СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛИТ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF PRODUCING PLATES FROM TWO-PHASE TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к термомеханической обработке двухфазных титановых сплавов, и предназначено для изготовления плоского проката, применяемого в авиационной промышленности, а также машиностроении.
Титан и сплавы на его основе являются одними из наиболее востребованных материалов в различных областях машиностроения, особенно в авиастроении, где требуется обеспечить высокие удельные характеристики и высокую надежность. Для использования детали в конструкции одним из важных показателей качества металла является наличие в нем внутренних остаточных напряжений, возникающих в результате воздействия температурного и деформационного полей, а также из-за неоднородного распределения механических свойств по объему изделия. 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. Кроме того, машиностроители регулярно ужесточают требования к точности размеров и формы плоского проката, используемого в качестве заготовки. Это продиктовано тем, что все большая часть продукции производится на автоматических поточных линиях, нормальное функционирование которых зависит не только от точности толщины, но и неплоскостности поставляемого металла. Наличие острой конкуренции в сбыте аналогичных по назначению заготовок деталей требует от предприятий - изготовителей проката повышать не только его качество, но и быть экономичными в изготовлении, снижая себестоимость, что в настоящее время является весьма актуальной задачей.
Известен способ изготовления титанового листового проката с использованием крип-отжига, включающий установку садки, состоящую из одного или нескольких листовых изделий, на стальную подогреваемую плиту установки вакуумной правки, создание разряжения в рабочем пространстве установки при одновременном равномерном нагружении внешней наружной поверхности садки, нагрев до температуры отжига, выдержку и охлаждение, с промежуточной ступенью при температуре 220±20°C с выдержкой от 1 до 5 часов (Патент РФ №2532674, МПК C22F 1/18, B21D 1/00, публ. 10.11.2014).
Недостатком известного способа является необходимость использования специализированных печей для крип-отжига и их низкая производительность. Так, продолжительность отжига плит в зависимости от размера и марки титанового сплава может достигать 10 суток и более.
Известен способ изготовления плит из двухфазных титановых сплавов, включающий горячее деформирование слитка в сляб, горячую прокатку и последующую термическую обработку плит, при этом производят одноэтапное горячее деформирование слитка в сляб и сразу после достижения в процессе деформации конечной толщины сляба осуществляют быстрое охлаждение на глубину сляба от поверхности от 20 мм до 30 мм со скоростью не менее 50°С/мин, а последующую горячую продольную прокатку ведут на первой стадии в α+β-области частными обжатиями со степенью деформации от 3% до 5%, до суммарной степени деформации 25…30%, с паузами между проходами продолжительностью от 8 до 12 с, на второй стадии - в β-области от температуры нагрева, определяемой по определенной формуле, а на последующих стадиях прокатку ведут в α+β-области с прерываниями и нагревами в продольных или поперечных направлениях с суммарной степенью деформации после каждого прерывания до 60% (Патент РФ 2492275, МПК C22F 1/18, В21В 3/00, опубл. 10.09.2013 - прототип).
Прототип не обеспечивает получение высоких показателей плоскостности, кроме того, плиты, изготовленные по данному способу, характеризуются высоким уровнем остаточных напряжений по причине отсутствия регламентированного охлаждения плит после прокатки и термической обработки.
Задача, на решение которой направлено изобретение, является разработка эффективного способа изготовления плит из двухфазных титановых сплавов, обеспечивающего стабильное получение на стандартном промышленном оборудовании высоких показателей качества в соответствии с требованиями международных стандартов.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является увеличение производительности изготовления плит, имеющих минимальный уровень внутренних остаточных напряжений и неплоскостности.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления плит из двухфазных (α+β)-титановых сплавов, включающий горячее деформирование слитка в сляб, горячую прокатку сляба, правку полученной плиты на правильной машине и ее последующую термическую обработку, согласно изобретению горячую прокатку сляба проводят в четыре стадии, при этом на первой стадии прокатку осуществляют в (α+β)-области, на второй - в β-области, на третьей - в (α+β)-области, а на четвертой - при температуре на 30-180°С ниже температуры полиморфного превращения (Тпп) сплава, с последующим охлаждением полученной плиты в режиме покачивания на рольганге до температуры 150-200°С и дальнейшим охлаждением на воздухе до комнатной температуры, правку полученной плиты осуществляют в роликовой правильной машине в процессе охлаждения от температуры (Тпп-50)°С до 500°С, а термическую обработку проводят путем отжига в печи в интервале температур (Тпп-200)°С…(Тпп-250)°С и выдержки не менее 2 часов, после чего плиту охлаждают в режиме покачивания на рольганге до температуры 150-200°С и далее на воздухе до комнатной температуры. Продолжительность охлаждения плиты до температуры 150÷200°С после четвертой стадии прокатки определяют по формуле:
охл
t=1,6×h,
охл
где t - время охлаждения, минут;
h - толщина плиты, мм.
