СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF THERMOMECHANICAL TREATMENT OF TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в космической и ракетной технике для создания конструкций, работающих при повышенных температурах.
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 также способ термомеханической обработки, применяемый при изготовлении изделий из 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, в котором 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°С 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 известного способа является низкий уровень длительной прочности титановых сплавов при 500-700°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформации в процессе охлаждения до температуры ниже температуры полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, 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)°C, 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)°C;
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 (T-400÷T-500)°С с выдержкой в течение 5-20 часов, где Т - температура полного полиморфного превращения (патент РФ №2219280).
Сплав, обработанный этим способом, имеет пониженную длительную прочность (60-600 сек) при температуре 500-700°С.
Технической задачей изобретения является повышение длительной прочности изделий из титановых сплавов при температуре 500-700°С.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки титановых сплавов, отличающийся тем, что ее осуществляют в десять стадий, при этом:
пп
пп
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+280÷Т+350)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-40÷Т-100)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;
пп
пп
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+100÷Т+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-100÷Т-180)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;
пп
пп
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т-110÷Т-130)°С;
пп
пп
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+20÷Т-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 30-70% в процессе охлаждения до температуры (Т-110÷Т-130)°С;
пп
пп
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-50% в процессе охлаждения до температуры (Т-110÷Т-130)°С;
пп
пп
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+20÷Т-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (Т-110÷Т-130)°С;
пп
пп
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т-110÷Т-130)°С;
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+100÷Т+130)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 55-80%;
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 30-40%;
пп
пп
пп
затем на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т-360÷Т-500)°С с выдержкой 5-20 часов, где Т - температура полиморфного превращения;
при этом от двух до четырех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по седьмую, проводят с изменением направления деформации на 90°.
В процессе деформации после первых двух нагревов при температуре выше полиморфного превращения (β-область) с последующим охлаждением и изменением направления деформации при чередовании осадки и вытяжки происходит создание изотропной структуры, усреднение химического состава и уплотнение сплава путем ликвидации пустот, раковин, рыхлот и других дефектов литья. Изменение направления деформации, в отличие от деформации в одном направлении позволяет ликвидировать различно ориентированные дефекты, достигнуть более однородного химического состава и создать изотропную структуру. При последующих нагревах и деформациях происходит создание однородного структурного и фазового состояния за счет трех фазовых перекристаллизаций, заключающихся в деформации в α+β-области на третьей, пятой и седьмой стадиях и нагреве в β-области на четвертой, шестой и восьмой стадиях. В процессе деформации в α+β-области более интенсивная деформация проходит в зонах с меньшей величиной зерна, а при нагреве в β-области более интенсивно в этих зонах идет процесс рекристаллизации и рост зерен. В других зонах с более крупным зерном, деформация идет менее интенсивно, и с меньшей скоростью идет процесс рекристаллизации. Таким образом происходит выравнивание структуры. При трех фазовых перекристаллизациях достигается создание однородной сверхмелкозернистой структуры.
Заготовка с такой структурой имеет малую глубину окисления по границам зерен, а следовательно, требует меньшей глубины механической обработки поверхности перед прокаткой плит на восьмой и девятой стадиях.
Деформация при прокатке на девятой стадии в α+β-области обеспечивает измельчение внутризеренной структуры и создание прерывистости и зубчатости границ.
При последней десятой стадии обработки (старении) достигается распад метастабильных фаз и дисперсионное упрочнение.
Выполнение десяти стадий обработки обеспечивает получение высокого комплекса стабильных механических свойств при повышенных температурах.
Примеры осуществления
Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ-23 и ВТ-43, обработанные предлагаемым способом термомеханической обработки (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям. Результаты испытаний приведены в таблице.
Пример 1
пп
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+280)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-40)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка - вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+100)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-100)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка - вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;
На первой и второй стадиях все четыре этапа деформации проводят в процессе непрерывного охлаждения.
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т-110)°С;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+20)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т-110)°С;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию осадкой со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т-110)°С;
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+20)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т-110)°С;
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию осадкой со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т-110)°С;
С третьей по седьмую стадию, направление деформирования изменяют путем поворота (кантовки) заготовки на 90°.
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+100)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 55%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 30%;
пп
пп
на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т-360)°С выдержку 5 часов, охлаждение, где Т - температура полиморфного превращения.
Пример 2
пп
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+350)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-100)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка -вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-180)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка - вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;
На первой и второй стадиях все четыре этапа деформации проводят в процессе непрерывного охлаждения.
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т-130)°С;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 70% в процессе охлаждения до температуры (Т-130)°С;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т-130)°С;
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т-130)°С;
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т-130)°С;
С третьей по седьмую стадию, направление деформирования изменяют путем поворота (кантовки) заготовки на 90°.
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+130)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 80%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 40%;
пп
пп
на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т-500)°С, выдержку 20 часов, охлаждение, где Т - температура полиморфного превращения
Пример 3
пп
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+310)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-70)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка - вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+130)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-140)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка - вытяжка - осадка - вытяжка) со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;
На первой и второй стадиях все четыре этапа деформации проводят в процессе непрерывного охлаждения.
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т-120)°С;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-35)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т-120)°С;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т-120)°С;
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-35)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т-120)°С;
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры и температурой конца деформации (Т-120)°С;
С третьей по седьмую стадию, направление деформирования изменяют путем поворота (кантовки) заготовки на 90°.
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+120)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 70%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 35%;
пп
пп
на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т-450)°С, выдержку 10 часов, охлаждение, где Т - температура полиморфного превращения.
Предлагаемый способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов позволяет повысить предел длительной прочности (за 30, 150 и 300 секунд) при температурах 500, 600 и 700°C на 30-45%, за счет повышения однородности структурно-фазового состояния и многофазного упрочнения.
Применение предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу изделий на 55-70% и повысить полезную нагрузку летательных аппаратов, а также повысить эксплуатационную надежность при температурах 500-700°С за счет повышения длительной прочности на 50-70%.
Таблица
σ<sub>30 сек</sub>
σ<sub>150 сек</sub>
σ<sub>300 сек</sub>
Сплав ВТ 23, Т<sub>пп</sub>=920°С
500°
600°
700°
500°
600°
700°
500°
600°
700°
1
1200
720
280
1150
680
220
1100
630
190
2
1220
735
290
1170
690
225
1140
640
198
3
1230
748
295
1190
695
227
1150
644
203
4
920
530
225
870
470
180
840
450
155
Сплав ВТ 43, Т<sub>пп</sub>=910°С
1
1270
750
310
1170
720
230
1150
650
210
2
1278
759
312
1176
726
235
1158
657
217
3
1282
764
317
1183
734
237
1162
659
221
4
935
542
238
895
490
195
850
455
158