ЗАГОТОВКА ДЛЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ВЫПОЛНЕННАЯ ИЗ ДЕФОРМИРУЕМОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА, И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
BILLET FOR HIGH-STRENGTH FASTENERS MADE FROM DEFORMABLE TITANIUM ALLOY, AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение.
Настоящее изобретение в целом относится к области цветной металлургии, в частности к материалам из титанового сплава с заданными механическими свойствами для изготовления крепежных изделий авиационной техники.
Предшествующий уровень техники.
Производство летательных аппаратов является одним из наиболее сложных производств современного наукоемкого машиностроения и обладает специфическими особенностями. Специфика проектирования, конструирования, производства определена огромным количеством выполняемых различных технологических процессов изготовления деталей из разнообразных материалов в конструкции планера самолета. Самолет как транспортное средство должен обеспечивать безопасность полета, надежность, а также соответствовать определенным показателям летно-технических характеристик. Качество и эффективность являются основополагающими свойствами летательного аппарата. Конструкция самолета - это совокупность блоков и механизмов, скрепленных воедино крепежом. Число крепежных деталей в современных широкофюзеляжных пассажирских лайнерах может достигать нескольких сотен тысяч. От качества и служебных характеристик крепежных элементов конструкции зависит безопасность полета. Именно по этой причине к изготовлению крепежных элементов требуется особый подход.
Для достижения максимальных летных характеристик и прочности изготавливаются болты, винты, шпильки, заклепки, гайки из специально разработанных материалов. Материал крепежных деталей в конструкции самолетов выбирается в зависимости от назначения и условий работы узлов. Традиционно для изготовления крепежа используются материалы, стойкие к перепадам температур и ударным нагрузкам. Большую роль в производстве крепежных элементов играют титановые сплавы. Важнейшими преимуществами титанового крепежа перед другими видами крепежных изделий являются его высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Перечисленные качества титанового крепежа открывают большие перспективы его применения в авиастроении.
В обстоятельствах рыночной экономики разработка и изготовление конкурентоспособных высокоресурсных материалов для крепежных изделий приобретают особую важность и актуальность. В условиях крупносерийного и массового производства необходимо уделять повышенное внимание обеспечению высоких характеристик качества заготовок для крепежных элементов при возможности их изготовления с высокой производительностью и минимальными затратами.
Известны крепежные изделия и способ их производства, выполненные из альфа/бета титанового сплава, включающие подвергнутый горячей прокатке, обработке на твердый раствор и старению альфа/бета титановый сплав, содержащий, мас. %:
алюминий от 3,9 до 4,5;
ванадий от 2,2 до 3,0;
железо от 1,2 до 1,8;
кислород от 0,24 до 0,3;
углерод до 0,08;
азот до 0,05;
другие элементы не более чем 0,3 в сумме,
при этом другие элементы представляют собой, по существу, по меньшей мере один из: бор, иттрий с содержанием каждого менее чем 0,005 и олово, цирконий, молибден, хром, никель, кремний, медь, ниобий, тантал, марганец и кобальт с содержанием каждого 0,1 или менее, остальное - титан и случайные примеси, горячую прокатку титанового сплава в области альфа/бета фаз с получением заготовки; отжиг полученной заготовки при температуре от 1200°F (648,9°С) до 1400°F (760°С) в течение времени от 1 часа до 2 часов; охлаждение на воздухе; механическую обработку до заранее определенного размера изделия; обработку на твердый раствор при температуре от 1500°F (815,6°С) до 1700°F (926,7°С) в течение времени от 0,5 часа до 2 часов; охлаждение со скоростью, по меньшей мере, эквивалентной охлаждению на воздухе; старение при температуре от 800°F (426,7°С) до 1000°F (537,8°С) в течение времени от 4 часов до 16 часов; и охлаждение на воздухе (Патент РФ на изобретение №2581332, МПК С22С 14/00, C22F 1/18, публ. 20.04.2016).
