки. Методом тройного вакуумного дугового переплава получали слиток из титанового сплава ВТ6 диаметром 450 мм; далее обтачивали до 420 мм; нагревали до температуры 850°C в газовой печи и ковали на диаметр 115 мм. Полученную заготовку обтачивали для удаления альфированного слоя, затем нагревали до температуры 900°C и проводили горячую прокатку в бухту на диаметр 8,0 мм. Далее проводили отжиг на воздухе при температуре 700°C в течении 2-х часов с охлаждением на воздухе и механическую обработку (калибровку) со съемом 0,3-0,5 мм на диаметр заготовки.

Изготовление проволоки. Проволока изготавливалась волочением или прокаткой диаметром 1,6 мм. Изготовление волочением, результаты исследований в числителе (табл. 1) и прокаткой, результаты исследований в знаменателе (табл. 1), на режимах, которые не выходили за предельные значения. Деформацию путем волочения или прокатки проводили при нагреве заготовки до температуры 450°C, и при нагреве волок или роликов до температуры Т_в=400°C, оптимальную скорость деформации для каждого этапа, исходя из диаметра заготовки, принимали:

V=7 м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) мм,

V=12 м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=19 м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=23 м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=37 м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=40 м/мин для диаметра d=(от менее 2,0 до 1,8) мм,

V=45 м/мин для диаметра d=(от менее 1,8 до 1,6) мм.

После деформации проводилась окончательная полировка. Нагрев заготовки проводили индукционным методом, на установке с номинальной мощностью 55 кВт и частотой 75 кГц для заготовки диаметром 8,0-4,0 мм и с номинальной мощностью 35 кВт и частотой 350 кГц для заготовки диаметром 4,0-1,6 мм. Контроль процесса изготовления проволоки проводили методом акустической эмиссии по величине энергетического параметра получаемого из зоны пластической деформации заготовки.

Проведение исследований. Проводились следующие виды исследования поволоки. Определялись механические свойства, исследовалась структура сплава, проводился анализ величины энергетического параметра АЭ полученного из зоны пластической деформации заготовки. Исследования механических свойств проводилось на проволоке диаметром 1,6 мм, вырезанной из конца бухты, не имеющей обрыва на длине 8500 м. Полученная проволока подвергалась растяжению на разрывной машине INSTRON 5969. Длина образца проволоки для растяжения составляла 600 мм. Скорость растяжения проволоки составляла 10 мм/мин. Основные механические характеристики проволоки представлены в табл. 1. Исследование структуры (α+β)-титанового сплава проводили на образцах проволоки полученных после проведения всего цикла получения готового провода и пригодного для аддитивной технологии. На фиг. 2 представлена характерная структура сплава ВТ6 полученная на проволоке изготовленной на оптимальных режимах (Пример 1. Вариант 1), фиг. 3 представлена структура сплава ВТ6 полученная на проволоке которая порвалась (Пример 3. Вариант 5). Изображение получено на растровом электронном микроскопе модели MIRA3 TESCAN, напряжение 15 кВ, увеличение 5kx., α-фаза титанового сплава темные области, β-фаза - светлые области. Для регистрации акустической эмиссии использовали многоканальный акустический комплекс типа СДС1008, позволяющий регистрировать сигналы АЭ в зависимости от степени деформации изделия. В качестве датчика-регистратора АЭ использовали пьезокерамический преобразователь из керамики ЦТС-19 с резонансной частотой 180 кГц. Датчик крепили к волоке или валу ролика через промежуточный звуковод длиной 200-250 мм. диаметром 2,0-2,5 мм. Сбор, обработку и анализ АЭ информации в зависимости от параметров деформирования, проводили с помощью ЭВМ и специально разработанной программы обработки данных. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Пример 2. Изготовление заготовки и проведение исследований проводили аналогично как в примере 1.

