СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОВАНОЙ ЗАГОТОВКИ В ВИДЕ ПРУТКА ИЗ (α+β)-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2021 года по МПК C22F1/18 B21J1/04 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам изготовления кованых заготовок из (α+β)-титановых сплавов, методом горячего деформирования.

Известно, что структура и однородность титановых сплавов оказывают решающее влияние на уровень и стабильность механических свойств заготовок. При разработке технологического процесса изготовления заготовок с заданными свойствами, при горячем деформировании (α+β)-титановых сплавов, структуре сплава и его механическим свойствам уделяется огромное внимание. Титановые сплавы (α+β)-класса, используются для изготовления изделий, работающих под большим внутренним давлением и в широком интервале температур от -196°C до 450°C. Для изготовления изделий, работающих в таких условиях, требуется заготовки, имеющие повышенные свойства по однородности микроструктуры, фазовому составу, с минимальной анизотропией механических свойств по всему объему заготовки и без наличия дефектов, обладающих высокой прочностью, пластичностью и энергоемкостью.

Известен способ производства промежуточных заготовок из (α+β)-сплавов титана методом ковки на прессах по схеме, включающей горячую деформацию слитков после нагрева в интервале температур β-области 1050-1300°C, деформацию после подогрева при более низких температурах β-области (1000-1130°C) и комбинированные операции (α+β)- и β-деформации, причем нагрев перед (α+β)-деформацией выполняется при температурах на 20-40°C ниже температуры полиморфного превращения (Тпп) сплава (Титановые сплавы. Александров В.К., Аношкин Н.Ф. и др. Полуфабрикаты из титановых сплавов. - М.: ВИЛС, 1996, с.184-185, 189).

Применение такой специальной многоступенчатой схемы способствует развитию рекристаллизации и измельчению пластинчатой структуры, что обеспечивает получение матовой макроструктуры 4-6 балла и микроструктуры 3-5 типа. Однако для ряда изделий ответственного применения предъявляются более высокие требования к микроструктуре заготовок. На решение этой задачи и направлено заявляемое изобретение. Недостатками данного технического решения являются структурная неоднородность заготовки из-за захолаживания металла в процессе ковки, неравномерность деформации и наличие зон с затрудненной деформации.

Известен способ производства промежуточных заготовок из (α+β)-титановых сплавов, включающий операцию деформирования слитка при температурах β-области и комбинированные операции деформирования заготовки при температурах (α+β)- и β-областей, отличающийся тем, что на стадии окончательного деформирования при температуре в (α+β)-области по крайней мере одну ковочную операцию выполняют после нагрева заготовки до температуры на 50-80°C ниже температуры полиморфного превращения сплава (Тпп), при этом заготовку по крайней мере один раз охлаждают в воде, а перед деформированием на окончательный размер заготовку нагревают до температуры на 20-40°C ниже Тпп в течение времени, обеспечивающего прохождение глобуляризации α-фазы, и фиксируют полученную структуру охлаждением в воде, после чего заготовку вновь нагревают до температуры на 20-40°C ниже Тпп и окончательно деформируют. (патент РФ №2266171, по заявке 2004116944/02, от 04.06.2004г. МПК B21J 5/00).

Недостатками известного способа являются неоднородность макроструктуры по сечению заготовки, большое количество нагревов, особенно при окончательном деформировании при температурах (α+β)-области, что существенно снижает производительность процесса, не обеспечивает получение заготовок из слитков, с механическими свойствами необходимого уровня по прочности, пластичности и энергоемкости.

Известен способ изготовления промежуточных заготовок из (α+β)-титановых сплавов, включающем комбинированные операции деформирования слитка при температурах β-области и операции деформирования заготовки при температурах (α+β)- и β-областей, заготовку, предварительно деформированную после нагрева до температуры на 100-200°C выше температуры полиморфного превращения, деформируют в заготовку квадратного сечения после ее нагрева до температуры на 20-60°C ниже температуры полиморфного превращения, проводят рекристаллизационную обработку методом нагрева до температуры на 50-100°C выше температуры полиморфного превращения и осадки в торец с уковом 1,3-1,4 и последующим охлаждением в воде, а окончательное деформирование заготовки в заданный размер осуществляют за несколько переходов с величиной однократного укова 1,5-2,0 после нагрева заготовки до температуры на 20-60°C ниже температуры полиморфного превращения, при этом величина суммарного укова при окончательном деформировании составляет 5,0-6,0. (RU 2468882 по заявке 2011123363 от 08.06.2011 г. МКИ B21J 1/04).

