СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF THERMOMECHANICAL TREATMENT OF ITEMS FROM TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке изделий (полуфабрикатов, деталей, узлов и др.) из титановых сплавов. Оно может быть использовано в цветной металлургии и авиационной технике для создания изделий в виде полуфабрикатов, лонжеронов, шпангоутов, балок, работающих в условиях двухосного растяжения и минусовых температур (до -70°C).
Известен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, включающий:
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (1050-1200)°C (Т+120÷Т+270)°C, деформацию в процессе охлаждения до 850°C (Т-80)°C;
пп
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (880-1050)°C (Т-50÷Т+120)°C, охлаждение в процессе деформации до температуры 750°C (Т-180)°C, где Т=920°C (Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. «Полуфабрикаты из титановых сплавов. М., ОНТИ ВИЛС, 1996 г., с.371).
Известен также способ термомеханической обработки, применяемый при изготовлении изделий из титановых сплавов, включающий нагрев в β-области выше температуры полиморфного превращения, деформацию в процессе охлаждения до температуры на 30-70°C ниже температуры полиморфного превращения, охлаждение, повторный нагрев в двухфазной области, повторную деформацию в этой области в процессе охлаждения, повторное охлаждение, окончательный нагрев в двухфазной области, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств деформацию проводят в β- и (α+β)-областях с одинаковой степенью 40-60%, повторный нагрев осуществляют до температуры на 20-40°C ниже температуры полиморфного превращения, повторную деформацию проводят со степенью 25-35% при охлаждении до температуры на 100-130°C ниже температуры полиморфного превращения, повторное охлаждение после деформации осуществляют до температуры на 180-280°C ниже температуры полиморфного превращения, после чего дополнительно повторяют последний цикл нагрева и деформации в процессе охлаждения в тех же условиях, а охлаждение после деформации в этом цикле проводят до комнатной температуры, окончательный нагрев осуществляют до температуры на 100-300°C ниже температуры полиморфного превращения (а.с. СССР №1740487).
Недостатком способа является низкий уровень циклической прочности титановых сплавов при высоких концентраторах напряжения.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки из титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформации в процессе охлаждения до температуры ниже полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, в котором термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий, при этом:
пп
пп
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+290÷Т+370)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т+100÷Т-70)°C с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации;
пп
пп
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (T+180÷T+270)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т+50÷Т-90)°C с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации;
пп
пп
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+80÷Т+170)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-30÷Т-200)°C с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°C, деформацию со степенью (15-60)%;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+30÷Т+60)°C, деформацию со степенью (30-60)%;
пп
пп
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°C, деформацию со степенью (20-40)% в процессе охлаждения до температуры (T-110÷Т-130)°C;
пп
пп
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+20÷Т+50)°C, деформацию со степенью (30-60)% в процессе охлаждения до температуры (Т-110÷Т-130)°C;
пп
пп
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°C, деформацию со степенью (20-60)% в процессе охлаждения до температуры (Т-110÷Т-130)°C;
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+80÷Т+150)°C, деформацию при прокатке со степенью (40-70)%;
пп
пп
на десятой стадии производят нагрев до температуры (Т-20÷Т-50)°C, деформацию при прокатке со степенью (30-60)%;
пп
пп
пп
на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-320÷Т-520)°C, выдержка 2-10 ч, где Т - температура полиморфного превращения; при этом деформацию на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° от двух до четырех раз.
С третьей по девятую стадию направление деформирования на 90° изменяют от трех до семи раз (патент РФ №2369662).
Сплав, обработанный этим способом, имеет пониженные значения прочности при двухосном растяжении и механические свойства при температуре -70°C.
Технической задачей изобретения является повышение механических свойств при рабочих температурах до -70°C, а также повышение прочности при двухосном растяжении.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения и деформации в процессе охлаждения до температуры ниже полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, в котором термомеханическую обработку проводят в двенадцать стадий при этом:
пп
пп
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+200÷Т+270)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т+70÷Т-100)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30÷60% на каждом этапе;
пп
пп
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+120÷Т+170)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-50÷Т-110)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30÷60% на каждом этапе;
пп
пп
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+20÷Т+70)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-70÷T-140)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30÷60% на каждом этапе;
пп
пп
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°C, деформацию со степенью 15-60% при охлаждении до температуры (Т-100÷T-140)°C;
пп
пп
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (T+70÷Т+90)°C, деформацию со степенью 30-60% при охлаждении до температуры (Т-40÷Т-90)°C;
пп
пп
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°C, деформацию со степенью 20-40% в процессе охлаждения до температуры (Т-60÷Т-100)°C;
пп
пп
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+20÷Т+50)°C, деформацию со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (T-40÷T-70)°C;
пп
пп
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°C, деформацию со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (T-60÷T-100)°C;
пп
пп
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (T+30÷T+70)°C, деформацию при прокатке со степенью 40-70% в процессе охлаждения до температуры (Т-70÷Т-170)°C;
пп
пп
пп
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°C, деформацию при прокатке со степенью 30-50% в процессе охлаждения до температуры (Т-100÷Т-200)°C;
пп
пп
на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-70÷Т-170)°C с выдержкой 15-60 мин, охлаждение на воздухе или в воде;
пп
пп
пп
на двенадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-270÷Т-470)°C с выдержкой 5-15 часов, где Т - температура полиморфного превращения;
при этом деформацию на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформации на 90° от двух до четырех раз.