Вариант 2. Проволока изготавливалась волочением диаметром 1,6 мм. Изготовление проволоки проводили на режимах, при которых скорость волочения на диаметре 1,8 была ниже оптимальной. Остальные параметры процесса были оптимальными. Деформацию путем волочения проводили при нагреве заготовки до температуры 450°C, и при нагреве волок до температуры Т_в=400°C, оптимальную скорость деформации для каждого этапа, исходя из диаметра заготовки, принимали:

V=7 м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) мм,

V=12 м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=19 м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=23 м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=37 м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=30 м/мин для диаметра d=(от менее 2,0 до 1,8) мм,

V=45 м/мин для диаметра d=(от менее 1,8 до 1,6) мм.

После деформации проводилась окончательная полировка проволоки. Нагрев заготовки проводили индукционным методом, на установке с номинальной мощностью 55 кВт и частотой 75 кГц для заготовки диаметром 8,0-4,0 мм и с номинальной мощностью 35 кВт и частотой 350 кГц для заготовки диаметром 4,0-1,6 мм. Оптимальную температуру нагрева волок, скорости волочения для различных диаметров заготовки определяли методом акустической эмиссии по величине энергетического параметра получаемого в зоне пластической деформации заготовки.

Произошел обрыв проволоки на диаметре 1,8 мм, концы были сварены. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Вариант 3. Проволока изготавливалась прокаткой диаметром 1,6 мм. Изготовление проволоки проводили на режимах, скорость прокатки на диаметре 1,6 мм превышала предельные значения. Деформацию путем прокатки проводили при нагреве заготовки до температуры 450°C, и при нагреве роликов до температуры Т_в=400°C, оптимальную скорость деформации для каждого этапа, исходя из диаметра заготовки, принимали:

V=7 м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) мм,

V=12 м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=19 м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=23 м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=37 м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=40 м/мин для диаметра d=(от менее 2,0 до 1,8) мм,

V=65 м/мин для диаметра d=(от менее 1,8 до 1,6) мм.

После деформации проводилась окончательная полировка. Нагрев заготовки проводили индукционным методом, на установке с номинальной мощностью 55 кВт и частотой 75 кГц для заготовки диаметром 8,0-4,0 мм и с номинальной мощностью 35 кВт и частотой 350 кГц для заготовки диаметром 4,0-1,6 мм. Оптимальную температуру роликов, скорости прокатки для различных диаметров заготовки контролировали методом акустической эмиссии по величине энергетического параметра получаемого в зоне пластической деформации заготовки.

Произошел обрыв проволоки на диаметре 1,6 мм, концы были сварены. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Пример 3. Изготовление заготовки и проведение исследований проводили аналогично как в примере 1.

Вариант 4. Проволока изготавливалась волочением диаметром 1,6 мм. Изготовление проволоки проводили на режимах нагрева волок ниже оптимальных значений. Деформацию путем волочения проводили при нагреве заготовки до температуры 450°C, и при нагреве волок до температуры Т_в=250°C, оптимальную скорость деформации для каждого этапа, исходя из диаметра заготовки, принимали:

V=7 м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) м,

V=12 м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=19 м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=23 м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=37 м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=40 м/мин для диаметра d=(от менее 2,0 до 1,8) мм,

V=45 м/мин для диаметра d=(от менее 1,8 до 1,6) мм.

После деформации проводилась окончательная полировка. Нагрев заготовки проводили индукционным методом, на установке с номинальной мощностью 55 кВт и частотой 75 кГц для заготовки диаметром 8,0-4,0 мм и с номинальной мощностью 35 кВт и частотой 350 кГц для заготовки диаметром 4,0-1,6 мм. Температуру нагрева волоки, скорости волочения для различных диаметров заготовки контролировали методом акустической эмиссии по величине энергетического параметра получаемого в зоне пластической деформации заготовки. Произошел обрыв проволоки на диаметре 3,0 мм, концы были сварены. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Вариант 5. Проволока изготавливалась прокаткой диаметром 1,6 мм. Изготовление проволоки проводили на режимах нагрева роликов превышающих предельные значения. Деформацию путем прокатки проводили при нагреве заготовки до температуры 450°C, и при нагреве роликов до температуры Т_в=700°C, оптимальную скорость деформации для каждого этапа, исходя из диаметра заготовки, принимали:

V=7 м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) мм,

V=12 м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=19 м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=23 м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=37 м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=40 м/мин для диаметра d=(от менее 2,0 до 1,8) мм,

V=45 м/мин для диаметра d=(от менее 1,8 до 1,6) мм.