Недостаток данного способа изготовления промежуточных заготовок из (α+β)-титановых сплавов заключается в том, что не обеспечивается получение промежуточных заготовок с однородной глобулярно-пластинчатой микроструктурой по сечению заготовки, с механическими свойствами необходимого уровня по прочности, пластичности и энергоемкости.

Известен способ изготовления высококачественных прутков широкого диапазона диаметров из двухфазных титановых сплавов, предназначенных для изготовления деталей аэрокосмического назначения. Способ включает нагрев заготовки до температуры выше температуры полиморфного превращения в β-области, прокатку при этой температуре, охлаждение до температуры окружающей среды, нагрев подката до температуры на 20-50°C ниже температуры полиморфного превращения и окончательную прокатку при этой температуре. Нагрев и деформацию в β-области проводят в два этапа, при этом на первом этапе заготовку нагревают до температуры на 40-150°C выше температуры полиморфного превращения, деформируют со степенью деформации 97-97,6% и охлаждают на воздухе, на втором этапе подкат нагревают до температуры на 20°C выше температуры полиморфного превращения и деформируют со степенью деформации 37-38%, а окончательную прокатку в (α+β)-области проводят со степенью деформации 54-55%. (Патент RU 2178014 по заявке 2000111295 от 06.05.2000г. МПК C22F 1/18).

Недостатком является структурная неоднородность, большое число нагревов, особенно при ковке в (α+β)-области на последних переходах.

Известен способ изготовления промежуточной заготовки из α- или (α+β) -титановых сплавов, включающий ковку слитка в пруток за несколько переходов при температуре в β- и (α+β)-областях, механическую обработку заготовки и окончательное прессование в (α+β)-области, отличающийся тем, что величина укова на последних переходах ковки составляет 1,36-2,5, а нагрев заготовки перед прессованием осуществляют в два этапа, причем на первом этапе заготовку нагревают до температуры поверхности заготовки в диапазоне от температуры на 250°C ниже температуры полиморфного превращения до температуры на 100°C выше температуры полиморфного превращения со скоростью 0,3-2,5°C/с, а на втором этапе заготовку охлаждают или нагревают до температуры на 40-250°C ниже температуры полиморфного превращения. (Патент RU 2314362 по заявке 2005138442 от 09.12.2005 г. МПК C22F 1/18).

Недостатком данного способа является структурная неоднородность по сечению заготовки, не обеспечивается получение промежуточных заготовок с механическими свойствами необходимого уровня по прочности, пластичности и энергоемкости, большое число нагревов, особенно при ковке в (α+β)-области на последних переходах.

Известен способ изготовления промежуточных заготовок из титановых сплавов методом горячего деформирования. Ковку слитка в пруток производят за несколько переходов при температуре β-области и промежуточную ковку за несколько переходов при температуре β- и (α+β)-области. Промежуточную ковку при температуре (α+β)-области осуществляют с величиной укова 1,25-1,75. На окончательных переходах указанную промежуточную ковку ведут с уковом 1,25-1,35 в пруток. Затем производят механическую обработку прутка, резку его на заготовки и формирование торцов, после чего осуществляют окончательное деформирование прессованием при температуре (α+β)-области. (Патент RU 2217260 по заявке 2002108620 от 04.04.002г. МПК B21J 1/04). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Данным способом не обеспечивается получение промежуточных заготовок с регламентированной однородной глобулярно-пластинчатой микроструктурой по всему объему заготовки, с заданными механическими свойствами по прочности, пластичности и энергоемкости.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является получение промежуточных заготовок из (α+β)-титановых сплавов с регламентированной мелкодисперсной глобулярно-пластинчатой микроструктурой по всему объему заготовки, с заданными механическими свойствами по прочности, пластичности и энергоемкости.

