СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ЛИСТОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА TI-6,5AL-2,5SN-4ZR-1NB-0,7MO-0,15SI
METHOD OF PRODUCING OF THIN SHEETS FROM TITANIUM ALLOY TI-6,5AL-2,5SN-4ZR-1NB-0,7MO-0,15SI

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам изготовления тонких листов методом холодной прокатки из высокопрочного псевдо-альфа-титанового сплава (псевдо-α-титанового сплава) Ti - 6,5Al-2,5Sn-4Zr-1Nb-0,7Mo-0,15Si, которые могут быть использованы в аэрокосмической, энергетической, химической отраслях промышленности, машиностроении и других областях народного хозяйства.
Холодная прокатка по сравнению с горячей имеет два больших преимущества. Во-первых, она позволяет производить листы и полосы толщиной менее 1,0-0,8 мм вплоть до нескольких микрон, что горячей прокаткой недостижимо. Во-вторых, она обеспечивает получение продукции более высокого качества по всем показателям - точности размеров, отделке поверхности, физико-механическим свойствам.
Титановые сплавы достаточно трудоемки при обработке, поэтому затраты на их обработку значительно выше в сравнении с большинством других конструкционных металлов. В частности, большинство титановых сплавов трудно поддаются деформации при комнатной температуре, вследствие этого в промышленности предпочтение отдается горячей деформационной обработке для получения полуфабрикатов, в том числе листового проката.
Например, известен способ изготовления тонких листов из слитка псевдо-α-титанового сплава. Способ включает деформацию слитка сплава Ti - 6,5Al-2,5Sn-4Zr-lNb-0,7Mo-0,15Si в сляб и его механическую обработку.
Далее осуществляют нагрев до температуры выше температуры полиморфного превращения (ТИП), деформацию и многопроходную прокатку на подкат с регламентируемой суммарной степенью деформации и степенью деформации за проход. Проводят сборку листов в пакет, прокатку пакета на готовый размер и многопроходную прокатку с регламентируемой суммарной деформацией пакета, извлечение полученных листов из пакета и их адъюстажную обработку. Получают микроструктуру листов, обеспечивающую высокий и равномерный уровень прочностных и пластических свойств. (Патент РФ №2487962, МПК C22F 1/18, B21B 3/00) - прототип.
Процесс предварительно требует тщательной скрупулезной подготовки, он затратный и малопроизводительный по сравнению с холодной прокаткой. Кроме того, реализация технологии в условиях высоких температур само по себе значительно усложняет сам процесс и требует наличия дорогостоящего нагревательного оборудования.
Известен способ изготовления тонких листов из псевдо-β-титановых сплавов, включающий выплавку сплава, получение сляба, механическую обработку поверхности сляба, горячую, теплую, холодную прокатки и последующую термообработку, выплавляемый титановый сплав должен содержать Аl в сплаве не более 5,0 мас.% и иметь молибденовый эквивалент Mo eq.>12 мас.%, при этом полученный после горячей и теплой прокатки подкат толщиной 8-2 мм перед холодной прокаткой подвергают закалке при Тпп+(20-50°C) в течение 0,1-0,5 ч с последующим охлаждением, холодную прокатку проводят за два и более этапа в несколько проходов с регламентированной степенью деформации, при этом между этапами осуществляют промежуточные закалки (Патент РФ №2484176, МПК C22F 1/18, B21B 3/00).
Данный способ не может быть реализован применительно к предлагаемому сплаву по следующим причинам:
- сплав относится к псевдо-α-сплавам и имеет в отожженном состоянии структуру, состоящую из гексагональной α-фазы и небольшого количества β-фазы, Mo eq.<2,5 мас.% (Колачев Б.А. и др. Титановые сплавы разных стран, М.: ВИЛС, 2000 г., стр. 13-16). Сплав обладает недостаточной пластичностью в холодном состоянии;
- предлагаемый способ обработки сплава, содержит Al более 5%, а именно 6,5%.
Известен способ получения листов из титанового сплава Ti-6Al-4V, включающий предварительную обработку слитка, резку листов и отделочные операции, отличающийся тем, что предварительную обработку слитка проводят последовательной ковкой или штамповкой слитка в β- или в (α+β)-областях с получением сляба, сляб прокатывают в черновой клети в β-области с получением полосы и ее смоткой в рулон с последующим травлением и отжигом, затем проводят холодную прокатку полосы за несколько циклов до получения полосы заданной толщины и микроструктуры со смоткой ее в рулон с последующим отжигом и травлением (патент РФ №2381296, МПК C22F 1/18, публ. 10.02.2010) - прототип.
Способ позволяет получить качественный листовой полуфабрикат с повышенным выходом годного, при минимальных трудовых и энергетических затратах.
Способ специализирован под производство листов из (α+β)-титановых сплавов и не может быть адоптирован для обработки псевдо-α-сплавов.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение технологичности изготовления и качества тонких листов из труднодефомируемого псевдо-α-титанового сплава на стандартном оборудовании при снижении трудоемкости и стоимости процесса.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении высококачественных тонких листов из высокопрочного псевдо-α-титанового сплава Ti-6,5Al-2,5Sn-4Zr-1Nb-0,7Mo-0,15Si холодной прокаткой толщиной до 0,3 мм и менее.
