Способ термической обработки интерметаллидных титановых Орто-сплавов Российский патент 2023 года по МПК C22F1/18 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к интерметаллидным титановым сплавам на основе соединения Ti₂AlNb (Орто-сплавы), которые предназначены для изготовления деталей газотурбинного двигателя (лопаткам, дискам, корпусам и др.), работающих при повышенных температурах.

Известно, что литые интерметаллидные титановые сплавы на основе соединения Ti₂AlNb обладают при температуре 20°С низкими пластическими свойствами - пределом прочности σ_В²⁰ ~ 700 МПа и относительным удлинением δ²⁰ ~ 1%. Такой уровень механических свойств Орто-сплавов затрудняет производство деформированных полуфабрикатов - поковок, штамповок, прутков, листов и пр.

Для получения полуфабрикатов из интерметаллидных Орто-сплавов используют технологические схемы, включающие многократные осадки -вытяжки - осадки литых заготовок при температурах полиморфного превращения (Тпп) равных Тпп + (20-30)°С с последующим снижением температуры до значений Тпп - (50-150)°С. Использование таких технологических схем приводит к повышенному окислению и дополнительным операциям - травлению для удаления газонасыщенных поверхностных слоев и механической обработке - точению, строжке, и фрезерованию, что приводит к снижению коэффициента использования металла (КИМ) и увеличению стоимости готовых полуфабрикатов.

Для облегчения процессов пластической деформации интерметаллидных титановых Орто-сплавов предложено вводить в Орто-сплавы водород [Хаджиева О.Г., Гриб С.В., Малевич Ю.А., Илларионов А.Г. Влияние водорода на превращения в сплаве на основе интерметаллида Ti₂AlNb // Сборник тезисов докладов VIII Всероссийская школа-конференция молодых ученых "КоМУ-2010" - Ижевск: ФТИ УрО РАН, УдГУ, ИжГТУ, 2010. с. 108-109] который, являясь временным легирующим элементом, увеличивает количество пластичной β-фазы, облегчает процессы пластической деформации при температурах Тпп - (100-150)°С и уменьшает газонасыщение поверхности полуфабрикатов. В представленном источнике не используются режимы термической обработки, поскольку введение водорода применяется для повышения технологической пластичности при горячей обработке давлением.

Исследование [Zhang L.T., Ito K., Vasudevan V.K., Yamaguchi М. Beneficial effects of O-phase on the hydrogen absorption of Ti-Al-Nb //Journal of Intermetallics, 2001, v. 9, pp. 1045-1052] показало, что интерметаллид Ti₂AlNb может содержать при температуре 50°С остаточный водород от 1 до 1,2 (мас. %), который присутствует в структуре в виде твердых растворов и гидридов с формулами (TiNb)_XH_Y где Х=2 или 1, a Y=1. Присутствие водорода в таких сплавах приводит к тому, что при механическом воздействии на твердые растворы, на межфазных границах выделяются гидриды, которые приводят к малопластичному или хрупкому разрушению. Для удаления водорода из твердых растворов и гидридов необходимо использовать вакуумную термическую обработку (ВакТО).

Известен способ [SU 1506916 А1, Способ термической обработки α-титановых сплавов (МПК C22F 1/18, опубл.- 27.03.1995)], в соответствие с которым наводороженные α-сплавы (марки ВТ5Л и ВТ5-1) нагревают до температур Тпп - (20-50)°С, выдерживают 1 ч, охлаждают со скоростью от 0,03 до 10 С⋅с^-1 до температуры от 200 до 400°С выше конца эвтектоидного превращения и старение при этой температуре в течение от 1 до 10 ч. Затем проводят вакуумный отжиг при температурах от 600 до 650°С и выдержкой, необходимой для полной дегазации изделия. Данный способ имеет существенные недостатки:

- способ применяется для α-сплавов (т.е. сплавам с α-стабилизирующими элементами - Al и Sn) и не может применяться для высоко легированных сплавов системы Ti-Al-Nb;

- в способе не указаны начальное и конечное содержание водорода после термической обработки;

- вакуумный отжиг проводится при температурах от 600 до 650°С, при которых не происходит эффективного удаления растворенного в сплавах водорода.