Использование известного решения позволяет получать крепежные изделия и заготовки к ним с уровнем прочности на растяжение свыше 190 KSi (1310 МПа), а также достигать уровня сопротивления двойному срезу более 120 KSi (827 МПа). Однако указанные значения механических свойств возможно получить в состоянии только после обработки на твердый раствор и последующего искусственного старения (STA), которая позволяет достигать максимальных прочностных значений при определенном снижении пластичности. При этом прочность данных изделий и заготовок в состоянии STA свыше 160 KSi (1103 МПа) достижима только до толщины 2,5-3 дюйма (63,5-76,2 мм). Кроме того, состояние STA вызывает в материале заготовок крепежных элементов увеличение внутренних остаточных напряжений, что приводит к необходимости операции правки удлиненных деталей крепежа. Внутренние остаточные напряжения свыше расчетных значений приводят к искажению формы и размеров изделия при его изготовлении либо эксплуатации. При этом остаточные напряжения материала детали могут представлять определенную угрозу, так как складываются с действующими на деталь рабочими напряжениями, что может вызвать уменьшение срока службы детали и преждевременное разрушение конструкции.
Известен способ изготовления титанового сплава и крепежных изделий для летательного аппарата, включающий: обеспечение наличия титанового сплава, полученного с использованием, по меньшей мере, 50% титанового скрапа; отжиг титанового сплава; причем титановый сплав содержит от 5,50 до 6,75 мас. % алюминия, от 3,50 до 4,50 мас. % ванадия, от 0,25 до 0,50 мас. % кислорода и от 0,40 до 0,80 мас. % железа; и изготовление крепежного изделия для летательного аппарата из титанового сплава (Патент РФ на изобретение №2618016, МПК С22С 14/00, C22F 1/18, публ. 02.05.2017) - прототип.
Применение прототипа позволяет получить на отожженном металле уровень прочности на растяжение до 160 ksi (1103 МПа) и предел прочности на двойной срез до 95 ksi (655 МПа) при толщине крепежного изделия не более 1 дюйма (25,4 мм). Однако крепежные изделия большей толщины характеризуются снижением максимального предела прочности на растяжение до 150 ksi (1034 МПа) и предела прочности на двойной срез 90 ksi (621 МПа).
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение заготовки для крепежных изделий диаметром до 4 дюймов (101,6 мм), обладающей высокими показателями механических свойств при минимизации затрат на ее изготовление.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является получение заготовки для крепежных изделий из титанового сплава, в котором химический состав оптимально сбалансирован с возможностями производства материала в отожженном состоянии с высокими значениями прочности на растяжение и прочности на двойной срез при сохранении высоких показателей пластических свойств.
Раскрытие изобретения.
Указанный технический результат достигается тем, что заготовка для изготовления крепежных изделий выполнена из деформируемого титанового сплава, содержащего масс. %: 5.5-6,5 Al, 3.0-4,5 V, 1,0-2,0 Мо, 0,3-1,5 Fe, 0,3-1,5 Cr, 0,05-0,5 Zr, 0,2-0,3 О, не более 0,05 N, не более 0,08 С, не более 0,25 Si, остальное титан и неизбежные примеси, в котором величина структурного алюминиевого эквивалента [Al]экв=7,5-9,5, а величина структурного молибденового эквивалента [Мо]экв=6,0-8,5, при этом эквиваленты определены по следующим выражениям:
[Al]экв=[Al]+[О]×10+[Zr]/6;
[Мо]экв=[Mo]+[V]/l,5+[Cr]×1,25+[Fe]×2,5.
Заготовка для изготовления крепежных изделий выполнена в виде катаного прутка круглого сечения диаметром от 8 до 31,75 мм (0,315-1,25 дюйма) и имеет в отожженном состоянии предел прочности на растяжение не менее 165 KSi (1138 МПа) и предел прочности на двойной срез не менее 100 KSi (689 МПа). Заготовка для изготовления крепежных изделий может быть выполнена в виде катаного прутка круглого сечения диаметром свыше 32 до 101,6 мм (1,25-4 дюйма) и имеет в отожженном состоянии предел прочности на растяжение не менее 160 KSi (1103 МПа) и предел прочности на двойной срез не менее 95 KSi (655 МПа). Также заготовка для изготовления крепежных изделий может быть выполнена в виде проволоки круглого сечения диаметром до 10 мм (0,394 дюйма), полученной посредством волочения, и имеет в отожженном состоянии предел прочности на растяжение не менее 168 KSi (1158 МПа) и предел прочности на двойной срез не менее 103 KSi (710 МПа).
