СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2025 года по МПК C22F1/18 

Изобретение относится к области металлургии, к способам термической обработки титановых сплавов и может быть использовано для термической обработки изделий из легированных титановых сплавов.

Титановые сплавы классифицируются по различным признакам. Наиболее распространена классификация сплавов по фазовому составу. Она наиболее подходит для анализа реологических свойств сплавов и включает: α-сплавы, псевдо-α-сплавы, (α+β)-сплавы, псевдо-β-сплавы, β-сплавы и сплавы на основе интерметаллидов. Для классификации титановых сплавов может быть использован коэффициент β-стабилизации (К_β), который показывает, насколько данный сплав близок по химическому составу к сплаву критического состава. Коэффициент К_β определяют по соотношению:

К_β =C₁/С_1кр +С₂/С_2кр+…+ C_n/С _nkp ,

где С₁, C₂,…, C _n - содержание β-стабилизаторов (V, Nb, Mo, Ta, Cr, Mn, Fe и др.);

С_1кр, C_2кр, … , C_nkp - критическая концентрация β-стабилизаторов, свыше которой в соответствующих двойных системах закалкой фиксируется только β-фаза с ω-фазой или без нее, а мартенситное превращение подавляется.

Кроме того, титановые сплавы подразделяют на группы по структуре в закаленном состоянии: сплавы мартенситного класса, сплавы переходного класса и β-сплавы.

Также существует классификация титановых сплавов по стабильности β-фазы по отношению к напряжениям и по отношению к пластической деформации: 1) сплавы с механически нестабильной β-фазой по отношению к напряжениям (К_β=0,7-1,3); 2) сплавы с механически нестабильной β-фазой по отношению к пластической деформации (К_β = 1,3-1,7); 3) сплавы с механически стабильной β-фазой (К_β = 1,7-2,5).

Титановые сплавы с механически нестабильной β-фазой (К_β=0,7-1,3) характеризуются тем, что при охлаждении из (α+β)- и β-области или изотермическом нагреве β-фаза может претерпевать при некоторых условиях β→(β+ω)-превращение. В этот класс входят высокопрочные, глубоко прокаливающиеся титановые сплавы, предназначенные для изготовления как высоконагруженных крупногабаритных деталей и конструкций, так и полуфабрикатов малого сечения (прутки, листы), из которых изготавливают различные детали авиационной техники, в том числе крепеж и пружины, работающие при температурах менее 100°С.

Титановые сплавы с К_β=0,7-1,3 обладают комплексом ценных свойств, однако применение на заключительных этапах термической обработки высокой температуры (450-600°С) в сочетании с повышенной длительностью (до 20 часов и более) связано с активным взаимодействием сплавов титана с атмосферными газами, в результате чего образуется газонасыщенный слой и слой оксида титана на поверхности, который в большинстве случаев недопустим на финишных изделиях. Альтернативное применение при старении вакуумных печей либо печей с защитной атмосферой несет дополнительные издержки для производства.

Известен способ термической обработки двухфазных титановых сплавов, включающий закалку с 910-940°С и искусственное старение, при этом старение проводят при температуре 260-380°С в течение 8-24 часов, причем нижний температурный предел старения соответствует верхнему температурному пределу нагрева под закалку и наоборот (авторское свидетельство СССР №430188, МПК C22F1/18, публ. 30.05.1974).

Известный способ имеет ограниченное применение, применим только для сплава ВТ14 с К_β≈0,4. Обработка по данному режиму более легированных титановых сплавов, а именно закалка из β-области (910-940°С для таких сплавов, как, например, ВТ16, ВТ23, Ti-10V-2Fe-3Al и др.) и последующее старение при 260-380°С в течение 8-24 часов приводит к охрупчиванию изделий.

Известен способ термической обработки полуфабрикатов из высокопрочного титанового сплава (К_β=1,24), включающий нагрев, выдержку при температуре ниже температуры полиморфного превращения, охлаждение и старение, при этом нагрев производят непосредственно до температуры ниже t^{β←→α+β} на (30-70)°C, выдержку при этой температуре осуществляют в течение 2-5 ч, а старение проводят при температуре 540-600°C в течение 8-16 ч (Патент РФ на изобретение №2169204, МПК C22C14/00, C22F1/18, публ. 20.06.2001) - прототип.