В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении однородности глобулярно-пластинчатой микроструктуры по всему объему заготовки, и как следствие в получении сплава с однородной мелкодисперсной микроструктурой с размером зерна (5,0-10,0) мкм, содержащей равноосную α-фазу в количестве (50-80)% в трансформированной β-матрице без признаков границ β-зерен с пределом прочности на разрыв не менее 1150 МПа при соотношении параметров σ_0,2/σ_B, не менее 0,9, где σ_0,2 - предел текучести, МПа, σ_B - предел прочности, МПа.

Указанный технический результат достигается способом изготовления кованой заготовки в виде прутка из (α+β)-титановых сплавов, включающий ковку слитка в пруток за несколько переходов при температуре β-области, промежуточную ковку за несколько переходов, окончательное деформирование при температуре (α+β)-области и механическую обработку, отличающийся тем, что ковку слитка в β-области проводят при температуре Тпп+(70-170)°С с величиной укова (2,9-3,5) и последующим охлаждением на воздухе, промежуточную ковку заготовки в виде прутка ведут сначала в (α+β)-области при температуре (Тпп-40)°С с величиной укова (1,5-1,6) за один переход, затем заготовку в виде прутка нагревают в β-область для рекристаллизации сплава при температуре Тпп+(70-170)°С, ковку заготовки в виде прутка при температуре β-области ведут с величиной укова (1,25-1,45) с последующим охлаждением в воде, окончательную ковку на пруток ведут в (α+β)-области при температуре (Тпп-40)°С с величиной укова (4,5-5,5).

Кроме этого, промежуточную ковку заготовки в (α+β)-области при температуре (Тпп-40)°С с величиной укова (1,5-1,6) за один переход с последующим нагревом в β-область на рекристаллизацию при температуре Тпп+(70-170)°С, ковку заготовки при температуре в β-области с величиной укова (1,25-1,45), ведут 2-3 раза.

В способе заготовка в виде прутка имеет равномерную мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна (5,0-10,0) мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве (50-80)% в трансформированной β-матрице без признаков границ β-зерен.

В способе заготовка в виде прутка имеет предел прочности σ_B не менее 1150 МПа при соотношении параметров σ_0,2/σ_B, не менее 0,9, где σ_0,2 - предел текучести, МПа, - предел прочности, МПа.

Механические свойства (α+β)-титановых сплавов существенно зависят от характера микроструктуры. Наибольшие различия наблюдаются для сплавов с зернистой и пластинчатой структурой. Для сплавов с зернистой структурой характерна высокая пластичность и технологичность, энергоемкость. Сплавы с пластинчатой структурой отличаются высокой энергоемкостью. Высокая энергоемкость сплава с пластинчатой структурой обусловлена наличием множества границ раздела зерен, блоков, пластин.

Ковка слитка в β-области при температуре Тпп+(70-170)°С с величиной укова (2,9-3,5) на первых проходах значительно измельчает и разрушает грубую литую макроструктуру слитка. При последующей операции промежуточной ковки заготовки в (α+β)-области при температуре (Тпп-40)°С с величиной укова (1,5-1,6) за один переход и последующим нагревом в β-область на рекристаллизацию при температуре Тпп+(70-170)°С и ковкой заготовки при данной температуре с уковом (1,25-1,45) в процессе деформационного наклепа происходит изменение структуры (β-зерна и α-пластины сплющиваются и вытягиваются вдоль направления течения металла). В процессе рекристаллизации измельчается зерно. Окончательное деформирование заготовки в (α+β)-области при температуре (Тпп-40)°С с величиной укова (4,5-5,5) переводит металл в (α+β)-деформированную структуру с равномерной структурой по всему сечению. Такой металл обладает повышенной пластичностью прочностью и энергоемкостью.

Способ изготовления кованой заготовки из (α+β)-титановых сплавов реализовали на титановом сплаве Ti-6Al-4Vc температурой Тпп=985°С, исходные свойства которого представлены на интернет ресурсе: https://ru.qaz.wiki/wiki/Ti-6Al-4V.

