СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРУТКОВ С МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ГЛОБУЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ В α И α+β-ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ
METHOD FOR PRODUCTION OF BARS WITH FINE CRYSTALLINE GLOBULAR STRUCTURE IN (α- AND (α+β)-TITANIUM ALLLOYS

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам получения мелкокристаллической глобулярной структуры в прутках α - и (α+β)-титановых сплавов.
Известно (Добаткин В.И. Плавка и литье титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1978, 384 с.), что в слитках α - и (α+β)-титановых сплавов всегда формируется крупнозернистая структура с пластинчатым внутризеренным строением, а в средней части слитка на стыке зон ориентированных и неориентированных дендридов образуются сгустки ликвата вытянутой формы («шнур»), и глобулярную структуру в титановых сплавах получают преобразованием пластинчатой, деформируя материал при температурах ниже температуры полиморфного (α-β)-превращения. Температура полного полиморфного превращения α- и (α+β)→β у большинства промышленных титановых сплавов находится в интервале 850-1020°С и зависит от содержания легирующих компонентов и примесей. Нагрев до температур, соответствующих β-области, и дальнейшее повышение температуры сопровождается значительным повышением пластичности, особенно при деформировании литого металла, снижением сопротивления деформации. Однако деформация в β-области не дает возможности получить структуру с высокими эксплуатационными свойствами. Оптимальная структура может быть получена при деформации в α+β-области, но пластичность металла в этом интервале температур значительно ниже, сопротивление деформированию резко возрастает. В практике промышленного производства это противоречие преодолевается при осуществлении деформации в две стадии: деформации на первом этапе в β-области и последующая деформация α+β-области. Степени деформации на этих стадиях подбирают, исходя из заданного общего формоизменения металла при изготовлении изделия, однако минимальные их значения на первой стадии определяются необходимостью получения потребной макроструктуры, на второй стадии - получением оптимальной микроструктуры. Применительно к различным видам сплавов этот принцип реализуется в различных вариантах по степеням и температурам деформации. Предельными типами структур α- и α+β-сплавов является глобулярная и пластинчатая. Именно эти структуры определяют возможный диапазон изменения различных показателей механических свойств этих сплавов. При глобулярной структуре указанные сплавы обычно имеют максимальную пластичность, кратковременную прочность, ударную вязкость и сопротивление усталости. Пластинчатая структура в основном обеспечивает наиболее высокую жаропрочность, вязкость разрушения и сопротивления развитию трещин.
Таким образом, в процессе производства прутков из слитка производят нагрев в β- и (α+β)-области переков слитка в промежуточную заготовку, однако ликвационная однородность типа «шнура» сохраняется практически до готового размера прутков, кроме того, в осевой зоне на граничных зернах увеличивается толщина α-оторочки зерен.
Как правило, к механическим свойствам изделий, изготовленных из прутков, предъявляются требования свойственные глобулярной структуре, кроме того, становятся актуальными требования изготовления в промышленном масштабе прутков, в том числе и крупногабаритных, с максимальной однородностью механических свойств по сечению. Следует особенно учесть, что для формирования однородной структуры и свойств материала механика процесса деформации должна обеспечить однородность напряженного и деформированного состояния по всему его объему. Большинство существующих способов промышленного производства прутков не обеспечивают структурную однородность материала, т.к. при ковке или прессовании деформация металла в наружных слоях значительно превосходит деформацию металла, расположенного ближе к центру.
Известны способы деформационной обработки материалов заготовок, такие как равноканальное угловое прессование (РКУ-прессование) (Патент РФ №2146571, МПК В21С 25/00, 20.03.2000 г.), где при прохождении материала через второй канал осуществляют его дополнительное деформирование с изменением поперечного сечения заготовки, а удаление последней осуществляют при освобождении ее торцов. Также известен способ обработки осесимметричных заготовок кручением (Патент РФ №2021064, МПК B21J 5/00, 15.10.1994), где обработку заготовок осуществляют в составном контейнере. В процессе обработки заготовку перемещают в осевом направлении до момента прохождения каждого ее сечения по высоте по меньшей мере один раз через плоскость стыка частей контейнера для получения в заготовках регламентированных физико-механических свойств, в том числе за счет получения в них микрокристаллической структуры.
Эти способы позволяют получать лишь небольшие по массе и размерам мелкозернистые полуфабрикаты с однородной структурой и отличаются высокой трудоемкостью, энергоемкостью и длительностью процесса.
