СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF TITANIUM ALLOYS THERMOMECHANICAL TREATMENT

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления баллонов, корпусов, обтекателей, обшивки, оболочек, днищ.
Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий:
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (1050-1200)°С (Т+120÷Т+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (Т- 80)°С;
пп
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (880-1050)°С (Т-50÷Т+120)°С, охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (Т - 180)°С, где Т=920°С (Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. «Полуфабрикаты из титановых сплавов». М., ОНТИ ВИЛС, 1996 г., с.371).
Известен 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 двухфазную область, 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)° 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 известных способов является низкий уровень трещиностойкости при пониженном пределе прочности, пониженная технологическая пластичность при деформации титановых сплавов, обработанных данными способами.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому 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, в котором термомеханическую обработку проводят в шесть стадий, при этом на первых пяти стадиях осуществляют:
пп
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (T+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) ч, где Т- температура полиморфного превращения (патент РФ №2219280).
Титановые сплавы, обработанные данным способом, имеют пониженные характеристики трещиностойкости, предела прочности и технологической пластичности при обработке давлением.
Технической задачей изобретения является повышение уровня трещиностойкости
С
В
усл
(К ) при одновременном повышении предела прочности (σ) и повышение допустимой степени деформации (ε).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложены способы термомеханической обработки титановых сплавов, включающие многократный нагрев до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию, в которых термомеханическую обработку проводят в десять стадий, при этом:
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+170÷Т+270)°С, деформацию со степенью 60-90%;
пп
пп
на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+70÷Т+200)°С, деформацию со степенью 50-70%;
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью 20-40%;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+20÷Т+50)°С, деформацию со степенью 30-60%;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью 20-50%;
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+20÷Т+50)°С, деформацию со степенью 40-70%;
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью 30-70%;
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-70÷Т+70)°С, деформацию со степенью 40-90%;
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-170÷Т-220)°С, деформацию со степенью 30-70%, повторяют четыре раза;
пп
пп
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-170÷Т-270)°С, деформацию со степенью 2-10%, где Т- температура полиморфного превращения.
пп
пп
пп
пп
После десятой стадии может проводится старение при температуре (Т-320÷T-520)°С с выдержкой 2-10 часов, или перед старением может проводиться закалка при температуре (Т-120÷Т-230)°С с охлаждением в воде или на воздухе.
В результате проведения термомеханической обработки в десять стадий при изготовлении листов, в том числе тонких, достигается высокое качество как по состоянию поверхности, так и по созданию сверхмелкозернистой структуры с нанодисперсными упрочняющими частицами α-фазы в β-матрице.
Создание однородного структурно-фазового состояния и гомогенного химического состава на первых семи стадиях при изготовлении сляба и получении сверхмелкозернистой структуры с восьмой по десятую стадиях прокатки листов обеспечивает получение высокой технологической пластичности и сочетания высокой трещиностойкости при высокой прочности.
Примеры осуществления
Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ23Л и ВТ19-1, обработанные предлагаемым способом (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям.
Пример 1
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+170)°С, деформацию со степенью 60%;
пп
на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+70)°С, деформацию со степенью 50%;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+20)°С, деформацию со степенью 30%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+20)°С, деформацию со степенью 40%;
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 30%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-70)°С, деформацию со степенью 40%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-170)°С, деформацию со степенью 30%, повторяют четыре раза;
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-170)°С, деформацию со степенью 2%.
Пример 2
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+270)°С, деформацию со степенью 90%;
пп
на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+200)°С, деформацию со степенью 70%;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию со степенью 40%;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+50)°С, деформацию со степенью 60%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию со степенью 50%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+50)°С, деформацию со степенью 70%;
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию со степенью 70%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+70)°С, деформацию со степенью 90%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-220)°С, деформацию со степенью 70%, повторяют четыре раза;
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-270)°С, деформацию со степенью 10%;
пп
затем - старение при температуре (Т-420)°С с выдержкой 6 часов.
Пример 3
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+220)°С, деформацию со степенью 70%;
пп
на второй стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+120)°С, деформацию со степенью 60%;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию со степенью 30%;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+40)°С, деформацию со степенью 50%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию со степенью 40%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+40)°С, деформацию со степенью 60%;
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию со степенью 50%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-10)°С, деформацию со степенью 70%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-200)°С, деформацию со степенью 50%, повторяют четыре раза;
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-230)°С, деформацию со степенью 5%;
пп
пп
затем проводят закалку при температуре (Т-170)°С с охлаждением в воде или на воздухе и старение при температуре (Т-420)°С с выдержкой 6 часов.
В таблице представлены механические свойства титановых сплавов, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу.
С
В
усл
Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволит повысить уровень трещиностойкости (К ) на 30% при одновременном повышении предела прочности (σ) на 25% и повысить допустимую степень деформации (ε) на 100%.
Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу конструкций на 25%, повысить их надежность работы, повысить технологичность изготовления.
Таблица
Способ
ВТ23Л (Т<sub>пп</sub>=920°С)
ВТ 19-1 (Т<sub>пп</sub>=780°С)
σ<sub>В</sub> (МПа)
К<sub>С</sub> <sup>усл </sup>(МПа·м<sup>1/2</sup>)
ε (%)
σ<sub>В </sub>(МПа)
К<sub>С</sub> <sup>усл </sup>(МПа·м<sup>1/2</sup>)
ε (%)
1
1520
170
75
1450
130
85
2
1550
160
70
1480
121
75
3
1530
164
72
1470
117
77
4
1200
ПО
30
1150
90
40