Микроструктурные исследования сплава выполняли на электронном микроскопе. Изображения получены на растровом электронном микроскопе модели MIRA3 TESCAN. Оценку энергоемкости титановых сплавов оценивали по методике «Способ оценки энергоемкости титанового сплава». (Патент RU 2661445 по заявке 2017116681 от 12.05.2017г. МПК C22F 1/18). Для оценки энергоемкости титанового сплава определяли параметр σ_0,2/σ_В: где σ_0,2 - предел текучести, МПа; σ_В - предел прочности, МПа и твердость по Бринелю (НВ).

Для сплавов, обладающих повышенной пластичностью, параметр σ_0,2 должен быть максимально низким, тогда как для сплавов обладающих высокой прочностью параметр σ_В должен быть максимально высоким, а для сплавов обладающих высокой энергоемкостью, отношение параметров σ_0,2/σ_В должно быть максимальным. Определяя твердость титанового сплава по Бринелю (НВ), в первом приближении, можно оценить одновременно пластичность и прочность сплава. Таким образом, определяя предел текучести (σ_0,2), предел прочности (σ_В) и твердость (НВ), производится оценка прочности, пластичности и энергоемкости титанового сплава Ti-6Al-4V. Данные параметры определи по ГОСТ1497.

Пример №1 реализации способа.

Способ изготовления кованых прутков до диаметра 90 мм из (α+β)- титановых сплавов проводили на параметрах ковки, значения уковов и области температур экономически выгодных (в указанных пределах) и позволяющих получить заготовку с повышенной однородностью глобулярно-пластинчатой микроструктуры без признаков границ β-зерна по всему объему, обладающей повышенной пластичностью, прочностью и энергоемкостью.

Слиток диаметром 450 мм из титанового сплава Ti-6Al-4V температурой Тпп=985°С за несколько переходов отковали в пруток диаметром 285 мм при температурах деформации (1100-1150)°C с уковом (3,1), охлаждение на воздухе. Далее осуществляли деформационный наклеп при температуре на 40°C ниже Тпп с уковом 1,5 за один переход с последующим нагревом на рекристаллизацию при температуре 1070°C с уковом 1,3 с последующим охлаждением в воде. Окончательное деформирование на пруток диаметром 90 мм проводили при температуре на 40°C ниже Тпп с уковом 5,2. Полученный вышеуказанным способом кованый пруток диаметром 90 мм подвергался механической обработки до получения прутка диаметром 80 мм.

Последовательное деформирование в β-, (α+β)-, β-областях обеспечивает значительное измельчение исходной грубой макроструктуры слитка. При деформации слитка в β-области с уковом не менее 2,9 крупнозернистая структура слитка сохраняется, при этом формируется лишь каркас повышенной технологической пластичности, придающий материалу способность воспринимать последующую деформацию в (α+β)-области, не разрушаясь. В процессе деформации в (α+β)-области (деформационный наклеп) с уковом не менее 1,5 происходит одновременно изменение β-зерен и α-пластин. Они сплющиваются, вытягиваются вдоль направления течения металла, дробятся. Плотность дефектов структуры как α-фазы, так и β-фазы растет. После деформации в (α+β)-области при последующем нагреве до температур β-области образуется намного больше рекристаллизованных β-зерен, чем при β-деформации. При этом к моменту достижения температур β-области β-зерна имеют мелкие размеры и равноосную форму. Заявляемый способ изготовления кованой заготовки из (α+β)-титановых сплавов позволяет получить сплав с однородной мелкодисперсной микроструктурой с размером зерна (5,0-10,0) мкм, содержащего равноосную α-фазу в количестве (50-80)% в трансформированной β-матрице без признаков границ β-зерен с пределом прочности на разрыв не менее 1150 МПа при соотношении параметров σ_0,2/σ_B, не менее 0,9.

Результаты исследований представлены на фиг. 1, на изображении светлые области α-фаза, темные области β-фаза, увеличение х500. Результаты механических испытаний приведены в таблице №1.