Также указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления заготовки для крепежных элементов, выполненной в виде катаного прутка круглого сечения диаметром от 8 до 101,6 мм (0,315-4,0 дюйма), включает выплавку слитка из титанового сплава, содержащего масс. %: 5,5-6,5 Al, 3,0-4,5 V, 1,0-2,0 Мо, 0,3-1,5 Fe, 0,3-1,5 Cr, 0,05-0,5 Zr, 0,2-0,3 О, не более 0,05 N, не более 0,08 С, не более 0,25 Si, остальное титан и неизбежные примеси, в котором величина структурного алюминиевого эквивалента [Al]экв=7,5-9,0, а величина структурного молибденового эквивалента [Мо]экв=6,0-8,5, при этом эквиваленты определены по следующим выражениям:
[Al]экв=[Al]+[О]×10+[Zr]/6;
[Мо]экв=[Mo]+[V]/l,5+[Cr]×l,25+[Fe]×2,5;
изготовление из слитка кованой заготовки при температурах β- и/или (α+β)-области, механическая обработка кованой заготовки, горячая прокатка при температуре нагрева металла β- и/или (α+β)-области для получением катаной заготовки, последующий отжиг катаной заготовки при температуре 550-705°С (1022-1300°F) в течение не менее 0,5 часа. При этом способ изготовления заготовки для крепежных элементов, выполненной в виде проволоки круглого сечения диаметром до 10 мм (0,394 дюйма), полученной посредством волочения, включает выплавку слитка из титанового сплава, содержащего масс. %: 5,5-6,5 Al, 3,0-4,5 V, 1,0-2,0 Мо, 0,3-1,5 Fe, 0,3-1,5 Cr, 0,05-0,5 Zr, 0,2-0,3 О, не более 0,05 N, не более 0,08 С, не более 0,25 Si, остальное титан и неизбежные примеси, в котором величина структурного алюминиевого эквивалента [Al]экв=7,5-9,0, а величина структурного молибденового эквивалента [Мо]экв=6,0-8,5, при этом эквиваленты определены по следующим выражениям:
[Al]экв=[Al]+[О]×10+[Zr]/6;
[Мо]экв=[Mo]+[V]/l,5+[Cr]×1,25+[Fe]×2,5,
изготовление из слитка кованой заготовки при температурах β- и/или (α+β)-области, механическая обработка кованой заготовки, горячая прокатка при температуре нагрева β- и/или (α+β)-области для получения катаной заготовки диаметром 6,5-12 мм (0,256-0,472 дюйма), последующий отжиг катаной заготовки при температуре 550-705°С (1022-1300°F) в течение не менее 0,5 часа, дальнейшее волочение с получением проволоки и последующим проведением отжига проволоки при температуре 550-705°С (1022-1300°F) в течение не менее 0,5 часа.
Предложенная заготовка для крепежных элементов обладает комплексом высоких технологических и конструкционных свойств, который достигается за счет оптимального подбора легирующих элементов, их соотношений в титановом сплаве, а также за счет разработки оптимальных термомеханических режимов, позволяющих получить заготовки высокого качества.
Заготовка для крепежных элементов выполнена из (α+β)-титанового сплава, в составе которого содержатся α-стабилизаторы, нейтральные упрочнители, β-стабилизаторы.