Известен способ [RU 2081201 О, Способ обработки изделий из титановых деформированных сплавов (МПК C22F 1/18, опубл. - 06.10.1997)], в соответствие с которым изделия из технического титана (сплавы марок ВТ1-00, ВТ 1-0) и двухфазные титановые сплавы (сплавы марок ВТ6, ВТ6С) подвергаются чистовой механической обработке и последующему вакуумному отжигу при температурах (0,8-0,9) Тпл (от 1336 до 1530°С) в вакууме от 0,0133 до 0,00133 Па (от 10^-4 до 10^-5 мм. рт.ст.) в течение от 15 до 30 мин с регламентированными скоростями нагрева от 350 до 800°С⋅ч^-1 (от 5,8 до 13,3°С мин^-1) и охлаждения от 10 до 200°С мин^-1. Приведенный способ ВакТО имеет существенные недостатки:

- ВакТО при таких высоких температурах (от 1336 до 1530°С) предназначена для снятия остаточных напряжений в титановых деталях и приводит к получению материала с крупнокристаллической структурой, которая обеспечивает невысокую прочность и повышенную пластичность и применяется в качестве конструкционного материала в ювелирной промышленности;

- ВакТО при указанных температурах приводит к вакуумному растраву (изменению шероховатости поверхности) и ее активизации, которая необходима для нанесения различных покрытий с требуемыми эксплуатационными свойствами.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ ВакТО, предложенный в работе [Борисова Е.А., Шашенкова И.И., Глебова Р.Д., о вакуумном отжиге титановых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов, 1972, №5, с. 10-13]. Согласно этому способу ВакТО проводилась на серийных (α+β) титановых сплавах марок ВТ6С и ВТ20 при температурах от 650 до 800°С, вакууме 0,0133 Па (10^-4 мм.рт.ст.) и времени выдержки от 1 до 2 ч. Исследование показало, что оптимальными режимами ВакТО для этих сплавов являются - температура 650°С, выдержка 2 ч или температура 800°С, выдержка 1 ч. Эти режимы ВакТО приводили к удалению водорода до значений не выше 0,005(мас. %). Изученные режимы ВакТО мало влияли на прочностные механические свойства (σ_В, δ_0,2, δ, ψ), но снижали циклическую и малоцикловую прочности от 10 до 15% при температуре 20°С, что было вызвано ухудшением качества поверхности термически обработанных образцов за счет растрава поверхности и образования концентраторов напряжений.

Использование указанного в прототипе способа (Борисова Е.А., Шашенкова И.И., Глебова Р.Д., О вакуумном отжиге титановых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов, 1972, №5, с. 10-13) для Орто-сплавов не представляется возможным, поскольку растворимость водорода в этих сплавах составляет от 1 до 1,2 (мас. %) (при температуре 50°С) и образующиеся гидриды имеют большую стойкость к нагреву. Для разрушения в Орто-сплавах гидридов титана и ниобия и удаления образующегося водорода необходимо использовать температуры выше 800°С и вакуум лучший, чем 0,0133 Па.

Технической задачей и техническим результатом заявленного изобретения является разработка режимов ВакТО водородсодержащего Орто-сплава, обеспечивающего эффективное удаление водорода с содержанием от 0,1 до 0,2(мас. %) до значений 0,004(мас. %), повышения уровня механических свойств таких, как предел прочности на 38%, предела текучести на 33% и относительного удлинения и сужения в 3,2 раза.

Для достижения поставленного технического результата предложен способ вакуумной термической обработки заготовок из интерметаллидных титановых орто-сплавов, включающий загрузку заготовок в садку, нагрев садки с заготовками до температуры термической обработки, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что нагрев садки с заготовками проводят ступенчато в вакууме с величиной вакуума не более 0,0093 Па: сначала осуществляют нагрев до температуры 500°С со скоростью от 10 до 12°С мин" ¹ с выдержкой не менее 3 ч, далее осуществляют нагрев до температур от 900 до 940°С со скоростью от 5 до 8°С мин'¹ с выдержкой не менее 3 ч, после чего садку с заготовками охлаждают с печью в вакууме 0,0093 Па до температуры 250°С и далее на воздухе до температуры 20°С.

