СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF THERMO-MECHANICAL TREATMENT OF TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для создания деталей и узлов шасси самолетов и стыковочных узлов ракет, работающих в условиях циклических нагрузок.
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-область 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, отличающийся тем, что 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 способа является низкий уровень циклической прочности титановых сплавов.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип является способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию 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 (Т+120÷Т+270)°С, 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)°С;
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 (Т-400÷Т-500)°С с выдержкой в течение 5-20 часов, где Т - температура полного полиморфного превращения (патент РФ №2219280).
Сплав, обработанный этим способом, имеет пониженные значения малоцикловой усталости при различных концентраторах напряжения.
t
н
t
н
Технической задачей изобретения является повышение малоцикловой усталости (МЦУ), определяемой числом циклов (N) до разрушения при коэффициентах концентрации K=4,0 (r=0,1 мм) и K=2,2 (r=0,75 мм).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения и деформации в процессе охлаждения до температуры ниже полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, в котором термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий, при этом:
пп
пп
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+290÷Т+370)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т+100÷Т-70)°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+180÷Т+270)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т+50÷Т-90)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;
пп
пп
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+80÷Т+170)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-30÷Т-200)°C с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью 15-60%;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+30÷Т+60)°С, деформацию со степенью 30-60%;
пп
пп
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью 20-40% в процессе охлаждения до температуры (Т-110÷Т-130)°С;
пп
пп
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+20÷Т+50)°С, деформацию со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (Т-110÷Т-130)°C;
пп
пп
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т-110÷Т-130)°С;
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+80÷Т+150)°С, деформацию при прокатке со степенью 40-70%;
пп
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-50)°С, деформацию при прокатке со степенью 30-60%;
пп
пп
пп
затем на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-320÷Т-520)°С с выдержкой 2-10 часов, где Т - температура полиморфного превращения;
при этом деформацию на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° от двух до четырех раз.
На первых трех стадиях проводится всесторонняя деформация после нагревов в β-области, что обеспечивает получение однородной по химическому составу, макро- и микроструктуры заготовки (сляба). Понижение температуры начала и конца деформации при каждой последующей стадии обеспечивает уменьшение величины β-зерна и создание сверхмелкозернистой β-структуры. Окончание деформации при более низкой температуре, чем начало деформации, создает горячий наклеп, повышающий дисперсность фазы при последующем нагреве в β-области.
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 четвертой, шестой и восьмой стадиях и нагреве в β-области на пятой, седьмой и девятой 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 девятой и десятой стадиях.
Деформация при прокатке на десятой стадии в α+β-области обеспечивает измельчение внутризеренной структуры и создание прерывистости и зубчатости границ.
При последней одиннадцатой стадии обработки (старении) достигается распад метастабильных фаз и дисперсионное упрочнение.
Выполнение одиннадцати стадий обработки обеспечивает получение повышенных значений малоцикловой усталости при различных концентраторах напряжения.
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.
Пример 1
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+290)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т+100)°С с изменением направления деформации на 90 при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+180)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т+50)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе;
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+80)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-30)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 15%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+30)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30%(первое изменение направления);
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т-110)°С (второе изменение направления);
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+20)°С, деформацию со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т-110)°С;
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т-110)°С;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+80)°С, деформацию при прокатке со степенью 40%;
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию при прокатке со степенью 30%;
пп
пп
затем на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-320)°С с выдержкой 2 часа, где Т - температура полиморфного превращения.
При этом деформация на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформировании на 90 два раза (на 5 и 6 стадиях).
Пример 2
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+370)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-70)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+270)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-90)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе;
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+170)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-200)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию со степенью 60%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+60)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 60% (первое изменение);
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т-130)°С (второе изменение);
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+50)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т-130)°С (третье изменение);
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т-130)°С;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+150)°С, деформацию при прокатке со степенью 70%;
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-50)°С, деформацию при прокатке со степенью 60%;
пп
пп
затем на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-520)°С с выдержкой 10 часов, где Т - температура полиморфного превращения;
При этом деформация на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформировании на 90° три раза (на 5, 6 и 7 стадиях).
Пример 3
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+320)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т+20)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+220)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-20)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе;
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+120)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т-110)°С с изменением направления деформации на 90°С при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30 (первое изменение);
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+45)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% (второе изменение);
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т-120)°С (третье изменение);
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+30)°С, деформацию со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т-120)°С;
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т-120)°С (четвертое изменение);
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+110)°С, деформацию при прокатке со степенью 50%;
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию при прокатке со степенью 40%;
пп
пп
затем на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-420)°С с выдержкой 6 часов, где Т - температура полиморфного превращения. При этом деформация на стадиях с четвертой по восьмую осуществляют в один этап с изменением направления деформировании на 90° четыре раза (на 4, 5, 6 и 8 стадиях).
Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволяет на порядок повысить малоцикловую усталость при различных концентраторах напряжения.
Применение предлагаемого способа термомеханической обработки позволит повысить ресурс и надежность деталей и узлов летательных аппаратов.
Таблица
ВТ23 (Т<sub>пп</sub>=920°С) σ<sub>B</sub>=1300 МПа σ<sub>max цикла</sub>=600 МПа
ВТ43 (Т<sub>пп</sub>=910°С) σ<sub>В</sub>=1400 МПа σ<sub>max цикла</sub>=600 МПа
K<sub>t</sub>=2,2 (r<sub>н</sub>=0,75 мм)
K<sub>t</sub>=4,0 (r<sub>н</sub>=0,1 мм)
K<sub>t</sub>=2,2 (r<sub>н</sub>=0,75 мм)
K<sub>t</sub>=4,0 (r<sub>н</sub>=0,1 мм)
1
30000
130000
55000
210000
2
35000
250000
60000
270000
3
32000
170000
57000
240000
4
3000
13000
5000
25000