На первой стадии проводится деформация при пониженной на 100°C температуре β-области, чем у прототипа, что обеспечивает получение β-структуры с меньшим размером β-зерна.
На второй и третьей стадиях также проводятся всесторонние деформации при более низкой температуре β-области, что обеспечивает дальнейшее измельчение β-зерна и получение в результате механического перемешивания и диффузионных процессов однородной по химическому составу, макро- и микроструктуре заготовки.
Деформации в процессе охлаждения до более низкой температуры (α+β)-области на четвертой, пятой, шестой, девятой, десятой стадиях значительно уменьшают величину α-фазы и способствуют повышению уровня механических свойств.
В процессе деформации в α+β-области более интенсивная деформация проходит в зонах с меньшей величиной зерна, а при нагреве в β-области более интенсивно в этих зонах идет процесс рекристаллизации и рост зерен. В других зонах с более крупным зерном деформация идет менее интенсивно и с меньшей скоростью идет процесс рекристаллизации. Таким образом достигается однородность структурно-фазового состояния.
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
Следует отметить, что на пятой стадии нагрев проводится при температуре (Т+70÷Т+90)°C, что обеспечивает проведение более полной рекристаллизации, а процесс деформации заканчивается при (Т-40÷Т-90)°C. На шестой стадии деформация заканчивается при (Т-60÷Т-100)°C, на седьмой при (Т-40÷Т-70)°C и восьмой при (Т-60÷Т-100)°C.
В отличие от прототипа, на пятой и шестой стадиях деформация заканчивается в процессе охлаждения до регламентированных температур (α+β)-области, что приводит к более интенсивному измельчению внутризеренной α-структуры и уменьшению частиц α-фазы, что в свою очередь повышает эффективность упрочнения межфазовыми границами и повышает уровень прочности.
пп
пп
пп
пп
На девятой и десятой стадиях деформация в процессе охлаждения до (T-70÷T-170)°C и (T-100÷Т-200)°C обеспечивает дальнейшее измельчение внутризеренной структуры и повышение ее однородности.
Таким образом происходит выравнивание структуры при пяти частичных фазовых перекристаллизациях, в процессе которых деформация проходит при значительном охлаждении до регламентированной температуры и трех полных фазовых перекристаллизациях. При этом достигается создание однородной сверхмелкозернистой структуры.
Частичная фазовая перекристаллизация значительно повышает однородность структурно-фазового состояния и уровень механических свойств. Изделия с такой структурой имеют малую глубину окисления по границам зерен, а следовательно, требуют меньшей глубины механической обработки поверхности перед деформацией на девятой и десятой стадиях.
Проведенные десять стадий термомеханической обработки обеспечивают при последующей одиннадцатой стадии термической обработке, с регламентированным временем выдержки 15-60 мин и дальнейшим охлаждением на воздухе или в воде фиксацию большого количества метастабильных β- и α''-фаз, а также α- и β-фаз переменного химического состава.
При последней двенадцатой стадии обработки (старении) происходит распад метастабильных фаз с образованием высокой дисперсности α-фазы.
Двенадцать стадий обработки обеспечивают эффективное упрочнение изделий из титановых сплавов за счет следующих двух механизмов: твердорастворного упрочнения и дисперсионного упрочнения (упрочнение межфазными границами).
ВД
В
-70
-70
-70
Использование предлагаемого способа, включающего три стадии деформации в β-области при пониженных температурах, регламентированные охлаждения в процессе деформации с первой по десятую стадию, термическую обработку без деформации на одиннадцатой и двенадцатой стадиях, обеспечивает получение более однородного структурно-фазового состояния при большей дисперсности фрагментов структуры, что в свою очередь обеспечивает получение высоких значений прочности при двухосном растяжении (σ) и механических свойств при температуре -70°C: предела прочности (σ ), относительного удлинения δ, относительного сужения (ψ), ударной вязкости (KCU).