Известен способ получения заготовок с мелкозернистой структурой и заданными физико-механическими свойствами (Патент РФ №2116155, МПК B21J 5/00, 27.07.1998), где деформацию заготовки производят путем многократного редуцирования и последующего увеличения ее поперечного сечения соответственно выдавливанием и осадкой в контейнере. Данный способ позволяет получать небольшие по размерам прутки из материалов с повышенными однородными по сечению физико-механическими свойствами и характеризуется высокой трудоемкостью, низким качеством.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ прессования профилей и матрица для реализации данного способа (Заявка №2006136851, МПК В21С 23/08, решения форма №01 от 27.08.08). Данный способ включает пластическое деформирование цилиндрической заготовки через рабочую полость матрицы, где на участке рабочей конической полости заготовку дополнительно подвергают радиально-сдвиговой деформации посредством, по крайней мере, одного цикла, включающего отклонение оси прессования в рабочей полости матрицы на угол, равный 5-30°, и возвращение ее в исходное положение.
Обработка заготовок по данному способу-прототипу обеспечивает относительно наилучшую проработку структуры, а также удовлетворяет требованиям промышленного производства, т.к. позволяет получить заданные геометрические размеры прутков.
Недостатком данного способа является то, что при осуществлении в процессе прессования более одного цикла радиально-сдвиговой деформации (с целью более глубокой проработки структуры), резко возрастают энергозатраты на преодоление сил на поверхностях контакта инструмента с заготовкой, при этом возможен неравномерный износ поверхностей инструмента на циклических переходах, что отрицательно влияет на стабильность получаемых свойств изделия. Инструмент получается сложный в изготовлении и эксплуатации. Поэтому данный способ практически тяжело использовать для получения крупногабаритных мелкозернистых полуфабрикатов, в частности длинномерных по несколько метров длиной прутков с диаметром более 50 мм из труднодеформируемых сплавов. В этом случае потребуются прессы огромной мощности, мощностью в разы превосходящие существующие, а также соответствующий дорогой инструмент из супервысокопрочных материалов. При использовании нескольких циклических переходов имеется вероятность того, что будут наследоваться дефекты, возникающие при одном направлении приложения прессовых усилий, а именно в осевом направлении вектор сдвиговых напряжений остается постоянным. На границах зерен развиваются пустоты и процесс разрушения присутствующей здесь труднодеформируемой первичной α-фазы замедляется.
Задачей изобретения является создание способа получения прутков с мелкокристаллической глобулярной структурой в α- и (α+β)-титановых сплавах, с повышенными по сравнению со способом-прототипом физико-механическими свойствами, с расширенной номенклатурой получаемых изделий, улучшением стабильности процесса и стойкости инструмента, а также снижение затрат на его промышленное применение за счет получении оптимального размера зерен при деформировании заготовки перед прессованием в β-области, использование рациональной схемы прессования исключающей фиксирование вектора направления прессовых усилий при радиально-сдвиговой деформации, и разнесения во времени циклов радиально-сдвиговой деформации, снижающие нагрузки на инструмент и усилия прессования.
Поставленная задача решается способом получения прутков с мелкокристаллической глобулярной структурой в α- и (α+β)-титановых сплавах включающем ковку слитка в заготовку за несколько переходов с чередованием β-, (α+β)-области, последний переход куют в (α+β)-области, нагрев заготовки до температуры прессования, прессование в рабочую полость матрицы, где металл дополнительно подвергается циклической радиально-сдвиговой деформации, содержащей отклонения оси прессования в рабочей полости матрицы на угол, равный 5-30°, и возвращение ее в исходное положение, отличающейся тем, что перед прессованием в заготовке обеспечивают размер зерен равным 200-300 мкм, прессование осуществляют за один или более циклов, состоящим из двух переходов, при втором переходе меняют направление прессование на противоположное, в процессе каждого перехода осуществляется прессование со степенью вытяжки не менее 2,4 и одной сдвиговой деформации, со степенью деформации не менее 0,5.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Ковка слитка в пруток при температуре β-области на первых проходах разрушает литую структуру. Первая ковка в (α+β)-области разрушает большеугловые границы зерен и при последующем нагреве сопровождается рекристаллизацией с измельчением зерна. Окончательная деформация заготовки перед прессованием в (α+β)-области переводит структуру металла в (α+β)-деформированную, равномерную с размером зерен равным 200-300 мкм по всему сечению.
