СПОСОБ ПРОТИВОВОДОРОДНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2023 года по МПК C22F1/18 

Изобретение относится к области термической обработки заготовок из титановых сплавов и может быть использовано в авиационной и машиностроительной отраслях промышленности при производстве высококачественных изделий ответственного назначения, в том числе, для газотурбинных двигателей (ГТД).

Известен способ противофлокенной термической обработки поковок из стали, заключающийся в их отжиге после горячей пластической деформации и последующего медленного охлаждения со скоростью не выше 10°С/час (см. М.А. Смирнов и др. «Основы термической обработки», Москва, «Наука и технологии», 2002 г., с. 282-284).

Недостатком данного способа является длительность цикла термической обработки (до 1000 часов), при этом, не всегда обеспечивающей полное отсутствие флокенов в изделии и удаление водорода из них.

Известен способ противофлокенной термической обработки поковок, включающий после проведенной ковки охлаждение поковок на воздухе до температуры 250-350°С, последующий нагрев поковки в печи до 660-700°С, выдержку в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле, и охлаждение со скоростью 5-20°С/час до температуры 240-260°С, при этом выдержку поковок производят в зависимости от степени легированности стали, а продолжительность выдержки определяют по полученной зависимости (см. патент РФ №2395590, кл. C21D 3/06, 2010 г.).

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что его недостатком является высокая трудоемкость и сложность многоступенчатого цикла термической обработки, научно слабо обоснованного, так как реализация способа основывается на гипотезе удаления водорода из заготовки, что практически невозможно, особенно из заготовок, имеющих крупные сечения.

Известен способ противофлокенной термической обработки поковок из стали, согласно которому поковку после горячей пластической деформации подвергают объемной закалке с температурой на поверхности поковки не ниже 600°С и формированием в ее объеме неравновесных структур в слое не менее 1/3 радиуса или толщины поковки от ее поверхности, при этом после горячей пластической деформации и перед объемной закалкой поковка может быть прокована с относительной степенью деформации не менее 0,5 (см. патент РФ №2384629, кл. C21D 3/06, 2010 г.).

Все представленные выше способы применяют к заготовкам из флокеночувствительных сталей. В заготовках из титановых сплавов флокенов не бывает и указанные технические решения к ним не применяют.

Однако, в связи с тем, что титан и его сплавы склонны к водородной хрупкости, установлены жесткие требования по максимально допустимому содержанию водорода для заготовок авиационной и космической отраслей (см. АВИАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, том 5, ВИАМ, ОНТИ - 1973, «ДСП»). При этом в зависимости от состава сплава указанное содержание колеблется в пределах 0,005-0,015% Н₂. Такое существенное различие в требованиях по водороду объясняется тем, что до настоящего времени причина водородной хрупкости не только титановых, но и других металлических материалов так и не выяснена.

Подтверждением этого мнения является монография «Механические свойства титана и его сплавов». Колачев Б.А., Ливанов В.А., Буханова А.М., Металлургия, 1974, с. 295 - 363, в которой приведены шесть видов водородной хрупкости титана и его сплавов.

Поэтому при производстве и обработке титана и его сплавов для деталей авиационной техники (например, дисков ГТД), используют слитки, получаемые методом тройного вакуумно-дугового переплава электродов соответствующего сплава и вакуумного отжига заготовок и деталей.

Известен способ термической обработки заготовок из титановых сплавов, включающий нагрев заготовок до температуры 1000-550°С, выдержку при этой температуре и охлаждение до температуры окружающей среды в печи с открытой атмосферой (см. Технология создания неразъемных соединений при производстве газотурбинных двигателей/ Ю.С. Елисеев, С.Б. Масленков, В.А. Гейкин, В.А. Поклад/ под общ. ред. С.Б. Масленкова. - М.: Наука и технологии, 2001. - с. 280 - 285, АВИАВДОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, том 5, ВИАМ, ОНТИ - 1973, «ДСП»).

Недостатком известного способа является то, что при такой термообработке не происходит удаления водорода из металла. Более того, возможно насыщение сплава водородом из атмосферы печи, так как титан и его сплавы интенсивно поглощает газы (0₂, N₂, Н₂) из атмосферы печи и тем больше, чем выше температура нагрева.

Известен способ противоводородной термической обработки заготовок из титановых сплавов, включающий нагрев заготовок до температуры 1000-550°С, выдержку при этой температуре и охлаждение до температуры окружающей среды в печи с вакуумом (Механические свойства титана и его сплавов. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Буханова А.М., Металлургия, 1974, с. 512).

Недостатком способа является неопределенность назначения оптимальных, с точки зрения качества, температурно-временных параметров такой термической обработки, особенно, к заготовкам среднего (более 50 мм) и особенно крупного сечения - (Онищенко А. К. Теория промышленной ковки стали и сплавов: Монография. - 2-е изд. перераб. и доп.- М.: Издательство «Спутник+», 2021. Стр. 68, Рис. 12).

