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, используемых в авиакосмической и ракетной технике для изготовления пилонов двигателя и силовых конструкций носовых обтекателей ракет, эксплуатируемых в условиях повышенных температур.
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-40)°С;
пп
пп
пп
пп
- нагрев до температуры (880-1050)°С (Т-50÷Т+120)°C; 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).
Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств сплавов, обработанных данным способом.
Известен также способ термомеханической обработки 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 двухфазной области, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств деформацию проводят в β- и (α+β)-областях с одинаковой степенью, равной 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 механических свойств сплавов, обработанных данным способом.
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 (T-100÷T-180)°C;
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÷T-130)°C;
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 полиморфного превращения (патент РФ №2219280).
Недостатками прототипа являются то, что титановые сплавы, обработанные этим способом, обладают пониженными механическими свойствами и повышенной дисперсией механических свойств при повышенных температурах.
в
50ч
100ч
300
300
300
Технической задачей изобретения является повышение предела прочности при повышенных температурах (σ ), предела длительной прочности (σ , σ ) и уменьшение дисперсии механических свойств (поперек, вдоль, по высоте) титановых сплавов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформации, в которых термомеханическую обработку проводят в десять стадий, при этом:
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+250÷Т+280)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации;
пп
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+160÷Т+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе деформации;
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+70÷Т+150)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 15÷40% на каждом этапе деформации;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-10÷Т-30)°С, деформацию со степенью 20-45%;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+60÷Т+120)°С, деформацию со степенью 25-70%;
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-10÷Т-30)°С, деформацию со степенью 15-40%;
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+40÷Т+100)°С, деформацию со степенью 20-60%;
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (T-10÷Т-30)°С, деформацию со степенью 15-40%;
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+20÷Т+80)°С, деформацию со степенью 20-55%;
пп
пп
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-10÷Т-40)°С, деформацию со степенью 15-50%, где Т - температура полного полиморфного превращения;
при этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° от двух до семи раз.
пп
пп
пп
пп
После десятой стадии может проводиться старение при температуре (Т-320÷Т-520)°С с выдержкой 2-10 часов, или перед старением может проводиться закалка при температуре (Т-120÷Т-230)°С с охлаждением в воде или на воздухе.
В процессе первых трех стадий обработки проводится всесторонняя ковка с изменением направления деформации, которая в отличие от ковки в одном направлении обеспечивает создание однородного химического состава и структурно-фазового состояния во всем объеме заготовки и формирования мелкозернистой β-структуры. При трех стадиях всесторонней ковки происходит диффузионная сварка под давлением границ различно ориентированных раковин и пустот. При последующих нагревах происходит диффузия повышенной концентрации примесей, образованных на границах сварки, в глубину металла, чем обеспечивается химическая однородность по примесям и легирующим элементам.
При последующих четвертой и пятой стадиях обработки проводится фазовая перекристаллизация, включающая деформацию в (α+β)-области на четвертой стадии и последующий нагрев в β-области с деформацией на пятой стадии. Фазовая перекристаллизация проводится второй (шестая и седьмая стадии) и третий (восьмая и девятая стадии) раз, при этом температура нагрева в β-области снижается от пятой к седьмой и девятой стадиям, что обеспечивает получение сверхмелкозернистой структуры.
На десятой стадии при деформациях в (α+β)-области измельчается пластинчатая структура внутри зерна, деформируется граница β-зерен, что формирует структуру, обеспечивающую получение высокого уровня механических свойств, особенно при повышенных температурах.
Проведение всех десяти стадий термомеханической обработки обеспечивает создание сплава с высоким уровнем механических свойств и уменьшенной дисперсией свойств при повышенных температурах.
Примеры осуществления
Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ23 и ВТ43, обработанные предлагаемым способом термомеханической обработки (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям.
Пример 1
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+250)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+160)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+70)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 15% на каждом этапе деформации;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-10)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 20% (первое изменение направления);
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+60)°С, деформацию со степенью 25%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-10)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 15%(второе изменение направления);
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+40)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-10)°С, деформацию со степенью 15%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+20)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-10)°С, деформацию со степенью 15%.
При этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° на четвертой и шестой стадиях (два раза).
Пример 2
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+280)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+150)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 40% на каждом этапе деформации;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 45% (первое изменение направления);
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+120)°С, деформация со степенью 70%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% (второе изменение направления);
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+100)°С, деформация со степенью 60%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% (третье изменение направления);
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+80)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 55%(четвертое изменение направления);
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформация со степенью 50%;
пп
затем проводят старение при температуре (Т-420)°С с выдержкой 6 часов.
При этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° на четвертой, шестой, восьмой и девятой стадиях (4 раза).
Пример 3
пп
На первой стадии - нагрев до температуры (Т+270)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 35% на каждом этапе деформации;
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+200)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 40% на каждом этапе деформации;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т+100)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% (первое изменение направления);
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т+90)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 50% (второе изменение направления);
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% (третье изменение направления);
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т+70)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% (четвертое изменение направления);
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 25% (пятое изменение направления);
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т+50)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 35% (шестое изменение направления);
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% (седьмое изменение направления);
пп
пп
затем проводят закалку при температуре (Т-170)°С (охлаждение в воде или на воздухе) и старение при температуре (Т-420)°С с выдержкой 6 часов.
При этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° на четвертой, пятой, шестой, седьмой, восьмой, девятой и десятой стадиях (7 раз).
В таблице приведены механические свойства образцов из титановых сплавов, обработанных по предлагаемому способу (1-3) и способу-прототипу (4).
в
50ч
100ч
300
300
300
Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволит повысить предел прочности при 300°С (σ ), предел длительной прочности (σ , σ ) и уменьшит дисперсию механических свойств (поперек, вдоль, по высоте) изделий из титановых сплавов.
Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит повысить прочность на 15-20%, уменьшить дисперсию механических свойств в 3-4 раза, снизить массу деталей на 15-20% и повысить эксплуатационную надежность работы конструкций.
Таблица
ВТ23 (Т<sub>пп</sub>=920°С)
поперек
вдоль
по высоте
σ<sub>в</sub> <sup>300</sup>
σ<sub>50ч</sub> <sup>300</sup>
σ<sub>100ч</sub> <sup>300</sup>
σ<sub>в</sub> <sup>300</sup>
σ<sub>50ч</sub> <sup>300</sup>
σ<sub>100ч</sub> <sup>300</sup>
σ<sub>в</sub> <sup>300</sup>
σ<sub>50ч</sub> <sup>300</sup>
σ<sub>100ч</sub> <sup>300</sup>
1
1250
1140
1100
1247
1137
1097
1252
1142
1102
2
1255
1150
1115
1252
1141
1102
1257
1148
1107
3
1253
1154
1105
1250
1139
1101
1254
1152
1106
4
1080
902
870
1045
940
810
1087
961
924
ВТ43 (Т<sub>пп</sub>=910°С)
1
1290
1195
1162
1252
1170
1165
1259
1159
1117
2
1302
1207
1178
1258
1175
1174
1272
1172
1103
3
1300
1202
1171
1256
1168
1162
1267
1165
1156
4
1085
931
907
1069
963
877
1120
982
926