СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИСТОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА Ti-6Al-4V
METHOD OF RECEIVING OF SHEETS FROM TITANIUM ALLOY Ti-6Al-4V

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способу изготовления тонких листов из высокопрочного титанового сплава Ti-6Al-4V методом рулонной прокатки, которые могут быть использованы в приборостроении, аэрокосмической технике, а также в медицине.
Известен способ изготовления листовых полуфабрикатов из технического титана, включающий предварительную обработку заготовки, холодную прокатку и отжиг, при котором предварительную обработку ведут на структуру с субмикронным размером зерен, прокатку ведут за несколько проходов до получения полуфабриката заданной толщины или твердости, при этом отжиг осуществляют перед прокаткой и/или между проходами при температуре ниже температуры начала рекристаллизации
нр
t, с уменьшением твердости на величину, компенсируемую при последующей прокатке (патент РФ №2224046, МПК C22F 1/18, публ. 2004.02.20).
Особенностью данного способа является то, что он специализирован для изготовления листовых полуфабрикатов из технического титана (а-сплавы), а также требует трудоемкую предварительную обработку для получения в заготовке под прокатку структуры с субмикронным размером зерен.
3
k
3
k
Известен способ изготовления тонких листов из высокопрочных титановых сплавов, в частности, из двухфазного титанового сплава Ti-6Al-4V, включающий операции подготовки заготовки и горячую деформацию пакета заготовок в оболочке, исходную заготовку с размером зерна α-фазы не более 2 мкм получают методом горячей прокатки кованого или штампованного сляба с относительной толщиной h/h=8,0-10,0, где h- толщина исходной заготовки перед пакетной прокаткой, мм, h - конечная толщина готовых листов, мм, затем охлаждают со скоростью 200-400°С/мин, а последующую термомеханическую обработку проводят в квазиизотермических условиях методом горячей прокатки пакета заготовок, помещенных в стальной кейс, в продольном и поперечном направлениях с разворотом на 90°, причем изменение направления прокатки осуществляют при достижении суммарной степени деформации в одном направлении 60-70% (патент РФ №2250806, МПК F21B 1/83, публ. 2005.04.27) - прототип.
Предлагаемый способ позволяет на существующем промышленном оборудовании без капитальных дополнительных затрат изготавливать тонкие крупногабаритные листы с заданной микрокристаллической структурой и комплексом механических свойств.
Недостатком данного способа является значительное усложнение технологического процесса, обусловленное появлением трудоемких дополнительных технологических операций, связанных с подготовкой заготовки и горячей деформацией пакета заготовок в оболочке, и, как следствие этого, относительно низкий выход годного, высокие трудозатраты и затраты электроэнергии.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является получение качественного листового полуфабриката из высокопрочного титанового сплава марки Ti-6Al-4V с повышенным выходом годного при минимальных трудовых и энергетических затратах.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в приобретении изделиями, изготовленным методом рулонной холодной прокатки из вышеуказанного сплава, микроструктуры, которая обеспечивает им высокий уровень и однородность прочностных и усталостных характеристик.
±10
±10
±10
±10
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения листов из титанового сплава Ti-6Al-4V, включающем предварительную обработку слитка, резку листов и отделочные операции, при этом предварительную обработку слитка проводят последовательной ковкой или штамповкой слитка в β или в α+β областях с получением сляба, сляб прокатывают в черновой клети при температуре металла (Tпп+100)°C с суммарной степенью деформации 80-95% и в чистовой клети при температуре металла (Tпп+30)°C с суммарной степенью деформации 60-85% 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, при этом в каждом цикле холодную прокатку ведут с суммарной степенью деформации 10-25%, отжиг проводят при температуре (Тпп 100…170)°C, а на последнем цикле отжиг осуществляют при температуре (Тпп 170…220)°C, где Тпп - температура полиморфного превращения сплава. Суть предлагаемого изобретения заключается в следующем.
Первая ковка слитка в сляб при температурах β, (α+β)-области разрушает литую структуру и позволяет предварительно подготовить микроструктуру (измельчить зерно) для последующей прокатки сляба в β-области.
Прокатка в β-области и последующий отжиг имеют цель - формирование структуры, в которой исходное β-зерно вытянуто вдоль направления прокатки, а его внутризеренная структура состоит из вторичных α-пластин. При этом вторая горячая прокатка в чистовой клети позволяет сформировать приемлемые геометрические размеры заготовки для последующей холодной прокатки. Термомеханические режимы горячей прокатки подобраны опытным путем.
±10
±10
Холодная прокатка с последующим отжигом при температуре (Тпп 100…220)°C за несколько циклов позволяет трансформировать грубую крупнозернистую пластинчатую структуру в мелкозернистую глобулярную, представляющую округлые частицы α-фазы размером 2-5 мкм в β-матрице. Холодная прокатка в рулоне производится с суммарной степенью деформации за одну прокатку 10-25%, что является необходимым для завершения преобразования крупнозернистой пластинчатой структуры в глобулярную мелкозернистую. При деформации выше 25% возможно образование трещин по краям заготовки. Последний отжиг производится при температуре (Тпп 170…220)°C с целью предотвращения роста зерен.