После деформации проводилась окончательная полировка. Нагрев заготовки проводили индукционным методом, на установке с номинальной мощностью 55 кВт и частотой 75 кГц для заготовки диаметром 8,0-4,0 мм и с номинальной мощностью 35 кВт и частотой 350 кГц для заготовки диаметром 4,0-1,6 мм. Температуру нагрева роликов, скорости прокатки для различных диаметров заготовки определяли методом акустической эмиссии по величине энергетического параметра получаемого в зоне пластической деформации заготовки. Произошел обрыв проволоки на диаметре 2,0 мм, концы были сварены. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Пример 4. Изготовление заготовки для волочения, проведение исследований проводили аналогично как в примере 1.

Вариант 6. Проволока изготавливалась волочением диаметром 1,6 мм. Изготовление проволоки проводили на режимах нагрева заготовки ниже оптимальных значений. Деформацию путем волочения проводили при нагреве заготовки до температуры 250°C, и при нагреве волок до температуры Т_в=400°C, оптимальную скорость деформации для каждого этапа, исходя из диаметра заготовки, принимали:

V=7 м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) мм,

V=12 м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=19 м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=23 м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=40 м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=45 м/мин для диаметра d d=(от менее 2,0 до 1,8) мм,

V=45 м/мин для диаметра d=(от менее 1,8 до 1,6) мм.

После деформации проводилась окончательная полировка.

Нагрев заготовки проводили индукционным методом, на установке с номинальной мощностью 55 кВт и частотой 75 кГц для заготовки диаметром 8,0-4,0 мм и с номинальной мощностью 35 кВт и частотой 350 кГц для заготовки диаметром 4,0-1,6 мм. Оптимальную температуру нагрева волок, скорости волочения для различных диаметров заготовки определяли методом акустической эмиссии по величине энергетического параметра получаемого в зоне пластической деформации заготовки. Произошел обрыв проволоки на диаметре 1,8 мм, концы были сварены.

Результаты исследований представлены в табл. 1.

Вариант 7. Проволока изготавливалась прокаткой диаметром 1,6 мм. Изготовление проволоки проводили на режимах нагрева заготовки превышающих предельные значения. Деформацию путем прокатки проводили при нагреве заготовки до температуры 700°C, и при нагреве роликов до температуры Т_в=400°C, оптимальную скорость деформации для каждого этапа, исходя из диаметра заготовки, принимали:

V=7 м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) мм,

V=12 м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=19 м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=23 м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=37 м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=45 м/мин для диаметра d=(от менее 2,0 до 1,8) мм,

V=55 м/мин для диаметра d=(от менее 1,8 до 1,6) мм.

После деформации проводилась окончательная полировка.

Нагрев заготовки проводили индукционным методом, на установке с номинальной мощностью 55 кВт и частотой 75 кГц для заготовки диаметром 8,0-4,0 мм и с номинальной мощностью 35 кВт и частотой 350 кГц для заготовки диаметром 4,0-1,6 мм. Оптимальную температуру нагрева роликов, скорости прокатки для различных диаметров заготовки определяли методом акустической эмиссии по величине энергетического параметра получаемого в зоне пластической деформации заготовки. Произошел обрыв проволоки на диаметре 2,6, концы были сварены. Результаты представлены в табл. 1.

Пример 5. Изготовление заготовки и проведение исследований проводили аналогично как в примере 1.

