СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF THERMOMECHANICAL PROCESSING OF TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления болтов, шпилек и других крепежных деталей.
Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, применяемых при изготовлении изделий авиакосмической техники, включающий:
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (1050-1200)°С (Т+120÷Т+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (Т-40)°С;
пп
пп
- нагрев до температуры (880-1050)°С (Т-50÷Т+120)°С;
пп
- охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (Т-180)°С,
пп
где Т=920°С (Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. «Полуфабрикаты из титановых сплавов». М.: ОНТИ ВИЛС, 1996 г., с.371).
Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств титановых сплавов, обработанных данным способом.
Известен также способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий нагрев в β-области выше температуры полиморфного превращения, деформацию в процессе охлаждения до температуры на (30-70)°С 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, равной 40-60%, повторный нагрев осуществляют до температуры на 20-40°С ниже температуры полиморфного превращения, повторную деформацию проводят со степенью 25-35% при охлаждении до температуры на 100-130°С ниже температуры полиморфного превращения, повторное охлаждение после деформации осуществляют до температуры на 180-280°С 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°С ниже температуры полиморфного превращения (а.с. СССР 1740487).
Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств титановых сплавов, обработанных данным способом.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию в процессе охлаждения до температуры ниже температуры полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, в котором термомеханическую обработку проводят в шесть стадий, при этом на первых пяти стадиях осуществляют:
пп
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (Т+120÷Т+270)°С, деформацию со степенью (50-70)% при охлаждении до (Т-40÷Т-100)°С;
пп
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (Т+60÷Т+160)°С, деформацию со степенью (40-60)% при охлаждении до (Т-100÷Т-180)°С;
пп
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью (10-30)% при охлаждении до (Т-140÷Т-160)°С;
пп
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (Т+20÷Т+50)°С, деформацию со степенью (40-60)% при охлаждении до (Т-110÷Т-130)°С;
пп
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (Т+20÷Т+50)°С, деформацию со степенью (30-70)% при охлаждении до (Т-110÷Т-130)°С;
пп
пп
пп
затем, на шестой стадии, проводят нагрев до температуры (Т-400÷Т-500)°С с выдержкой в течение (5-20) часов, где Т - температура полиморфного превращения (патент РФ №2219280).
Титановые сплавы, обработанные этим способом, обладают недостаточно высоким уровнем механических свойств.
в
н
Технической задачей изобретения является повышение предела прочности в надрезе (σ ) и уменьшение чувствительности к перекосу изделий, выполненных из титановых сплавов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки титановых сплавов, который осуществляют в девять стадий, при этом:
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+200÷Т+270)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+170÷Т+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷40% на каждом этапе деформации;
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+60÷Т+120)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+30÷Т+90)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+30÷Т+80)°С, деформацию со степенью (20-70)%;
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью (20-50)%,
пп
где Т - температура полного полиморфного превращения; при этом от трех до семи деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°.
На первой и второй стадии термомеханической обработки происходит заваривание различно ориентированных раковин и уплотнение металла на стыках дендритов, механическое усреднение состава сплава, устранение зональной и дендритной ликвации в слитке, усреднение состава по диффузионному механизму, активизированному процессами динамической рекристаллизации.
С третьей по восьмую стадии осуществляются процессы фазовой перекристаллизации, состоящие из деформации при температуре ниже полиморфного превращения на третьей, пятой и седьмой стадиях, при котором создается повышенная плотность дислокационной структуры, и последующих нагревов при температуре β-области на четвертой, шестой и восьмой стадиях, при которых происходит образование первичных β-зерен из большого количества центров, формирующихся вокруг дислокаций. Это обеспечивает получение однородной сверхмелкозернистой β-структуры.
На окончательной девятой стадии происходит формирование внутризеренной структуры и нарушение границ β-зерен, которые становятся прерывистыми или в виде зубцов.
Таким образом, в процессе девяти стадий обработки достигается формирование однородного химического состава, устранение пор, несплошностей и рыхлот, формирование однородной сверхмелкозернистой β-структуры и однородной внутризеренной регламентированной структуры.
Проведение всех девяти стадий термомеханической обработки обеспечивает создание сплава с высоким уровнем механических свойств.
Примеры осуществления
Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ23 и ВТ43, обработанные предлагаемым способом и способом-прототипом, которые были подвергнуты механическим испытаниям.
Пример 1
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+200)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+170)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+60)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+30)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%.
Пример 2
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+270)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 40% на каждом этапе деформации;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+120)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию со степенью 60%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+90)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию со степенью 60%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+80)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 70%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 50%.
Пример 3
пп
На первой стадии - нагрев до температуры (Т+240)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+200)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+90)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+70)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+70)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 30%.
В таблице приведены механические свойства образцов поковок и штамповок из титановых сплавов, обработанных по предлагаемому способу(1-3) и способу-прототипу (4).
в
н
Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволит повысить предел прочности в надрезе (σ ) на 25% и уменьшить чувствительность к перекосу на 45%.
Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу деталей на 25% и повысить полезную нагрузку летательных аппаратов, а также повысить эксплуатационную надежность за счет высоких значений предела прочности в надрезе и уменьшения чувствительности к перекосу изделий из титановых сплавов.
Способ
Механические свойства: σ<sub>в</sub> <sup>н</sup> (МПа) при угле перекоса 0, 4, 6 град.
0
4
6
ВТ23*
ВТ43**
ВТ23
ВТ43
ВТ23
ВТ43
1
образцы из поковок
1620
1670
1380
1420
1210
1230
образцы из штамповок
1632
1674
1325
1427
1216
1234
2
образцы из поковок
1640
1690
1370
1410
1185
1210
образцы из штамповок
1642
1695
1372
1417
1188
1214
3
образцы из поковок
1670
1710
1360
1370
1160
1190
образцы из штамповок
1673
1714
1365
1372
1164
1197
4
образцы из поковок
1260
1290
1050
1020
680
800
образцы из штамповок
1263
1291
1057
1024
681
804
* ВТ23: Т<sub>пп</sub>=920°С;
** ВТ43: Т<sub>пп</sub>=910°С