Группа α-стабилизаторов содержит такие элементы, как алюминий и кислород. Введение α-стабилизаторов в титановые сплавы расширяет область твердых растворов на основе титана, снижает плотность и повышает модуль упругости сплава. Алюминий является наиболее эффективным упрочнителем, повышает удельную прочность сплава, при этом улучшая прочностные и жаропрочные свойства титана. При содержании алюминия в сплаве менее 5,5% не достигается необходимая прочность сплава, при содержании свыше 6,5%, происходит нежелательное снижение пластичности при значительном повышении Тпп. Кислород повышает температуру аллотропического превращения титана. Присутствие кислорода в пределах 0,2-0,3% повышает прочность без снижения пластичности. Наличие в сплаве азота не более 0,05% и углерода не более 0,08% не оказывает заметного влияния на снижение пластичности при комнатной температуре.
К нейтральным упрочнителям химического состава заготовки для крепежных элементов относится цирконий. Цирконий образует с α-титаном широкий ряд твердых растворов, относительно близок к нему по температуре плавления и плотности, повышает коррозионную стойкость. Содержание циркония, принятое в интервале 0,05-0,5%, позволяет усилить тенденцию повышения прочности за счет повышения прочности α-фазы и за счет эффективности влияния на сохранение метастабильного состояния при охлаждении заготовки более массивного сечения.
Группа β-стабилизаторов, которые представлены в предлагаемом изобретении и широко применяются в промышленных сплавах, содержит изоморфные β-стабилизаторы и эвтектоидные β-стабилизаторы.
2
В химическом составе заготовки для крепежных элементов присутствуют такие изоморфные β-стабилизаторы, как ванадий и молибден. Ванадий в количестве 3,0-4,5% обеспечивает стабилизацию β-фазы в части затруднения образования α-сверхструктуры в α-фазе и способствует повышению не только прочностных свойств, но и пластичности. Содержание молибдена в интервале 1,0-2,0% обеспечивает полную растворимость его в α-фазе, что позволяет получать высокие прочностные характеристики без снижения пластических свойств. При содержании молибдена свыше 2,0% увеличивается удельный вес сплава, соответственно, уменьшается удельная прочность материала заготовки, а пластические свойства снижаются.
Также в химическом составе заготовки для крепежных элементов присутствуют эвтектоидные β-стабилизаторы (Cr, Fe, Si).
Введение железа в интервале 0,3-1,5% увеличивает объемную долю β-фазы, снижая сопротивление деформации при горячей обработке сплава, что помогает избежать образования деформационных дефектов. Содержание железа более 1,5% приводит к ликвационным процессам с образованием «бета-флеков» при плавлении и кристаллизации сплава, что приводит к неоднородности структуры и, соответственно, механических свойств, а также снижению коррозионной стойкости.
Установленное в интервале 0,3-1,5% содержание хрома обусловлено тем, что этот элемент хорошо упрочняет титановые сплавы и является сильным β-стабилизатором. Однако при легировании сплава хромом больше установленного максимального предела велика вероятность получения при длительных изотермических выдержках охрупчивающих интерметаллидов, а при выплавке слитков велика вероятность образования химических неоднородностей.
Содержание кремния принято не более 0,25%, т.к. кремний в заявленных пределах полностью растворяется в α-фазе, обеспечивая упрочнение α-твердого раствора и образование небольшого количества β-фазы в сплаве. Кроме того, добавка кремния в сплав повышает его жаропрочность. Содержание кремния более вышеуказанного приводит к образованию силицидов, вызывающих снижение предела ползучести и образование трещин в материале.
Изобретение основано на возможности разделения эффектов упрочнения титановых сплавов от легирования α-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями и от введения β-стабилизаторов. Эта возможность оправдана следующими соображениями. Элементы, эквивалентные алюминию, упрочняют титановые сплавы в основном в результате растворного упрочнения, а β-стабилизаторы - в основном вследствие увеличения количества более прочной β-фазы. Поэтому с целью стабилизации прочностных свойств заготовки для крепежных элементов установлено ограничение на интервалы содержания легирующих элементов в сплаве. Для решения этой задачи определен механизм регулирования их соотношения в интервале заявленного состава материала заготовки.
экв
экв
Для сплава, из которого выполнена заготовка для крепежных элементов, рассчитаны структурные алюминиевый [Al] и молибденовый [Мо] эквиваленты, которые определяются экономическими, прочностными и технологическими свойствами.