Предпочтительно, термическую обработку проводят в вакуумной термической печи, имеющей натекание не более 130 Па за время не менее 15 мин.

Предпочтительно, садку с заготовками охлаждают инертными газами высокой чистоты - аргоном и/или гелием с точкой росы не менее минус 60°С.

Эксперименты показали, что ВакТО при температуре 800°С, вакууме 0,0133 Па и времени 2 ч обеспечивают частичное удаление водорода с содержания 0,2 (мас.%) до значений 0,12 (мас. %) (т.е. в 1,8 раза) и такое содержание водорода не может обеспечить надежную эксплуатацию Орто-сплавов. ВакТО образцов сплава при температуре 880°С снизило содержание водорода до 0,012 (мас.%) (т.е. в 18 раз), что также недостаточно для конструкционного использования Орто-сплавов. ВакТО при температурах от 900 до 920°С снижает содержание водорода до значений 0,005 (мас. %), причем дальнейшее повышение температуры ВакТО до 940°С и выше, приводит к снижению содержания водорода в сплаве до уровня 0,004 (мас. %). Использование ВакТО при температуре 960°С не приводит к снижению содержания водорода, но вызывает заметные изменения в шероховатости поверхности (образуется т.н. «вакуумный растрав»), что требует дополнительную механическую обработку поверхности. Следует отметить, что высокие температуры ВакТО увеличивают продолжительности цикла термической обработки, что приводит к снижению производительности оборудования на 25% за счет большего времени охлаждения заготовок.

Уменьшение времени охлаждения образцов после ВакТО достигается ускоренным охлаждением инертными газами - аргоном и/или гелием, обеспечивающих повышенную производительность ВакТО.

ВакТО заготовок из интерметаллидного титанового Орто-сплава в интервале температур от 900 до 940°С, вакууме не хуже 0,0093 Па (7⋅10^-5 мм.рт.ст.) и времени не менее 3 ч показали, что заготовки, содержащие 0,2 (мас. %) водорода и обработанные по приведенному режиму, имели низкое содержание водорода на уровне 0,004 (мас. %), что превышало содержания водорода в серийных титановых сплавах.

Пониженное содержание водорода в заготовках интерметаллидного титанового Орто-сплава привело к стабилизации фазового состава и образованию дисперсных выделений упрочняющих фаз, которые привели к повышению прочностных и пластических характеристик материала.

Примеры осуществления

Слиток интерметаллидного титанового сплава состава Ti-21Al-23Nb-Zr-Mo-Ta-W-Si(ат. %) изготавливался по технологии производства серийных титановых сплавов. Технология, включала подготовку шихтовых материалов, изготовление расходуемого электрода методом непрерывного прессования и выплавку слитков многократным вакуумно-дуговым переплавом.

Механически обработанная литая заготовка подвергалась всесторонним ковкам, ковке на промежуточный размер, механической очистке поверхности заготовок и наводораживанию. Наводороженные заготовки подвергались прокатке при температурах нагрева (Тпп - 80)°С и суммарной степени деформации ~ 90%.

Прутки подвергались резке на заготовки под образцы для определения исходного содержания водорода и испытаний механических свойств при температуре 20°С.

Заготовки образцов после горячей деформации имели большие внутренние напряжения, которые при последующем быстром нагреве вызывали образование микротрещин и приводили к разрушению образцов при механических испытаниях. Для устранения этих явлений был использован ступенчатый нагрев заготовок образцов до температуры 500°С со скоростью от 10 до 12°С⋅мин^-1 и далее до температур от 900 до 940°С со скоростью от 5 до 8°С⋅мин^-1. Эти режимы нагрева приводили к снятию деформационных и термических напряжений и стабилизации фазового состава сплава.

Заготовки подвергались ВакТО и использовались для определения содержания остаточного водорода и испытаний механических свойств при температуре 20°С.