Вариант 8. Проволока изготавливалась волочением на диаметр 1,6 мм. Изготовление проволоки проводили на режимах индукционного нагрева, параметры которых ниже оптимальных режимов по мощности и частоте. Деформацию путем волочения проводили при нагреве заготовки до температуры 450°C, и при нагреве волок до температуры Т_в=400°C, оптимальную скорость деформации для каждого этапа, исходя из диаметра заготовки, принимали:

V=7 м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) мм,

V=12 м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=19 м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=23 м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=37 м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=40 м/мин для диаметра d=(от менее 2,0 до 1,8) мм,

V=45 м/мин для диаметра d=(от менее 1,8 до 1,6) мм.

После деформации проводилась окончательная полировка проволоки. Нагрев заготовки проводили индукционным методом, на режимах параметры которых ниже оптимальных значений. Установка номинальной мощностью 40 кВт и частотой 35 кГц для заготовки диаметром 8,0-4,0 мм и с номинальной мощностью 15 кВт и частотой 250 кГц для заготовки диаметром 4,0-1,6 мм. Оптимальную скорость нагрева волок, скорости волочения для различных диаметров заготовки контролировали методом акустической эмиссии по величине энергетического параметра получаемого в зоне пластической деформации заготовки. Произошел обрыв проволоки на диаметре 2,8, концы были сварены.

Результаты представлены в табл. 1.

Вариант 9. Проволока изготавливалась прокаткой на диаметр 1,6 мм. Изготовление проволоки проводили на режимах индукционного нагрева, превышающих оптимальные режимы по мощности и частоте. Деформацию путем волочения проводили при нагреве заготовки до температуры 450°C, и при нагреве волок до температуры Т_в=400°C, оптимальную скорость деформации для каждого этапа, исходя из диаметра заготовки, принимали:

V=7 м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) мм,

V=12 м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=19 м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=23 м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=37 м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=40 м/мин для диаметра d=(от менее 2,0 до 1,8) мм,

V=45 м/мин для диаметра d=(от менее 1,8 до 1,6) мм.

После деформации проводилась окончательная полировка проволоки.

Нагрев заготовки проводили индукционным методом, на установке с номинальной мощностью 75 кВт и частотой 85 кГц для заготовки диаметром 8,0-4,0 мм и с номинальной мощностью 45 кВт и частотой 550 кГц для заготовки диаметром 4,0-1,6 мм. Оптимальную температуру нагрева роликов, скорости волочения для различных диаметров заготовки определяли методом акустической эмиссии по величине энергетического параметра получаемого в зоне пластической деформации заготовки. Произошел обрыв проволоки на диаметре 3,0, концы были сварены.

Результаты исследований представлены в табл. 1.

Представленные в таблице 1 данные показывают, что предлагаемый способ изготовления проволоки из (α+β)-титанового сплава для аддитивной технологии с индукционным нагревом и контролем процесса методом акустической эмиссии позволяет получить проволоку имеющей повышенные прочностные и пластические свойства, с однородной, мелкозернистой структурой, длиной проволоки на менее 8500 мм одним куском без сварных соединений. Следует также отметить, что:

- нагрев заготовки в при волочении или прокатке до температуры Т_з=(300-635)°C, является одним из факторов, определяющих качество титановой проволоки для аддитивной технологии, позволяет получить процесс волочения или прокатки без обрыва проволоки;

- нагрев волок или роликов при волочении или прокатке до температуры Т_в=(300-650)°C, также является важным фактором, приводящим к улучшению качества титановой проволоки для аддитивной технологии, позволяет получить процесс волочения или прокатки без обрыва проволоки;

- увеличение скорости волочения или прокатки с уменьшением диаметра получения проволоки позволяет получить мелкозернистую структура сплава обладающую высокой прочностью и пластичностью;

- использование индукционного способа нагрева титановой проволоки позволяет значительно сократить процесс изготовления проволоки необходимого качества;

- контроль процесса изготовления проволоки из (α+β)-титанового сплава для аддитивной технологии методом акустической эмиссии по величине энергетического параметра получаемого в зоне пластической деформации заготовки позволяет оптимизировать технологические параметры и сделать процесс производства наиболее стабильным.