экв
экв
экв
Структурный алюминиевый эквивалент [Al] установлен в пределах 7,5-9,0. Это ограничение связано с тем, что величина [Al] ниже 7,5 не позволяет стабильно получить заданный уровень механических свойств, а при увеличении [Al] свыше 9,0 возрастает твердорастворное упрочнение, приводящее к снижению технологической пластичности и созданию предпосылок для образования трещин в процессе деформации.
экв
Величина структурного молибденового эквивалента [Мо] принята в интервале 6,0-8,5, что обеспечивает стабилизацию требуемого количества β-фазы, прохождение фазовых превращений при термическом воздействии с получением высоких прочностных свойств сплава.
экв
экв
В предлагаемом изобретении [Al] и [Мо] являются базовыми категориями, которые задаются, учитываются и эффективно управляют технологическим процессом получения качественной заготовки для крепежных элементов с точно назначенными потребителем конструкционными и технологическими свойствами. Предложенные в изобретении принципы позволяют компенсировать недостаток более дорогостоящих химических элементов эквивалентными количествами имеющихся в наличии менее дорогих легирующих элементов в рамках назначенных прочностных эквивалентов и химического состава сплава, в том числе и находящихся в составе определенного количества отходов при их вовлечении в шихту. При этом стоимость сплава может сократиться до 30% при стабильном сохранении высоких конструкционных и эксплуатационных свойств заготовки для крепежных элементов.
Сущность предлагаемого способа изготовления заготовки для крепежных элементов заключается в следующем.
Для изготовления заготовки для крепежных элементов в вакуумной дуговой печи выплавляют слиток следующего химического состава: 5,5-6,5 Al, 3,0-4,5 V, 1,0-2,0 Мо, 0,3-1,5 Fe, 0,3-1,5 Cr, 0,05-0,5 Zr, 0,2-0,3 О, не более 0,05 N, не более 0,08 С, не более 0,25 Si, остальное титан и неизбежные примеси, в котором величина структурного алюминиевого эквивалента [Al]экв=7,5-9,5 а величина структурного молибденового эквивалента [Мо]экв=6,0-8,5, при этом эквиваленты определены по следующим выражениям:
[Al]экв=[Al]+[O]×10+[Zr]/6;
[Мо]экв=[Mo]+[V]/l,5+[Cr]×1,25+[Fe]×2,5.
Далее слиток деформируют в кованую заготовку (биллет) при температурах β- и/или (α+β)-области, что позволяет устранить литую структуру и осуществить подготовку структуры металла для последующей прокатки в части получения в биллете равноосного макрозерна. С целью полного удаления газонасыщенного слоя и поверхностных деформационных дефектов и кованую заготовку механически обрабатывают. Горячую прокатку механически обработанной заготовки осуществляют при температуре нагрева в β- и/или (α+β)-области. Последующий отжиг катаной заготовки при температуре 550-705°С (1022-1300°F) в течение не менее 0,5 часа с охлаждением до комнатной температуры осуществляют для получения более равновесной структуры и снижения внутренних напряжений. Для удаления окалины и газонасыщенного слоя катаные заготовки подвергают механической обработке. Блок-схема получения заготовки для крепежных элементов, выполненной в виде катаного прутка, представлена на фиг. 1.
На фиг. 2. представлена блок-схема получения заготовки для крепежных элементов, выполненной в виде проволоки. Способ изготовления проволоки также, как и способ изготовления заготовки для крепежных элементов, выполненной в виде катаного прутка, включает выплавку слитка посредством вакуумного дугового переплава, изготовление кованой заготовки - биллета, прокатку механически обработанного биллета при температуре нагрева металла в β- и/или (α+β)-области. Прокатку осуществляют с получением катаной заготовки диаметром 6,5-12 мм (0,256-0,472 дюйма), и последующим сматыванием ее в бухты. Для снятия внутренних напряжений бухты отжигают при температуре 550-705°С (1022-1300°F) с последующим охлаждением до комнатной температуры.
Для удаления окалины и газонасыщенного слоя бухты с катаной заготовкой подвергают химической или механической обработке. После чего осуществляют волочение катаной заготовки с получением проволоки диаметром до 10 мм (0,394 дюйма).