ВакТО проводилась при температурах 880, 900, 920, 940 и 960°С, вакууме 0,0093 Па (7 10^-5 мм. рт.ст.) в течение не менее 3 ч, охлаждения с печью до температуры 200°С и далее на воздухе до температуры 20°С.Для сравнения использовался режим ВакТО прототипа - нагрев 800°С, выдержка 2 ч., вакуум 0,0133 Па (10^-4 мм.рт.ст.), охлаждение с печью до 200°С и далее на воздухе. Результаты определения содержания водорода в образцах после таких обработок представлены в таблице 1.

Результаты испытаний вариантов ВакТО показали, что нагрев по прототипу и нагрев при температуре 880°С (опыт 2) не обеспечивает эффективное удаление водорода, которое уменьшается только в 1,8 раза (для прототипа) и по предложенному способу от 40 до 50 раз.

Эффективность ВТО по проведенным режимам (образцы 3 -5) от 900 до 940°С и давлении вакуума 0,0093 Па (7⋅10^-5 мм.рт.ст.) в течение не менее 3 ч привело к снижению содержания водорода до уровня 0,004 (мас. %). Повышение температуры до 960°С не обеспечивает дальнейшее снижение в содержании водорода в заготовках.

ВакТО по предложенному способу позволила повысить механические свойства заготовок. Результаты механических испытаний прутковых заготовок в исходном состоянии и после ВакТО по предложенному режиму при температуре 20°С представлены в таблице 2.

Таким образом, предложенный режим ВакТО позволяет удалить в заготовках остаточный водород до уровня 0,004(мас. %), повысить механические свойства заготовок - предел прочности сплава на 38%, предел текучести на 33%, относительное удлинение и сужение в ~ 3,2 раза.

Использование предлагаемого способа ВакТО для деформированных полуфабрикатов в виде прутков из интерметаллидного титанового Орто-сплава обеспечивает:

- эффективное разрушение гидридов и удаление остаточного водорода;

- получение в заготовках сплава низкого содержания водорода и повышенный уровень механических свойств.

Предложенный способ ВакТО полуфабрикатов в виде прутковых заготовок из интерметаллидных титановых Орто-сплавов может использоваться для изготовления деталей газотурбинного двигателя, что позволит обеспечить надежную работу конструкции и требуемый технический ресурс изделий.

Изобретение относится к металлургии, а именно к интерметаллидным титановым сплавам на основе соединения Ti₂AlNb, которые могут быть использованы для изготовления деталей газотурбинного двигателя, работающих при повышенных температурах. Способ вакуумной термической обработки заготовок из интерметаллидных титановых орто-сплавов включает загрузку заготовок в садку, нагрев садки с заготовками до температуры термической обработки, выдержку и охлаждение. Нагрев садки с заготовками проводят ступенчато в вакууме с величиной вакуума не более 0,0093 Па: сначала осуществляют нагрев до температуры 500°С со скоростью от 10 до 12°С⋅мин^-1 с выдержкой не менее 3 ч, далее осуществляют нагрев до температур от 900 до 940°С со скоростью от 5 до 8°С⋅мин^-1 с выдержкой не менее 3 ч, после чего садку с заготовками охлаждают с печью в вакууме 0,0093 Па до температуры 250°С и далее на воздухе до температуры 20°С. Обеспечивается эффективное удаление водорода, повышение механических свойств заготовок. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ вакуумной термической обработки заготовок из интерметаллидных титановых орто-сплавов, включающий загрузку заготовок в садку, нагрев садки с заготовками до температуры термической обработки, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что нагрев садки с заготовками проводят ступенчато в вакууме с величиной вакуума не более 0,0093 Па: сначала осуществляют нагрев до температуры 500°С со скоростью от 10 до 12°С⋅мин^-1 с выдержкой не менее 3 ч, далее осуществляют нагрев до температур от 900 до 940°С со скоростью от 5 до 8°С⋅мин^-1 с выдержкой не менее 3 ч, после чего садку с заготовками охлаждают с печью в вакууме 0,0093 Па до температуры 250°С и далее на воздухе до температуры 20°С.

2. Способ по п. 1, отличающий тем, что термическую обработку проводят в вакуумной термической печи, имеющей натекание не более 130 Па за время не менее 15 мин.

3. Способ по п. 1, отличающий тем, что садку с заготовками охлаждают инертными газами высокой чистоты - аргоном и/или гелием с точкой росы не менее минус 60°С.