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является устранение указанных недостатков, а именно, повышение качества получаемых из заготовок изделий за счет удаления из заготовки наиболее активного, атомарного водорода. Его удаление происходит за счет прохождения на поверхности заготовки реакции окисления двуокиси титана (ТЮ₂) водородом (в первую очередь атомарным), находящимся в объеме заготовки и выделяющимся к ее поверхности при нагреве заготовки в вакуумной печи, до сесквиоксида титана (Ti₂O₃).

Формула этой химической реакции следующая:

Видно, что реакция эндотермическая, ее движение вправо обеспечивается вакуумом (понижением давления), повышением концентрации исходных продуктов (TiO₂ + Н₂) и нагревом до заданной температуры(- 127,4кДж). И, что наиболее важно, - окислением водорода до неактивного продукта реакции - пара (Н₂О), удаляемого вакуумным насосом в атмосферу.

Следует отметить, что, так как в заготовке из титановых сплавов, кроме водорода присутствуют кислород и азот, то образование H₂O возможно и во внутренних объемах заготовки при диффузии водорода к поверхности и его соединении с кислородом по цепной реакции (см. Семенов Н.Н. Цепные реакции. - М.: Наука, 1986. - 535 с.). При этом с азотом он реагировать не будет, так как аммиак (NH₃) получают только при высоких давлениях и в присутствии катализатора.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе противоводородной термической обработки заготовок из титановых сплавов, включающем нагрев заготовок до температуры 1000-600°С, выдержку при этой температуре и охлаждение до температуры окружающей среды, при этом термическую обработку производят дважды, сначала в печи с открытой атмосферой, а затем в печи с вакуумом.

Также при термообработке в печи с открытой атмосферой выдержку заготовок при температуре нагрева производят до образования на всей поверхности заготовки устойчивого белого слоя окалины из двуокиси титана (TiO₂).

Кроме того, при термообработке в печи с вакуумом выдержку заготовок при температуре нагрева производят до образования на всей поверхности заготовки устойчивого темного (фиолетово - черного) слоя окалины из сесквиоксида титана (Ti₂O₃).

Исследованиями экзотермической реакции

установлено, что она наиболее интенсивно протекает в вакууме, в струе водорода, в интервале температур 1000-750°С.

Кроме того, начиная от температуры нагрева 750°С на титановых сплавах в печи с открытой атмосферой образуется устойчивый белый слой окалины из двуокиси титана (TiO₂), который при последующем нагреве и выдержке в печи с вакуумом при диффузии водорода из внутренних слоев заготовки к поверхности окисляет двуокись титана до темного цвета сесквиоксида титана (Ti₂O₃).

Выдержки заготовок по времени при заявленных температурах назначают в зависимости от массы заготовки до образования на поверхности устойчивого слоя сначала двуокиси титана, а затем сесквиоксида титана.

Нижняя температура заявляемого интервала в 600°С выбрана с учетом возможного прохождения при диффузии водорода из внутренних слоев заготовки к поверхности цепной реакции образования H₂O из водорода и кислорода. При этом указанная реакция при температурах близких к 600°С проходит - без взрыва очень быстро (при 618°С - за 7 секунд).

То есть в настоящем техническом решении фактически предлагается два пути подавления влияния атомарного водорода на водородную хрупкость титановых сплавов за счет его перевода их активного атомарного в инертный - оксид H₂O. На поверхности заготовки за счет восстановления водородом диоксида титана и внутри - окислением водорода кислородом. Кроме того, при наличии внутри заготовки гидридов титана TiH₂, при температурах 600 - 1000°С они разлагаются на Ti и 2Н (-126кДж). В результате чего увеличивается содержание атомарного водорода в объеме заготовки и повышается вероятность прохождения цепной реакции горения водорода с образования окисла - H₂O (+47, 62 кДж) за счет диффузии атомарного водорода при нагреве и выдержке до заданной температуры (см. О.П. Коробейничев, В.Н. Панфилов, В.М. Шварцберг, Т.А. Большова Разветвленные цепные реакции в процессах промотирования и ингибирования горения водорода/ Физика горения и взрыва, 2010, т.46, №2. - С. 26-35).

При этом режим термической обработки в печи с открытой атмосферой может быть совмещен с заключительным нагревом заготовок до температур 1000-850°С под ковку-штамповку, после которой на поверхности поковки образуется устойчивый слой окалины двуокиси титана - TiO₂. И в этом случае термообработка будет ограничена только режимом в печи с вакуумом.

Заявленный способ осуществляют следующим образом.

Одним из существенных достоинств способа является его универсальность. Он может быть реализован как в едином технологическом цикле ковки - штамповки, термообработки заготовок, так и отдельно от него, когда полученные заготовки, находящиеся на складе, перед изготовлением из них деталей, необходимо подвергнуть противоводородной термической обработке. Поэтому данный способ является весьма эффективным, когда заготовки производят на одном предприятии, а изделия из них - на другом и противоводородная термическая обработка должна быть произведена на предприятии - изготовителе деталей.