Правку на роликовой правильной машине проводят до достижения отклонения плиты от плоскости не более 3 мм на длину плиты. Плиту после правки помещают в печь в течение времени, не превышающего 20 секунд. Продолжительность охлаждения плиты до температуры 150÷200°С после термической обработки определяют по формуле:
охл
t=1,5×h,
охл
где t - время охлаждения, минут;
h - толщина плиты, мм.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
Для получения плит применяют 4 стадийную горячую прокатку сляба, изготовленного посредством ковки или штамповки в β-области. После ковочных операций сляб механически обрабатывают с целью удаления поверхностных ковочных дефектов и газонасыщенного слоя. Для получения металлом достаточной энергии, способствующей процессу рекристаллизационной обработки при последующем нагреве заготовки до температур β-области, первую стадию прокатки осуществляют в α+β-области. Вторая стадия прокатки заготовки при температурах β-области приводит к рекристаллизации β-фазы с измельчением зерна и формированию макроструктуры. Для обеспечения заданного уровня механических свойств последующие стадии прокатки производят в α+β-области. При этом окончательную стадию прокатки осуществляют при температуре металла в интервале от (Тпп-30)°С до (Тпп-180)°С, что обеспечивает получение высоких значений механических свойств и микроструктуры при удовлетворительном качестве поверхности. После прокатки плиту охлаждают в воздушной атмосфере на рольганге прокатного стана до температуры 150-200°С. С целью исключения подзакалки металла в местах контакта с роликами полученную плиту охлаждают в режиме покачивания. В режиме покачивания ролики поворачивают на угол 90÷480° в одну сторону, а затем после остановки в обратную сторону на ту же величину. Верхнее значение интервала температуры охлаждения 200°С обусловлено тем, что возникающие внутренние напряжения не достигают критических значений, что позволяет их минимизировать. Охлаждение в воздушной атмосфере на рольганге в режиме покачивания до температуры, меньшей чем 150°С, значительно снижает производительность процесса. Опытным путем установлена связь продолжительности охлаждения плиты от температуры конца прокатки до 150-200°С в зависимости от толщины, которая может определяться следующей формулой:
охл
τ=1,6×h,
охл
где τ - время охлаждения, минут;
h - толщина плиты, мм.
Далее плиту охлаждают на воздухе до комнатной температуры. После чего на роликовой правильной машине осуществляют правку в температурном интервале от (Тпп-50)°С до 500°С. Температура окончания правки менее 500°С вызывает резкое увеличение внутренних напряжений. Правку проводят до величины неплоскостности не более 3 мм на длину плиты, что позволяет сохранить это значение в готовой плите. В процессе передачи плиты за время не более 20 секунд в отжиговую печь с установочной температурой Т=Тпп-200…250°С и последующей термической обработки продолжительностью более 2 часов в плите происходит достаточная релаксация напряжений. Регламентируемое охлаждение после термической обработки до 150-200°С на рольганге в режиме покачивания позволяет зафиксировать величину внутренних напряжений на минимальном уровне. Экспериментально установлена продолжительность охлаждения плиты от температуры термической обработки до 150-200°С в зависимости от толщины, которая может определяться следующей формулой:
охл
τ=1,5×h,
охл
где τ - время охлаждения, минут;
h - толщина плиты, мм.
Промышленная применимость изобретения подтверждается конкретным примером его выполнения.
Для получения плит толщиной 45 мм из двухфазного титанового сплава Ti-6Al-4V был выплавлен слиток диаметром 740 мм и массой 2000 кг. Температура полиморфного превращения сплава (Тпп)=990°С. Слиток при температурах β-области деформировали в сляб, который механически обрабатывали на размеры 265×1080×1600 мм. Прокатку механически обработанного сляба осуществляли в 4 стадии: на 1 стадии - после нагрева в (α+β)-области, на 2 стадии - после нагрева в β-области, 3 стадия - после нагрева в (α+β)-области. Окончательную 4 стадию прокатки проводили при температуре нагрева металла (Тпп-40°С), при этом температура конца прокатки составила 830°С (Тпп-160°С). После окончательной прокатки плиту размерами 45×1080×3500 мм охлаждали на рольганге в режиме покачивания до температуры 180°С, а далее в стеллаже до комнатной температуры. Затем плиту нагревали до температуры 900°С (Тпп-90°С) и правили на 7-роликовой правильной машине с диаметром роликов 750 мм. Температура конца правки составила 500°С. По окончании правки плиту по рольгангу направили на отжиг в проходную роликовую печь. Температура отжига составляла 760°С (Тпп-230)°С, продолжительность отжига - 2 часа. Охлаждение плиты после отжига проводили на рольганге в режиме покачивания до температуры 200°С в течение 68 минут. Далее плиту охлаждали на стеллаже до комнатной температуры. Посредством гидроабразивной резки вырезали образец для определения внутренних напряжений. Измерение внутренних напряжений производили по стандарту ASTME-837-13a «Стандарт на метод испытания для определения остаточных напряжений методом сверления отверстий и установки тензодатчиков». Остаточные напряжения в плите составили: для верхней поверхности минимальное -24 МПа, максимальное -9 МПа, для нижней поверхности минимальное -28 МПа, максимальное -12 МПа, что не превышает величину установленного требования по внутренним напряжениям ±30 МПа. На обеих поверхностях плиты производили контроль неплоскостности, измеряя отклонение плиты от плоской поверхности по периметру плиты, а также определяли местную волнистость. Набором щупов определяли амплитуду волны, измеряя максимальный зазор между измерительной линейкой и плитой. Неплоскостность верхней поверхности плиты составила 3 мм, местная волнистость 0,23%, неплоскостность нижней поверхности плиты составила 2,5 мм, местная волнистость 0,34%. Данная неплоскостность и местная волнистость являлись приемлемыми для плит авиационного назначения с повышенной плоскостностью, Так в стандарте AMS 2242 допустимая максимальная неплоскостность составляет 3,175 мм, а местная волнистость не более 0,5%. Значения механических свойств и результаты контроля структуры в полной мере соответствовали всем установленным требованиям.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет с высокой производительностью получать плиты с минимальным уровнем внутренних остаточных напряжений и неплоскостности, используя стандартное оборудование прокатного цеха.