СПОСОБ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2024 года по МПК B21D22/02 C22F1/18 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно листовой штамповке жаропрочных титановых сплавов и может быть использовано в авиационно - космической и энергетической отраслях промышленности.

Известны способы листовой штамповки сталей и сплавов методами гибки, формовки, вытяжки и отбортовки (См. Ковка и штамповка: Справочник: в 4 т.Т. 4 Листовая штамповка / Под ред. А.Д. Матвеева; Ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. - М.: Машиностроение, 1985-1987. - 544 с).

Недостатком способов являются малые значения коэффициентов предельной деформации листовых материалов, приводящие к необходимости увеличения числа переходов штамповки и применения промежуточных отжигов (закалок) листовых заготовок. Или нагреву листовых заготовок под штамповку, в том числе изотермическую и штамповку в режиме сверхпластичности.

Известен способ листовой штамповки жаропрочного титанового сплава методом сверхпластической деформации, включающий газовую формовку деталей при заданной температуре и скорости деформации, при этом предварительно проводят электролитическую модификацию сплава никелем, затем нагревают его до температуры 926°С, а газовую формовку осуществляют при температуре 815°С и скорости деформации 2*10^-3 с^-1 до достижения равного соотношения α - и β - фаз микроструктуры сплава (Патент РФ 2614919 МПК В23К 20/18, B21D 26/055, C22F 1/18. Опубл. 30.03.2017. Бюл. №10).

Недостатком способа является высокая трудоемкость и вероятность образования пор в детали при нагреве и сверхпластической деформации заготовки при температурах 815-926°С.

Известен способ формовки листовой заготовки из жаропрочного титанового сплава в режиме сверхпластичности, включающий нагрев заготовки до температуры 800-850°C и деформацию в вакуумной камере (Патент РФ 2693222 МПК B21D 26/02. Опубл. 01.07.2019. Бюл. №19).

Недостатком способа является необходимость использования вакуумной камеры при формовке и неопределенность задания температуры нагрева заготовки под деформацию.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ листовой штамповки титановых сплавов, легированных алюминием, совместно с тугоплавкими металлами или марганцем, заключающийся в нагреве заготовки и последующей формовке детали в штампе при температурах 650-800°С и 700-900°С (АВИАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. - Том 5. -Магниевые и титановые сплавы. - М.: ВИАМ - ОНТИ. 1973. - 583 с, прототип).

Недостатком способа является необоснованность назначения температурных интервалов нагрева заготовок из жаропрочных титановых сплавов и вероятность получения пористости в готовой детали после штамповки, снижении ее механических свойств и ресурса работы.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, является устранение указанных недостатков и повышение качества готовых изделий и ресурса их работы в авиационных двигателях.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе листовой штамповки титановых сплавов, легированных алюминием, совместно с тугоплавкими металлами или марганцем, заключающемся в нагреве листовой заготовки и последующей формовке детали в штампе, при этом нагрев заготовки осуществляют до температуры ниже температурыплавления наиболее легкоплавкого алюминида тугоплавкого металла или марганца.

Кроме того, листовую заготовку сплавов ОТ4, ОТ4 - 0, ОТ4 - 1, ВТ4, легированных алюминием и марганцем, нагревают до температуры 450°С.

А листовую заготовку сплавов ВТ6, ВТ6С, легированных алюминием и ванадием нагревают до температуры 460°С.

Листовую заготовку сплава ВТ20, легированного алюминием, ванадием, молибденом и цирконием, нагревают так же до температуры 460°С.

Последнее следует из диаграмм состояния Al - Mn, А1 - V, А1 - Мо, Al - Zr и др. (См. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Под ред. Лякишева Н.П. М.: Машиностроение, 1996-2000 г.). Кроме того, при назначении температуры нагрева ниже температуры плавления наиболее легкоплавкого алюминида тугоплавкого металла или марганца

(Ж+Al_nMe_m), необходимо учитывать и тепловой эффект деформации, который, по нашим экспериментальным данным на титановых сплавах может составлять более 200°С, в зависимости от скорости деформации и массы образца (заготовки).