Пример №2 реализации способа.

Способ изготовления кованой заготовки до диаметра 90 мм из (α+β)-титановых сплавов проводили на параметрах ковки, величины уковов менее указанных в предлагаемом способе и области температур в пределах, указанных в предлагаемом способе. Такой режим получения кованой заготовки из (α+β)-титановых сплавов экономически не выгодный, ввиду высокой длительности и энергоемкости способа. Способ позволяет получить заготовку с высокой однородностью глобулярно-пластинчатой микроструктуры без признаков границ β-зерна по всему объему, обладающей повышенной пластичностью, прочностью и энергоемкостью.

Ковку проводили при следующих режимах.

Слиток диаметром 450 мм из титанового сплава Ti-6Al-4V за несколько переходов отковали в пруток диаметром 285 мм при температурах деформации (1100-1150)°C с уковом (2,8), охлаждение на воздухе. Далее осуществляли деформационный наклеп при температуре на 40°C ниже Тпп с уковом 1,45 за один переход с последующим нагревом на рекристаллизацию при температуре 1070°C с уковом 1,20 с охлаждением в воде. Окончательное деформирование на пруток диаметром 90 мм проведено при температуре на 40°C ниже Тпп с уковом 1,4. Полученный вышеуказанным способом кованый пруток диаметром 90 мм подвергался механической обработке до диаметра 80 мм. Результаты механических испытаний приведены в таблице №1.

Пример №3 реализации способа.

Способ изготовления кованой заготовки до диаметра 90 мм из (α+β)-титановых сплавов проводили на параметрах ковки, величина уковов принималась в пределах, указанных в предлагаемом способе. Температура проведения процесса ковки была выше оптимальных температур, заявленных в предлагаемом способе. Такой режим изготовления кованой заготовки из (α+β)-титановых сплавов экономически не выгодный, по причине высокой длительности и энергоемкости, потери массы заготовки при выгорании металла. Способ позволяет получить заготовку с высокой однородностью глобулярно-пластинчатой микроструктуры без признаков границ β-зерна по всему объему, обладающей повышенной пластичностью, прочностью и энергоемкостью.

Ковку проводили при следующих режимах.

Слиток диаметром 450 мм из титанового сплава Ti-6Al-4V за несколько переходов отковали в пруток диаметром 285 мм при температурах деформации (1160-1190)°C с уковом (2,97), охлаждение на воздухе. Далее осуществляли деформационный наклеп при температуре на 60°C ниже Тпп с уковом 1,55 за один переход с последующим нагревом на рекристаллизацию при температуре 1230°C с уковом 1,24 с охлаждением в воде. Окончательное деформирование на пруток диаметром 95 мм проведено при температуре на 40°C ниже Тпп с уковом 4,8. Полученный вышеуказанным способом кованый пруток диаметром 90 мм подвергался механической обработке до диаметра 80 мм. Результаты механических испытаний приведены в таблице №1

Таблица 1

№п/п Способ изготовления Тип микроструктуры Величина зерна. Средний , мкм σ_0,2 - предел текучести, МПа; σ_В - предел прочности, МПа _σ0,2/σ_В Твердость по Бринелю (НВ) Центр. Периферия 1. Предлагаемый Пример №1 микроструктура с размером зерна (5,0-10,0) мкм, равноосная α-фаза в количестве (50-80) % в трансформированной β-матрице без признаков границ β-зерен 8,0 4-5 1156 1280 0,904 384 2 Предлагаемый Пример№2 с размером зерна (5,0-10,0) мкм, равноосная α-фаза в количестве (50-80) % в трансформированной β-матрице без признаков границ β-зерен 10,0 5-7 1161 1260 0,922 389 3 Предлагаемый Пример№3 с размером зерна (5,0-10,0) мкм, равноосная α-фаза в количестве (50-80) % в трансформированной β-матрице без признаков границ β-зерен 10,0 6-7 1167 1245 0938 386 4 Интернет-ресурс - - - 920 950 0,969 341 5 Прототип мелкодисперсная 20-30 20-40 - - - -