Далее производится интенсивная пластическая деформация, при которой достигается мелкозернистая структура. Всесторонняя и равномерная проработка заготовки достигается комплексным воздействием радиально-сдвиговой деформации и деформацией вытяжки. Оптимальные режимы деформации определены опытным путем. Применение одной сдвиговой деформации за один переход позволяет прессовать прутки с большим диаметром на одном и том же оборудовании и снижает нагрузку на инструмент. Изменение направления прессования в процессе каждого цикла способствует формированию более плотной и равномерной структуры.
Пример конкретного исполнения.
Изготавливают промежуточную заготовку, в виде прутка, 075 мм из сплава Gr4 под последующую прокатку прутка 019 мм на стане «450» по известной серийной технологии и новому предлагаемого способу, производят оценку механических свойств направлении и размера зерна:
- в продольном на периферии;
- в продольном на расстоянии 0,5 радиуса;
- в продольном центральной области,
- в поперечном направлении.
1. Изготовление по серийной технологии: заготовку - шашку ⌀195 мм нагревают до температуры 800°С и осуществляют прессование из контейнера ⌀200 мм в коническую матрицу ⌀76 мм под ⌀75 мм (после охлаждения) с вытяжкой µ=7,27 и степенью деформации сдвига Λ=1nµ=1.98, затем термообрабатывают по режиму 650°С - 90 минут, в результате формируется микроструктура с размером зерна №9 по ASTME 8 (средний размер зерна 14-16 мкм) и центральной части с размерами зерна №7,5-8 (средний размер зерна 20-24 мкм).
2. Изготавливают промежуточную заготовку по новому способу: заготовку - шашку ⌀195 мм нагревают до температуры 630°С и прессуют с радиально-сдвиговой деформацией в матрицу ⌀119 мм с вытяжкой µ=2,82, Λ=1,038 ось калибрующий участок, который смещен на Δ=25 мм относительно оси контейнера, что при высоте конической части матрицы H=30 мм обеспечивает дополнительную степень деформации сдвига
, при суммарной степени деформации сдвига
1∑
с∂
1экв
Λ=Λ+Λ=1,868, что эквивалентно вытяжке µ=6,47
Положение образующей с минимальной степенью деформации маркируется мастикой. Затем пруток ⌀118 мм разрезается на краты длиной 330 мм, на торцах клеймят положение с минимальной степенью деформацией, шашку фасонируют, нагревают до температуры 640°С, загружают в контейнер пресса 660 тн с ориентировкой образующей с минимальной степенью деформации в зону соответствующей максимальной степени деформации на втором переходе деформируют и прессуют с радиально-сдвиговой деформацией в матрицу ⌀76 мм (с вытяжкой µ=2,49, Λ=0,913) ось калибрующего участка смещена на Δ=12,5 мм, что при высоте конической части матрицы H=20 мм обеспечивает дополнительную степень деформации сдвига
, при суммарной степени деформации сдвига
c∂
2экв
Λ2=Λ+Λ=0,913+0,625=1,538, что эквивалентно вытяжке µ=4,65 и общей вытяжке за два перехода
общ
1экв
2экв
µ=µ+µ=30,1, затем отпрессованные прутки термообрабатывают при температуре 450°С - 120 минут, в результате формируется микроструктура с размером зерна №10 по ASTME 8 (средний размер зерен 9-10 мкм).
Механические свойства и размер зерна (прутки ⌀75 мм).
Способ изготовления
Механические свойства
Размер зерна, мкм
Направление, место вырезки
σ<sub>0,2</sub>, МПа
σ<sub>в</sub>, МПа
δ, %
Ψ, %
Серийной технологии
Продольная периферия
569
680
20,8
44,4
14-16
Продольная 0,5 радиуса
516
672
22,4
45,0
14-16
Продольная центр, обл.
479
664
22,4
42,7
20-24
Поперечное
583
715
20,4
40,6
<100*
Заявленный
Продольная периферия
563
695
22.3
44.6
9-10
Продольная 0,5 радиуса
540
690
23.2
43.0
9-11
Продольная центр, обл.
542
693
22.8
42.7
9-11
Поперечное
572
705
21.7
41.9
<16-20**
* Отдельные нерекристаллизированные зерна длиной до 100 мкм.** Отдельные нерекристаллизированные зерна длиной до 16-20 мкм.
Как показывают полученные результаты, применение предложенного способа значительно улучшает не только прочность, но и пластичность материала заготовки, причем достигается изотропия механических свойств в продольном и поперечном направлениях, что часто является затруднительным при традиционных методах обработки.