Примеры осуществления
Были изготовлены образцы изделий из титановых сплавов, ВТ-23М и ВТ-43, обработанные предлагаемым способом термомеханической обработки и способом-прототипом, которые были подвергнуты механическим испытаниям. Результаты испытаний приведены в табл.1, 2, примеры 1-3 по предлагаемому способу, 4 - по прототипу.
Пример 1
пп
пп
На первой стадии осуществляли нагрев до температуры (Т+200)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т+70)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+120)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-50)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе;
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+20)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-70)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°C, деформацию со степенью 15% при охлаждении до температуры (Т-100)°C;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+70)°C, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% при охлаждении до температуры (Т-40)°C;
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°C, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т-60)°C;
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+20)°C, деформацию со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т-40)°C;
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°C, деформацию со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т-60)°C;
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+30)°C, деформацию со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т-70)°C;
пп
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°C, деформацию со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т-100)°C;
пп
на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-70)°C с выдержкой 15 мин, охлаждение на воздухе;
пп
пп
на двенадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-270)°C с выдержкой 5 часов, где Т - температура полиморфного превращения;
при этом с четвертой по восьмую стадию направление деформации на 90° изменяют два раза.
Пример 2
пп
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+270)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-100)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 60% на каждом этапе;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+170)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-110)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 60% на каждом этапе;
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+70)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-140)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 60% на каждом этапе;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°C, деформацию со степенью 60% при охлаждении до температуры (Т-140)°C;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+90)°C, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 60% при охлаждении до температуры (Т-90)°C;
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°C, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т-100)°C;
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+50)°C, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т-70)°C;
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°C, деформацию со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т-100)°C;
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+70)°C, деформацию со степенью 70% в процессе охлаждения до температуры (Т-170)°C;
пп
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°C, деформацию со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т-200)°C;
пп
на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-170)°C с выдержкой 60 мин, охлаждение в воде;
пп
пп
на двенадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-470)°C с выдержкой 15 часов, где Т - температура полиморфного превращения;
при этом с четвертой по восьмую стадию направление деформации на 90° изменяют четыре раза.
Пример 3
пп
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+230)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-20)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 45% на каждом этапе;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+150)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-80)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 45% на каждом этапе;
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+50)°C деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-100)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 45% на каждом этапе;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°C, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% при охлаждении до температуры (Т-120)°C;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+80)°C, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 45% при охлаждении до температуры (Т-70)°C;
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°C, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т-80)°C;
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+30)°C, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т-60)°C;
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°C, деформацию со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т-80)°C;
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+50)°C, деформацию со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т-110)°C;
пп
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°C, деформацию со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т-150)°C;
пп
на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-120)°C с выдержкой 45 мин, охлаждение на воздухе;
пп
пп
на двенадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-370)°C с выдержкой 10 часов, где Т - температура полиморфного превращения;
при этом с четвертой по восьмую стадию направление деформации на 90° изменяют четыре раза.
Предлагаемый способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов позволяет повысить их механические свойства на 20-30%, снизить массу конструкций, работающих в условиях двухосного растяжения, и повысить их эксплуатационную надежность в условиях холода (-70°C).
Применение предлагаемого способа термомеханической обработки позволит применять сплав при низких температурах, повысить надежность работы изделий из титановых сплавов и снизить их массу на 20-30%.
Таблица 1
ВТ23М (Т<sub>пп</sub>=920°C)
№
σ<sub>ВД</sub>
σ<sub>В</sub> <sup>-70</sup>
δ<sup>-70</sup>
ψ<sup>-70</sup>
KCU<sup>-70</sup>
1
1600
1490
7,8
19,5
2,6
2
1630
1500
7,4
18
2,2
3
1570
1470
8,2
22
2,7
4
1260
1100
5,3
13
1,5
Таблица 2
ВТ43 (Т<sub>пп</sub>=910°C)
№
σ<sub>ВД</sub>
σ<sub>В</sub> <sup>-70</sup>
δ<sup>-70</sup>
ψ<sup>-70</sup>
KCU<sup>-70</sup>
1
1670
1550
8
22
2,7
2
1710
1560
7,5
19
2,5
3
1680
1590
8,4
25
3,1
4
1290
1140
5,6
15
1,8
σ<sub>ВД</sub> - прочность при двухосном растяжении.
σ<sub>В</sub> <sup>-70</sup> - предел прочности при -70°C.
δ<sup>-70</sup> - удлинение при -70°C.
ψ<sup>-70</sup> - относительное сужение при -70°C.
KCU<sup>-70</sup> - ударная вязкость на образцах с при -70°C.