Таким образом, предлагаемый способ получения проволоки из (α+β)-титанового сплава позволяет произвести проволоку без сваривания отдельных кусков, обладающую стабильно высоким уровнем прочности и пластичности п всей длине, что является одним из главных условий для проволоки используемой в аддитивной технологии.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам обработки титановых сплавов давлением, и может быть использовано при изготовлении проволоки из (α+β)-титанового сплава для аддитивной технологии. Способ изготовления проволоки из (α+β)-титановых сплавов для аддитивных технологий включает нагрев заготовки и деформацию заготовки путем волочения или прокатки в несколько проходов. Нагрев заготовки проводят индукционным методом, причем для заготовки диаметром от 8,0 до 4,0 мм устанавливают номинальную мощность 50-70 кВт и частоту 40-80 кГц, а для заготовок диаметром от менее 4,0 до 0,4 мм устанавливают номинальную мощность 20-40 кВт и частоту 300-500 кГц. Деформацию заготовки путем волочения или прокатки проводят при нагреве заготовки до температуры Т_з=300-635°C и нагреве волок или роликов до температуры Т_в=300-650°C, а скорость деформации заготовки выбирают на каждом проходе в зависимости от диаметра заготовки. Деформацию заготовки проводят под контролем температуры волок или роликов и скорости деформации методом акустической эмиссии путем измерения в зоне пластического деформирования энергетического параметра, величина которого составляет не более 0,04×10^-3 мВ²с. Получают проволоку без сварных соединений с высокими значениями прочности и пластичности. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил., 9 пр.

1. Способ изготовления проволоки из (α+β)-титановых сплавов для аддитивных технологий, включающий нагрев заготовки и деформацию заготовки путем волочения или прокатки в несколько проходов, отличающийся тем, что нагрев заготовки проводят индукционным методом, причем для заготовки диаметром от 8,0 до 4,0 мм устанавливают номинальную мощность 50-70 кВт и частоту 40-80 кГц, а для заготовки диаметром от менее 4,0 до 0,4 мм устанавливают номинальную мощность 20-40 кВт и частоту 300-500 кГц, деформацию заготовки путем волочения или прокатки проводят при нагреве заготовки (Т_з) до температуры Т_з=300-635°C и нагреве волок или роликов (Т_в) до температуры Т_в=300-650°C, а скорость деформации (V) заготовки выбирают на каждом проходе в зависимости от диаметра (d) заготовки:

V=(2-10) м/мин для диаметра d=(от 8,0 до 7,0) мм,

V=(10-15) м/мин для диаметра d=(от менее 7,0 до 5,0) мм,

V=(15-20) м/мин для диаметра d=(от менее 5,0 до 4,0) мм,

V=(20-30) м/мин для диаметра d=(от менее 4,0 до 3,0) мм,

V=(30-40) м/мин для диаметра d=(от менее 3,0 до 2,0) мм,

V=(40-60) м/мин для диаметра d=(от менее 2,0 до 0,4) мм,

причем деформацию заготовки проводят под контролем температуры волок или роликов (Т_в) и скорости деформации (V) методом акустической эмиссии путем измерения в зоне пластического деформирования энергетического параметра (N), величина которого составляет не более 0,04×10^-3 мВ²с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготавливают проволоку из титанового сплава, содержащего, мас.%: алюминий 5,50-6,76, ванадий 3,50-4,40, железо ≤0,22, углерод ≤0,05, кислород 0,14-0,18, азот ≤0,03, водород ≤0,015 и титан - остальное.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проволока имеет допуск на диаметр -0,05/+0,01 мм.