Проведенные исследования показали, что эффективное измельчение зерен достигается в результате деформации в (α+β)-области, причем степень деформации должна быть с уковом (4,5-4,5). Нагрев в однофазную β-область сопровождается значительным повышением пластичности и снижением сопротивления деформации. Однако получить структуру, с высокими эксплуатационными свойствами, при деформации в β-области из-за интенсивного роста зерна и грубого внутризеренного строения не представляется возможным. Чередование процессов ковки в β-области и в (α+β)-области позволяет снизить число проходов при ковке и снизить зернистость и улучшить внутризеренное строение сплава. Оптимальную структуру и регламентированные свойства по прочности, пластичности и энергоемкости получаем по заявляемому способу.

Анализ данных, приведенный в таблице №1 показывает, что заявленный способ по сравнению с известным обеспечивает получение микроструктуры с размером зерна (5,0-10,0) мкм, равноосную α-фазу в количестве (50-80) % в трансформированной β-матрице без признаков границ β-зерен с высокой прочностью, пластичностью и энергоемкостью. Зернистость микроструктуры по заявленному способу 510 мкм, в то время как по известному способу микроструктура имеет размер зерна 20-30 мкм.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу изготовления кованых заготовок из (α+β)-титановых сплавов методом горячего деформирования. Способ изготовления заготовки в виде прутка из (α+β)-титановых сплавов включает ковку слитка в пруток за несколько переходов при температуре β-области, промежуточную ковку за несколько переходов, окончательное деформирование при температуре (α+β)-области и механическую обработку. Ковку слитка в β-области проводят при температуре Тпп+(70-170)^оС с величиной укова 2,9-3,5 и последующим охлаждением на воздухе, промежуточную ковку заготовки в виде прутка ведут сначала в (α+β)-области при температуре (Тпп-40)^оС с величиной укова 1,5-1,6 за один переход, затем заготовку в виде прутка нагревают в β-область для рекристаллизации сплава при температуре Тпп+(70-170)^оС, ковку заготовки в виде прутка при температуре β-области ведут с величиной укова 1,25-1,45 с последующим охлаждением в воде, окончательную ковку на пруток ведут в (α+β)-области при температуре (Тпп-40)^оС с величиной укова 4,5-5,5. Обеспечивается повышение прочности за счет получения однородной мелкодисперсной микроструктуры, содержащей равноосную α-фазу в трансформированной β-матрице без признаков границ β-зерен. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 3 пр.

1. Способ изготовления заготовки в виде прутка из (α+β)-титановых сплавов, включающий ковку слитка в пруток за несколько переходов при температуре β-области, промежуточную ковку за несколько переходов, окончательное деформирование при температуре (α+β)-области и механическую обработку, отличающийся тем, что ковку слитка в β-области проводят при температуре Тпп+(70-170)°С с величиной укова 2,9-3,5 и последующим охлаждением на воздухе, промежуточную ковку заготовки в виде прутка ведут сначала в (α+β)-области при температуре (Тпп-40)°С с величиной укова 1,5-1,6 за один переход, затем заготовку в виде прутка нагревают в β-область для рекристаллизации сплава при температуре Тпп+(70-170)°С, ковку заготовки в виде прутка при температуре β-области ведут с величиной укова 1,25-1,45 с последующим охлаждением в воде, окончательную ковку на пруток ведут в (α+β)-области при температуре (Тпп-40)°С с величиной укова 4,5-5,5.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что промежуточную ковку заготовки в (α+β)-области при температуре (Тпп-40)°C с величиной укова 1,5-1,6 за один переход с последующим нагревом в β-область на рекристаллизацию при температуре Тпп+(70-170)°С, ковку заготовки при температуре в β-области с величиной укова 1,25-1,45 ведут 2-3 раза.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в изготовленной заготовке в виде прутка сплав имеет равномерную мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна 5,0-10,0 мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве 50-80% в трансформированной β-матрице без признаков границ β-зерен.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заготовка в виде прутка имеет предел прочности σ_B не менее 1150 МПа при соотношении параметров σ_0,2/σ_B, не менее 0,9, где σ_0,2 - предел текучести, МПа.