СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
MANUFACTURING METHOD FOR PARTS FROM TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам получения деталей или изделий с регламентируемой структурой, и может быть использовано для оптимизации технологической формовки изделий сложной формы.
Задача получения определенного распределения структуры материала по объему изделия решается обычно на основании большого практического опыта и результатов специально проводимых экспериментов. Одним из успешно применяемых путей стабильного получения заданной структуры материала в изделиях массового производства является использование эффекта сверхпластичности.
Титановые сплавы, обладающие высокой удельной конструкционной прочностью и коррозионной стойкостью, используются для изготовления широкой номенклатуры изделий, а технологический процесс, основанный на эффекте сверхпластичности, позволяет существенно расширить область применения новых титановых сплавов.
Титановые сплавы классифицируются по различным признакам. Наиболее распространена классификация по фазовому составу [Металлография титановых сплавов / Под. ред. С.Г. Глазунова, Б.А. Колачева. - М.: Металлургия, 1980; Б.К. Вульф. Термическая обработка титановых сплавов. М.: Металлургия, 1969]. Она наиболее подходит для анализа реологических свойств сплавов и включает:
1) α-сплавы, структура которых представлена α-фазой;
2) псевдо - α-сплавы, структура которых представлена α-фазой и небольшим количеством β-фазы или интерметаллидов (не более 5%);
3) (α+β)-сплавы, структура которых представлена α- и β-фазами. Сплавы этого типа могут содержать небольшое количество интерметаллидов (до 1%);
4) псевдо - β-сплавы со структурой, представленной одной β-фазой после закалки или нормализации из β-области. Структура этих сплавов в отожженном состоянии представлена α-фазой и большим количеством β-фазы;
5) β-сплавы, структура которых представлена термодинамически стабильной β-фазой;
6) сплавы на основе интерметаллидов.
Сплавы α-класса (ВТ1, ВТ1-0, ВТ5 и др.) легируют алюминием и нейтральными упрочнителями (олово и цирконий). Сплавы этого класса по сравнению с титаном отличаются повышенной прочностью и жаропрочностью, высокой термической стабильностью, малой склонностью к хладоломкости, хорошей свариваемостью. Хорошая свариваемость α-сплавов обусловлена их однофазной структурой даже при значительном содержании алюминия, в связи с чем металл шва и околошовной зоны не охрупчивается. Титановые α-сплавы термически не упрочняются - единственный вид термоочистки - полный отжиг (для достаточного снятия нагартовки) или неполный (для снятия остаточных напряжений).
Псевдо α-сплавы (ОТ4, ОТ4-1, ОТ4В и др.) содержат небольшие количества алюминия и малые концентрации β-стабилизаторов, что позволяет сохранить при обработке давлением высокую технологичность. Эти сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки. Псевдо - α-сплавы термически не упрочняются, их применяют в отожженном состоянии.
Сплавы (α+β)-класса (ВТ6, ВТ6С, ВТ8, ВТ14, ВТ23 и др.) обладают широким диапазоном свойств, так как они включают в себя материалы, содержащие в отожженном состоянии примерно от 5 до 60% β-фазы. Большие возможности регулирования свойств этих сплавов определяются не только растворным упрочнением α- и β-фаз, но и их способностью к термическому упрочнению путем закалки и старения. Механические свойства сплавов (α+β)-класса очень чувствительны к типу и параметрам микроструктуры. Для обеспечения высокого уровня пластичности и сопротивления циклическим нагрузкам необходимо стремиться к равноосной мелкозернистой структуре.
Псевдо - β-титановые сплавы (ВТ35, ВТ19, ВТ32 и др.) относятся к высоколегированным сплавам, в которых суммарное содержание легирующих элементов доходит до 25% и более. К преимуществам этих сплавов относят:
1) высокую технологичность в закаленном состоянии, что позволяет осуществлять некоторые операции обработки давлением даже при комнатной температуре;
2) большой эффект термического упрочнения, что связано с высокой степенью пересыщения закаленной - фазы легирующими элементами (Mo, Cr, Zr, V);
3) высокую глубину прокаливаемости;
4) высокую вязкость разрушения при значительных прочностных характеристиках;
5) высокое сопротивление усталости.
Известны способы изготовления крупногабаритных штамповок из титановых сплавов (ВТ3-1, ВТ6, ВТ22, ВТ23 и др.) методом сверхпластической деформации (АС СССР 1577378, C22F 1/04, 1988; АС СССР 1759583, В23К 20/14, 1990; патент Великобритании №1301987, 1978).
Наиболее близким по набору существенных признаков является техническое решение по патенту США №3920175, 1977, которое было принято авторами за ближайший аналог.
Недостатком данного способа является то, что при использовании титановых заготовок из сплава ВТ8 (лопатки, диски, рабочие колеса компрессоров и т.д.) применяемая технология не позволяет добиться необходимой прочности готовых изделий (ударная вязкость, трещиностойкость, неоднородность). Это связано с тем, что пластины одной α-колонии деформируются идентично, а динамическая полигонизация и динамическая рекристаллизация в β-фазе при температурах (α+β)-области происходят легче, чем в α-фазе при тех же условиях.
Технической задачей является улучшение механических свойств титановых заготовок из сплава ВТ8 (лопатки, диски, рабочие колеса компрессоров) за счет улучшения морфологии и реологических характеристик исходного материала.
Способ осуществляется методом сверхпластической деформации, включающий газовую формовку деталей из высокопрочного титанового сплава ВТ8 при температурах от 870° до 1000°С.
Далее проводят последовательно, в три этапа, термическую обработку. Первая (низкотемпературная) проводится при температуре от 600° до 650°C, при которой происходит выделение силицидов титана из пересыщенных твердых растворов α- и β-фаз.
Вторая - происходит при температуре от 850°C, которая характеризуется превращением фазового состава из α- в β-.
Третий - происходит при температуре 950°…1100°C. При температуре 1100°C фазовый состав сплава представлен только β-фазой.
Таким образом, из-за того что чувствительность титановых сплавов к типу и параметрам структуры позволяет на одном сплаве получать различное сочетание прочностных, пластических и служебных свойств других сплавов, т.е. применяя трехступенчатую термическую обработку сплава ВТ8, можно заменять высоколегированные сплавы псевдо - β-класса (ВТ19, ВТ32, ВТ35 и др.), которые необычайно дороги в производстве, термически нестабильны из-за высокой плотности, имеют большой разброс механических свойств.