Для снятия внутренних напряжений и повышения равновесности структуры, а также увеличения пластических свойств, полученную проволоку подвергают отжигу при температуре 550-705°С (1022-1300°F) с последующим охлаждением на воздухе. Отожженную проволоку подвергают химической либо механической обработке до размеров крепежного изделия.
Пример 1. Для опробования промышленной применимости изобретения был выплавлен слиток с химическим составом, указанным в табл. 1. Температура полиморфного превращения составила 998°С (1828°F).
Слиток деформировали при температурах β- и (α+β) области с получением кованых биллетов, из которых при температуре на окончательных операциях прокатки 915°С (1679°F) были прокатаны заготовки для крепежных элементов диаметром 12,7 мм (0,5 дюйма). Прокатанные заготовки подвергали отжигу при температуре 600°С (1112°F) в течение 60 минут с охлаждением на воздухе до комнатной температуры. Далее осуществляли испытания механических свойств и контроль структуры. Результаты испытаний механических свойств заготовки диаметром 12,7 мм (0,5 дюйма) после термической обработки приведены в табл. 2, а изображение микроструктуры заготовки после термической обработки при 200-кратном увеличении представлено на фиг. 3.
Пример 2. Для изготовления заготовки для крепежных элементов диаметром 101,6 мм (4 дюйма) был выплавлен слиток с химическим составом, приведенным в таблице 3. Температура полиморфного превращения сплава (Тпп), определенная металлографическим способом, составила 988°С (1810°F).
Слиток деформировали при температурах β- и (α+β) области с получением кованых биллетов. Биллеты прокатывали при температуре 918°С (1685°F) с получением заготовок для крепежных элементов диаметром 101,6 мм (4 дюйма). Темплеты от прокатанных заготовок диаметром 101,6 мм (4 дюйма) и длиной 101,6 мм (4 дюйма) подвергали отжигу при температуре 600°С (1112°F) в течение 60 минут. После чего осуществляли испытания механических свойств в продольном направлении и контроль структуры. Результаты испытаний механических свойств катаной заготовки диаметром 101,6 мм (4 дюйма) после термической обработки приведены в табл. 4, а изображение микроструктуры заготовки при 200-кратном увеличении представлено на фиг. 4.
Пример 3. Для изготовления заготовки для крепежных элементов в виде проволоки диаметром 5,18 мм (0,204 дюйма) был выплавлен слиток с химическим составом, приведенным в таблице 5. Температура полиморфного превращения сплава (Тпп), определенная металлографическим способом, составила 988°С (1810°F)
Слиток деформировали при температурах в β- и (α+β) области с получением кованых биллетов. Биллеты прокатывали при температуре 918°С (1685°F) с получением заготовок диаметром 101,6 мм (4 дюйма). Из заготовок диаметром 101,6 мм (4 дюйма) прокаткой получали катаную заготовку диаметром 7,92 мм (0,312 дюйма) с окончанием деформации в (α+β) области. Катаную заготовку диаметром 7,92 мм (0,312 дюйма) после дегазации в вакуумной печи подвергали волочению за несколько переходов с получением проволоки диаметром 6,07 мм (0,239 дюйма). Проволоку отжигали по режиму: нагрев до температуры 705°С (1300°F), выдержка 1 час, охлаждение на воздухе. После зачистки и полировки осуществляли процесс струйной очистки и травления проволоки. Далее, после нанесения смазки проволоку калибровали на диаметр 5,18 мм (0,204 дюйма). Результаты испытаний механических свойств проволоки диаметром 5,18 мм (0,204 дюйма) после отжига представлены в таблице 6. Изображение микроструктуры проволоки при 800-кратном увеличении приведено на фиг. 5.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет получать заготовки для крепежных изделий толщиной до 101,6 мм (4 дюймов), а также позволяет использовать заготовку в виде проволоки для аддитивных технологий, с высокими показателями прочностных свойств и сопротивления двойному срезу при сохранении высоких показателей пластичности.