Изобретение иллюстрируется следующими материалами.
Фиг.1 - показана микроструктура заготовки после горячей прокатки в чистовой клети из титанового сплава Ti-6Al-4V.
Фиг.2 - микроструктура листов из титанового сплава Ti-6Al-4V, изготовленных методом рулонной прокатки.
Возможность осуществления изобретения поясняется примером изготовления листов из титанового сплава Ti-6Al-4V габаритами 1,524×914×2438, изготовленных методом рулонной холодной прокатки.
Сляб был изготовлен штамповкой слитка в β-области из сплава Ti-6Al-4V, размерами 270×1070×1600, Тпп=980°С.
В печи СРЗ 20.80 сляб нагрели на температуру 1080°С. На стане 2000 горячей прокатки (черновая клеть) сляб был выкатан на полосу толщиной 14 мм и длиной 30 м. После обрезки переднего и заднего конца полосу нагрели в проходной рольганговой газовой печи на температуру 1010°С и на чистовой клети стана 2000 (с моталками в печах) выкатали на толщину 4,0 мм и смотали в рулон, протравили и отожгли при температуре 850°С, далее рулон подвергли двойному травлению в агрегате непрерывного травления со съемом 0,1-0,15 мм.
Полученная микроструктура после горячей прокатки и последующего отжига - анизотропная, исходное β-зерно вытянуто вдоль направления прокатки, а внутризеренная структура состоит из вторичных α-пластин (фиг.1).
Далее были последовательно проведены две операции холодной рулонной прокатки, включающие:
- холодную прокатку рулона на стане 2000 холодной прокатки со степенью деформации 20%;
- отжиг рулона в агрегате непрерывного отжига при температуре 850°С после первой прокатки и 780°С - после второй;
- двойное травление в агрегате непрерывного травления со съемом 0,1-0,15 мм.
На этом этапе была сформирована микроструктура листов, а затем проводились адьюстажные отделочные операции по известным схемам,
включающие:
- холодную прогладку рулона на стане 2000 со степенью деформации 2% и травление;
- раскрой рулона на листы и травление в агрегате листового травления;
- обезводораживающий вакуумный отжиг листов;
- прогладка, шлифование, осветление листов и окончательная приемка. Микроструктура полученных листов приведена на фиг.2, где:
а - продольное сечение (×500);
б - продольное сечение (×1000);
в - поперечное сечение (×500);
г - поперечное сечение (×1000).
Результаты исследования микроструктуры приведены в таблице 1.
Таблица 1
Состояние
Размер α-фазы, мкм
Степень глобуляризации, %
В состоянии поставки
2-5
20-50
В таблице 2 приведены механические свойства листов из сплава Ti-6Al-4V, изготовленных по заявленному способу и в соответствии с прототипом (патент РФ №2250806).
Таблица 2
Габариты листов, мм
вдоль направления прокатки
поперек направления прокатки
σ<sub>0,2</sub>, МПа
σ<sub>в</sub>, МПа
относительное удлинение, %
σ<sub>0,2</sub>, МПа
σ<sub>в</sub>, МПа
относительное удлинение, %
Прототип
2,23×915×1650
978
1049
12,0
1071
1073
8,0
2,32×1219×3658
876
903
15,6
888
916
10,6
Заявленный способ
1,524×914×2438
898
1008
12,6
990
1044
11,4
1,524×914×2438
877
1007
13,4
1009
1068
10,8
Угол изгиба был испытан согласно требованиям AMS-T9046 на оправке диаметром 9t 20,0 мм и составил 180° в продольном и поперечном направлениях.
Материал рулона пригоден для суперпластичной деформации (SPF).
Как видно из таблицы 2 и приведенных данных, тонкие листы, изготовленные из титанового сплава класса Ti-6Al-4V по заявленному способу, имеют близкие прочностные и технологические свойства с аналогичными листами, изготовленными по прототипу.
В таблице 3 приведены выходы годного, трудо- и энергозатраты при производстве 1 тонны листового проката, изготовленного 2 способами: 1 - в соответствии с прототипом, 2 - по заявленному способу.
Таблица 3
Выход годного, %
Трудоемкость, ч/ч*
Электроэнергия, кВт/ч
Прототип
Заявленный способ
Прототип
Заявленный способ
Прототип
Заявленный способ
50,01
71,5
729,67/140,75
221,41/40,6
10938
32720
Увеличение на 21,4
Уменьшение на 508,26/100,15
Уменьшение на 21782
По сравнению с прототипом при реализации заявленного способа:
- выход годного увеличился в 1,43 раза;
- трудозатраты уменьшились в 3,3 раза;
- затраты электроэнергии уменьшились в 3 раза.