Осуществление операций листовой штамповки с подогревом заготовки приводят к повышению показателей штампуемости особенно жаропрочных титановых сплавов. Но при нагреве до температур, близких к температурам плавления алюминидов тугоплавких металлов и марганца, в заготовках и изделиях появляются поры оплавления (Фиг. 1). Приводящие к значительному снижению (до критических) механических свойств сплава после горячей листовой штамповки (Таблица 1)

Данные Таблицы 1 показывают, что при обеих температурах деформации 750°С (нижняя сверхпластичности сплава) и 980°С (верхняя температура сверхпластичности) нагрева, превышающих критическуютемпературу 661°С, имеет место 30% снижение прочностных и более чем на 40% - пластических свойств. Что ставит под сомнение целесообразность широкого применения листовой штамповки жаропрочных титановых сплавов в состоянии сверхпластичности для деталей авиационной и космической техники.

Результаты экспериментальных данных по растяжению образцов в состоянии сверхпластичности нашло свое подтверждение при исследовании микроструктуры патрубков силового кольца после листовой штамповки из заготовки сплава ОТ4-1 серийного ГТД при температуре 900°С (Фиг. 2).

По результатам проведенных исследований изотермическая штамповка патрубков силового кольца ГТД из сплава ОТ4 - 1 была переведена на штамповку «в холодную», с большим количеством переходов штамповки и промежуточных отжигов заготовок (температура 640-750°С).

Результаты исследований показали, что при указанной технологии штамповки поры в патрубках отсутствовали.

Поэтому листовую штамповку заготовок из титановых сплавов, например, ВТ20 и ВТ6 необходимо проводить при температурах нагрева 400-460°С, вместо рекомендуемых ВИАМ 700-900°С.При которых имеет место порообразование.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить качество деталей ГТД, производимых из титановых сплавов. И указывает на ошибочность широкого применения листовой штамповки в состоянии сверхпластичности. Так как механизм сверхпластичности титановых сплавов обусловлен не межзеренным скольжением, как утверждают многолетние публикуемые исследования, а вакансионно - сегментальным течением Я.И. Френкеля - Г. Эйринга. То есть «благодаря» образованию свободных мест вакансий - пор (Онищенко А.К. Рекристаллизационный механизм сверхпластичности промышленных титановых и никелевых сплавов//Вестник машиностроения.2022. №1. С. 72 - 77).

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к листовой штамповке жаропрочных титановых сплавов, и может быть использовано в авиационно-космической и энергетической отраслях промышленности. При штамповке титановых сплавов, легированных алюминием совместно с тугоплавкими металлами или марганцем, осуществляют нагрев листовой заготовки, после чего производят формовку детали в штампе. Нагрев заготовки осуществляют до температуры, которая ниже температуры плавления наиболее легкоплавкого алюминида тугоплавкого металла или марганца. При этом листовую заготовку из сплава ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1, ВТ4, легированного алюминием и марганцем, нагревают до температуры 450°С. Заготовку из сплава ВТ6, ВТ6С, легированного алюминием и ванадием, и из сплава ВТ20, легированного алюминием, ванадием, молибденом и цирконием, нагревают до температуры 460°С. В результате обеспечивается повышение качества готовых изделий и ресурса их работы в авиационных двигателях. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ листовой штамповки титановых сплавов, легированных алюминием совместно с тугоплавкими металлами или марганцем, заключающийся в нагреве листовой заготовки и последующей формовке детали в штампе, отличающийся тем, что нагрев заготовки осуществляют до температуры ниже температуры плавления наиболее легкоплавкого алюминида тугоплавкого металла или марганца.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что листовую заготовку сплавов ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1, ВТ4, легированных алюминием и марганцем, нагревают до температуры 450°С.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что листовую заготовку сплавов ВТ6, ВТ6С, легированных алюминием и ванадием, нагревают до температуры 460°С.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что листовую заготовку сплава ВТ20, легированного алюминием, ванадием, молибденом и цирконием, нагревают до температуры 460°С.