Недостатком прототипа является высокая температура старения (540-600°С), вызывающая повышенное окисление поверхности, что требует дополнительных операций по очистке поверхности, например, проведения операций по механической или химической обработке (щелочение и травление). Кроме того, окисленная поверхность может быть недопустима для финишных изделий.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка режима термической обработки изделий из титановых сплавов с коэффициентом β-стабилизации К_β = 0,7-1,3.

Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является получение комплекса высоких прочностных свойств изделий с сохранением пластичности без окисления изделий при старении.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе термической обработки изделий из титановых сплавов, включающей нагрев до температуры закалки, выдержку при этой температуре, закалку, нагрев до температуры старения, выдержку при температуре старения и охлаждение на воздухе, согласно изобретению термической обработке подвергают титановые сплавы с коэффициентом β-стабилизации (К_β), составляющим 0,7-1,3, при этом нагрев под закалку осуществляют до температуры от 10 до 120°С ниже температуры полиморфного превращения, закалку проводят со скоростью охлаждения не менее 60°С/сек, а старение проводят при температуре от 150 до 250°С и выдержке при этой температуре от 0,2 до 50 часов.

Способ по настоящему изобретению осуществляется последовательно, в два этапа термической обработки.

На первом этапе осуществляют нагрев металла до температуры на 10-120°С ниже температуры полиморфного α→β превращения (далее - ТПП) и закалку в среде, обеспечивающей скорость охлаждения не менее 60°С/секунду, что приводит к фиксации в структуре метастабильной β-фазы, подверженной распаду с выделением ω-фазы при последующем старении.

На втором этапе термической обработки осуществляют старение при температуре от 150 до 250°С и выдержке при этой температуре от 0,2 до 50 часов. В указанном диапазоне температуры и выдержки формируется упрочняющая ω-фаза, обеспечивающая дисперсионное упрочение с сохранением пластичности матричной β-фазы, что обеспечивает получение повышенного уровня механических свойств. Минимальная выдержка при старении, составляющая 0,2 часа, обусловлена геометрическими размерами нагреваемого металла и способностью нагревательной среды во время прогрева. Превышение максимальной выдержки металла при старении, составляющей 50 часов, вызывает хрупкость материала.

Таким образом, благодаря чувствительности титановых сплавов с механически нестабильной β-фазой, имеющих коэффициент β-стабилизации К_β = 0,7-1,3, к типу и параметрам структуры возможно получение различного сочетания прочностных, пластических и служебных свойств, применяя предложенную настоящим изобретением двухступенчатую термическую обработку.

Промышленную применимость изобретения подтверждает пример конкретной его реализации.

В качестве материалов для исследования использовали деформированные полуфабрикаты из титановых сплавов Ti-10V-2Fe-3Al (К_β = 0,95), ВТ23 (К_β = 0,79) и сплава ВТ16 (К_β = 0,73). Химический состав сплавов и температура полиморфного превращения сплавов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Массовая доля элементов, % ТПП, °С Марка сплава Ti Al V Mo Cr Fe O C N H Ti-10V-2Fe-3Al основа 3 9,6 - - 1,7 0,15 0,028 0,004 0,007 823 ВТ23 основа 5,9 4,5 2,2 1,2 0,6 0,11 0,012 0,003 0,003 910 ВТ16 основа 3,1 4,0 4,9 - 0,1 0,11 0,006 0,004 0,002 850

Полуфабрикаты из указанных сплавов подвергали деформированию ковкой и последующей прокаткой с получением катаных прутков диаметром от 14 до 22 мм.

От прутков были отрезаны образцы для испытаний механических свойств. Образцы на первом этапе были термически обработаны путем закалки в воду после нагрева до температуры ниже температуры полиморфного превращения. На втором этапе был выполнен нагрев до температуры старения, выдержка при температуре старения и охлаждение на воздухе. Режимы термической обработки представлены в табл. 2.

После термической обработки проводили испытания образцов на растяжение и исследование структуры. Испытание образцов на растяжение осуществляли на разрывной машине Zwick Z600 при комнатной температуре в соответствии со стандартом ASTM E8.