При реализации способа в едином технологическом цикле ковки -штамповки, термообработки, перед последней операцией ковки - штамповки промежуточную заготовку из титанового сплава нагревают в печи до температуры на 30-40°С ниже А_с3 (980-850°С), производят последующую горячую механическую обработку до окончательных размеров поковки с окончанием обработки при температуре конца ковки - 900-750°С. После чего полученные поковки передают в термический цех на обработку в печи с вакуумом, по режиму термической обработки поковки в соответствии с ТУ.

Противоводородная термическая обработка может быть осуществлена как отдельный технологический цикл. Для этого берут с места хранения (например, со склада) изготовленную ранее холодную, с припуском на окончательную механическую обработку, заготовку передают ее в термический цех, в котором осуществляют двойную термообработку заготовки: сначала в печи с открытой атмосферой, а затем - в вакуумной печи.

Примеры реализации заявленного способа.

Пример 1

Из штанги ∅ 90 мм сплава ВТ 20 за три нагрева при температурах 1100-900°С под молотом свободной ковки 3тн. изготовили поковку кольца диаметром наружным 300 мм, внутренним 250 мм и высотой 150 мм корпуса ГТД. Последний нагрев заготовки под ковку осуществляли до температуры 980°С (А_с3=1015°С) и получили поковку с устойчивым слоем белой окалины двуокиси титана (TiO₂). После чего поковку передали на отжиг в вакуумной печи при температуре 750°С, выдержка 2 часа, охлаждение - аргон.

Исследования металла показали следующее. При допустимом ТУ содержании водорода 0,015%, по результатам газового анализа в поковке обнаружено содержание водорода 0,00876%. После вакуумного отжига его содержание уменьшилось до 0,00493%.

Водородное охрупчивание характеризуется, прежде всего, снижением показателей пластичности сплава. Что и было установлено испытанием механических свойств поковки на продольных образцах (Таблица 1).

Данные Таблицы 1 показывают, что противоводородная обработка заготовок с окалиной из диоксида титана в вакууме при температуре 750°С ±5° привела к повышению пластических характеристик сплава ВТ20 более чем в 2 раза. При этом содержание водорода в заготовке также уменьшилось на 45%.

Пример 2

Поковка диска ротора компрессора ГТД из сплава ВТ8 с размерами: диаметр наружный 300 мм, диаметр внутренний 150 мм и толщиной 25 мм, после ковки, была передана в термический цех. Где прошла двойной отжиг, сначала в печи с открытой атмосферой, а затем в печи с вакуумом по следующему режиму:

1. Нагрев до 920°С, выдержка 1 час, охлаждение до температуры окружающей среды;

2. Нагрев до 580°С, выдержка 2 часа, охлаждение до температуры окружающей среды.

Механические свойства, полученные после указанной обработки, представлены в Таблице 2.

Полученные данные по испытаниям механических свойств показывают эффективность применения представленного технического решения для подавления водородной хрупкости титановых сплавов. Для сплава ВТ 8 и его модификаций, широко используемых в авиационном двигателестроении, предлагаемая термическая обработка повышает пластические и вязкие свойства сплава не менее чем на 40%.

При этом содержание водорода в поковке после данной термической обработки составляло 0,005%, при допустимых ТУ - 0,015%.

Заявленный способ применим для противоводородной термической обработки всех титановых сплавов, для его осуществления не требуется приобретения и установки специального оборудования и вложения дополнительных средств. Так как используемое при этом термическое оборудование имеется на всех авиационных заводах отрасли.

Изобретение относится к области термической обработки заготовок из титановых сплавов и может быть использовано в авиационной и машиностроительной отраслях промышленности при производстве высококачественных изделий ответственного назначения, в том числе для газотурбинных двигателей (ГТД). Способ противоводородной термической обработки заготовок из титановых сплавов включает нагрев заготовок до температуры 1000-600°С, выдержку при этой температуре и охлаждение до температуры окружающей среды. Указанную термическую обработку производят дважды, сначала в печи с открытой атмосферой, а затем в печи с вакуумом. В печи с открытой атмосферой выдержку заготовок при температуре нагрева производят до образования на всей поверхности заготовки устойчивого белого слоя окалины из двуокиси титана (TiO₂). В печи с вакуумом выдержку заготовок при температуре нагрева производят до образования на всей поверхности заготовки устойчивого темного фиолетово-черного слоя окалины из сесквиоксида титана (Ti₂O₃). Изобретение эффективно для удаления атомарного водорода из заготовок средних и крупных сечений и предотвращения водородной хрупкости деталей из титановых сплавов при их работе в ГТД. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр.

1. Способ противоводородной термической обработки заготовок из титановых сплавов, включающий нагрев заготовок до температуры 1000-600°С, выдержку при этой температуре и охлаждение до температуры окружающей среды, отличающийся тем, что указанную термическую обработку производят дважды, сначала в печи с открытой атмосферой, а затем в печи с вакуумом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при термообработке в печи с открытой атмосферой выдержку заготовок при температуре нагрева производят до образования на всей поверхности заготовки устойчивого белого слоя окалины из двуокиси титана (TiO₂).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при термообработке в печи с вакуумом выдержку заготовок при температуре нагрева производят до образования на всей поверхности заготовки устойчивого темного (фиолетово-черного) слоя окалины из сесквиоксида титана (Ti₂O₃).