Технический результат достигается тем, что в способе получения тонких листов из титанового сплава Ti-6,5Al-2,5Sn-4Zr-1Nb-0,7Mo-0,15Si, включающем предварительную обработку слитка ковкой или штамповкой слитка в β-области с получением сляба, горячую прокатку сляба в рулонный подкат, с последующим отжигом и травлением, холодную прокатку за два или более этапов с промежуточными и окончательным отжигами и адьюстажными обработками, горячую прокатку ведут в два этапа: на первом - при температуре Тпп+(100-150)°C с суммарной деформацией 60-80% и на втором - при температуре Тпп±30°C с суммарной деформацией 50-90% при деформации в проходе, равной 10-15%, до толщины рулонного подката, равного 2-4 мм, холодную прокатку осуществляют за два и более этапов со степенью деформации 10-20%, после горячей прокатки и каждого этапа холодной прокатки производится отжиг при температуре 900±10°C в течение 10-20 минут.
Сущность изобретения
Ковка слитка в сляб при температурах β-области формирует геометрические размеры сляба, а также разрушает литую структуру, усредняет химический состав сплава, уплотняет заготовку, устраняя такие литейные дефекты, как пустоты, раковины и др. Дальнейшая многопроходная прокатка сляба на подкат с суммарной степенью деформации 60-80% после нагрева до температуры на 90÷150°C выше ТПП повышает пластичность металла и ограничивает образование дефектов при последующей деформации при температуре Тпп±30°C. После деформации в β-области осуществляют нагрев до температуры на Тпп±30°C и осуществляют многопроходную прокатку с суммарной деформацией 50-90% для разрушения больше угловых границ зерен, увеличения плотности дислокаций, т.е. осуществляют деформационный наклеп. Степень деформации за проход 10-15% в процессе горячей прокатки определяется технологическими свойствами сплава при данной температуре деформации. Полученный металл имеет повышенную внутреннюю энергию и последующий нагрев до температуры 900°C сопровождается рекристаллизацией с измельчением зерна, что создает условия для проведения холодной прокатки. Холодную прокатку осуществляют за два и более этапов со степенью деформации 10-20%, после горячей прокатки и каждого этапа холодной прокатки производится отжиг при температуре 900±10°C в течение 10-20 минут. Степень деформации является компромиссом между производительностью процесса и технологическими возможностями сплава (деформация выше 20% провоцирует образование трещин). Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла, а также механических и физико-химических свойств металла (наклепом). Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопления дислокаций у границ зерен). Они могут быть устранены с помощью отжига в течение 10-20 минут при температуре 900±10°C (экспериментальные данные).
В этих условиях происходит рекристаллизация, при которой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивающей подвижность атомов, в твердом металле без фазовых превращений из множества центров растут новые зерна, заменяющие собой вытянутые, деформированные зерна. Происходит формирование глобулярной мелкодисперсной структуры с величиной зерна, равной 45-90 мкм.
Промышленная применимость подтверждается конкретным примером выполнения изобретения.
Для получения листов толщиной 0,12 мм были выплавлены слитки из псевдо-альфа-титанового сплава весом 32 кг. Химический состав сплава приведен в табл. 1. Температура полиморфного превращения сплава 1020°C.
Листы были изготовлены по следующей технологии.
1. Ковка сляба толщиной 45 мм.
2. Удаление газонасыщенного слоя (с основных и боковых граней, съем по 5 мм на сторону).
3. Нагрев сляба в печи Туст=1110°C.
4. Горячая прокатка подката на толщину 10 мм. Обжатие в проходе 10-15%.
5. Нагрев заготовок Туст=1020°C.
6. Горячая прокатка подката на толщину 3 мм. Обжатие в проходе 10-12%.
7. Отжиг (Туст=900°C, выдержка 15 минут, охлаждение воздух).
8. Удаление окалины пескоструйной.
9. Травление в растворе HCL+HF, съем - 0,2 мм.
10. Холодная прокатка на толщину 2,1 мм.
11. Отжиг (Туст=900°C, выдержка 15 минут, охлаждение воздух)
12. Холодная прокатка на толщину 1,7 мм.
13. Травление в растворе HCL+HF, съем - 0,05 мм.
14. Отжиг (Туст=900°C, выдержка 15 минут, охлаждение воздух)
15. Холодная прокатка на толщину 1,3 мм.
16. Травление в растворе HCL+HF, съем - 0,05 мм.
17. Отжиг (Туст=900°C, выдержка 15 минут, охлаждение воздух).
18. Холодная прокатка на толщину 1,0 мм.
19. Травление в растворе HCL+HF, съем - 0,05 мм.
20. Отжиг (Туст=900°C, выдержка 15 минут, охлаждение воздух).
21. Холодная на толщину 0,75 мм.
22. Травление в растворе HCL+HF, съем - 0,05 мм.
23. Отжиг (Туст=900°C, выдержка 15 минут, охлаждение воздух).
24. Холодная прокатка 0,55 мм. Травление в растворе HCL+HF, съем - 0,05 мм.
25. Отжиг (Туст=900°C, выдержка 15 минут, охлаждение воздух).
26. Холодная на толщину 0,3 мм.
27. Травление в растворе HCL+HF, съем - 0,05 мм.
28. Отжиг (Туст=900°C, выдержка 15 минут, охлаждение воздух).
29. Холодная прокатка на толщину 0,25 мм. Травление в растворе HCL+HF, съем - 0,03 мм.
30. Отжиг (Туст=900°C, выдержка 15 минут, охлаждение воздух).
31. Сплошная зачистка окалины. Толщина после зачистки - 0,19…0,20 мм.
32. Холодная прокатка на толщину 0,12 мм.
33. Отжиг (Туст=900°C, выдержка 15 минут, охлаждение воздух) и адьюстажная обработка.
Изображения микроструктуры листов представлены на фиг. 1. Анализ микроструктуры листов показал, что ее структура равноосная, близка к глобулярной с размером зерен 45-90 мкм. Качество поверхности листов соответствовало всем требованиям нормативной документации, трещин и расслоений не зафиксировано.