Таблица 2

Марка сплава Номер режима термической обработки Параметры закалки Параметры старения Ti-10V-2Fe-3Al 1 Нагрев до 760°С, выдержка 2 часа, охлаждение в воду со скоростью 80°С/сек Нагрев до 150°С, выдержка 2 часа, охлаждение на воздухе 2 Нагрев до 760°С, выдержка 2 часа, охлаждение в воду со скоростью 80°С/сек Нагрев до 200°С, выдержка 0,25 часа, охлаждение на воздухе 3 Нагрев до 760°С, выдержка 2 часа, охлаждение в воду со скоростью 80°С/сек Нагрев до 200°С, выдержка 10 часов, охлаждение на воздухе 4 Нагрев до 760°С, выдержка 2 часа, охлаждение в воду со скоростью 80°С/сек Нагрев до 200°С, выдержка 20 часов, охлаждение на воздухе ВТ23 5 Нагрев до 850°С, выдержка 2 часа, охлаждение в воду со скоростью 80°С/сек Нагрев до 200°С, выдержка 10 часов, охлаждение на воздухе 6 Нагрев до 850°С, выдержка 2 часа, охлаждение в воду со скоростью 80°С/сек Нагрев до 200°С, выдержка 50 часов, охлаждение на воздухе ВТ16 7 Нагрев до 760°С, выдержка 2 часа, охлаждение в воду со скоростью 80°С/сек Нагрев до 200°С, выдержка 2 часа, охлаждение на воздухе 8 Нагрев до 760°С, выдержка 2 часа, охлаждение в воду со скоростью 80°С/сек Нагрев до 200°С, выдержка 20 часов, охлаждение на воздухе

Результаты испытаний механических свойств сплавов после термической обработки приведены в табл. 3. Номера режимов термической обработки для каждой марки сплава соответствуют режимам термической обработки в табл.2. На фиг. 1 представлено изображение микроструктуры сплава ВТ23 после закалки с температуры 850°С, выдержки 2 часа и охлаждения в воду. На фиг. 2 представлена структура ВТ23 (снимок выполненный с помощью просвечивающего электронного микроскопа) после закалки 850°С, выдержки 2 часа, охлаждения в воду и последующего старения при температуре 200°С, выдержки 10 часов и охлаждения на воздухе, свидетельствующая о выделении ω-фазы в сплаве после низкотемпературного старения.

Таблица 3

Марка сплава Номер режима термической обработки Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, % Ti-10V-2Fe-3Al 1 811 897 17,5 2 836 923 16,7 3 965 1048 14,2 4 1068 1077 11,7 ВТ23 5 897 955 11,7 6 977 1018 7,9 ВТ16 7 814 900 16,3 8 886 964 15,4

Исследования показали, что предложенный способ термической обработки позволяет получить высокие характеристики прочности исследованных материалов. Достигнутые показатели механической прочности реализуются без нагрева на температуру, при которой происходит окисление поверхности изделий из сплавов, имеющих коэффициент β-стабилизации (К_β = 0,7-1,3).

Таким образом, предложенное изобретение позволяет сформировать в сплавах состояние, обеспечивающее материалам повышенную прочность при сохранении удовлетворительной пластичности и исключить их окисление при старении.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам термической обработки титановых сплавов, и может быть использовано для термической обработки изделий из легированных титановых сплавов. Способ термической обработки изделий из титановых сплавов включает нагрев до температуры закалки, выдержку при этой температуре, закалку, нагрев до температуры старения, выдержку при температуре старения и охлаждение на воздухе. Термической обработке подвергают титановые сплавы с коэффициентом β-стабилизации (К_β), составляющим 0,7-1,3, при этом нагрев под закалку осуществляют до температуры от 10 до 120°С ниже температуры полиморфного превращения, закалку проводят со скоростью охлаждения не менее 60°С/сек, а старение проводят при температуре от 150 до 250°С и выдержке при этой температуре от 0,2 до 50 часов. Получают высокие прочностные свойства изделий с сохранением пластичности и без окисления изделий при старении. 2 ил., 3 табл., 1 пр.

Способ термической обработки изделий из титановых сплавов, включающий нагрев до температуры закалки, выдержку при этой температуре, закалку, нагрев до температуры старения, выдержку при температуре старения и охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что термической обработке подвергают титановые сплавы с коэффициентом β-стабилизации (К_β), составляющим 0,7-1,3, при этом нагрев под закалку осуществляют до температуры от 10 до 120°С ниже температуры полиморфного превращения, закалку проводят со скоростью охлаждения не менее 60°С/сек, а старение проводят при температуре от 150 до 250°С и выдержке при этой температуре от 0,2 до 50 часов.