СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛИТ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF PRODUCING PLATES FROM TWO-PHASE TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к термомеханической обработке двухфазных титановых сплавов в процессе получения толстых листов и плит
Известно, что структура и ее однородность оказывают решающее влияние на уровень и стабильность механических свойств толстых листов и плит (далее плит). Поэтому при разработке технологического процесса изготовления плит критичным является подбор условий формирования структуры при горячем деформировании псевдо α-, (α+β)-титановых сплавов.
Известна типовая схема технологии производства горячекатаных плит, включающая нагрев сляба, горячую прокатку, резку на мерную длину, отжиг и отделочные операции (Титановые сплавы. Полуфабрикаты из титановых сплавов. Ответств. редакторы: Н.Ф. Аношкин, М.З. Ерманок. М., ОНТИ ВИЛС, 1996, с.207-210).
Известен способ изготовления плит из титановых сплавов (Патент РФ №2169791, МПК C22F 1/18), включающий нагрев сляба до температуры прокатки, предварительную прокатку в две стадии, нагрев раската до температуры прокатки и окончательную прокатку, при этом прокатка производится с регламентированными температурными и деформационными режимами
Использование патента (№2169791, МПК C22F 1/18) при изготовления плит из α+β-сплавов типа ВТ23, ВТ22 с более высоким коэффициентом β-фазы (сплавы так называемого «критического» состава), чем у сплава ВТ6, приводит к получению неоднородной структуры, выпадам по свойствам, повышенной отбраковке металла.
В данных схемах изготовления горячекатаных плит не регламентируются временные факторы технологического процесса, влияние химического состава титановых сплавов, что приводит к неоднородности структуры, нестабильности и анизотропии механических свойств.
Прототипом выбран способ изготовления плит двухфазных титановых сплавов (Патент РФ №2378410, МПК C22F 1/18), включающий горячее деформирование слитка в сляб в три этапа, горячую прокатку плит в несколько стадий с промежуточным охлаждением между стадиями до комнатной температуры и последующую термическую обработку плит. Длительность процесса деформации слитка в сляб обусловлено необходимостью уже на этом этапе придать металлу необходимые структурные и пластические свойства для последующей прокатки. Полученные плиты характеризуются однородной мелкозернистой макроструктурой, повышенным уровнем и стабильностью механических свойств.
Недостатками прототипа является то, что процесс деформации слитка в сляб осуществляется в три этапа, что связано со значительными временными и материальными затратами на проведение нагревов, основных и вспомогательных технологических операций, а также большими потерями металла, связанными с угаром и возникающими поверхностными дефектами.
Попытки снизить трудоемкость деформирования слитка, а именно - ограничиться прессованием сляба за один этап, при сохранении качества плит, не дали положительных результатов из-за неоднородной структуры сплава по сечению, так как в дальнейшем это приводит к тому, что:
- при деформировании слитка в один этап на границе крупных β-зерен, которые сохраняются в поверхностных слоях, происходит интенсивное развитие оторочки α-фазы, которая может превысить критические размеры, и служить причиной интенсивного развития трещин при последующей прокатке;
- при недостаточности проработки структуры сплава (недостаточности пластичности) при первой операции прокатки нерегламентируемый ритм прокатки приводит к недопустимому захоложиванию поверхности сляба, контактирующей с холодными валками (из-за низкой теплопроводности титановых сплавов температура поверхностных слоев не успевает восстанавливаться за счет прихода тепла из центральных областей) и наблюдается дефицит их пластичности.
Оба фактора снижают ресурс пластичности и приводят к появлению глубоких поверхностных трещин, которые могут классифицироваться как исправимый, а при неблагоприятном стечении обстоятельств, так и неисправимый брак. Плиты с исправимым браком требуют дополнительной механической обработки поверхности плит до удаления трещин. Эта операция трудоемкая, приводящая к большим потерям металла, а также к дополнительным временным и материальным затратам.
Задачей изобретения является повышение показателей конкурентоспособности толстых листов и плит за счет снижения себестоимости при сохранении высокого уровня и стабильности механических свойств, а также качества поверхности.
Техническим результатом при реализации данного изобретения является снижение трудоемкости процесса, повышение выхода годного, предотвращение появления поверхностных трещин в процессе термодеформационной обработки плит, при гарантированном обеспечении получения однородной макро- и микроструктуры.
Н
ПП
i
Данный технический результат обеспечивается тем, что в способе изготовления плит из двухфазных титановых сплавов, включающем горячее деформирование слитка в сляб, горячую прокатку и последующую термическую обработку плит, горячее деформирование слитка в сляб производят в один этап и сразу же после достижения конечной толщины в процессе деформации сляба, его быстро охлаждают на глубину от поверхности от 20 до 30 мм со скоростью не менее 50°С/мин, последующую горячую продольную прокатку ведут на первой стадии в α+β-области от температуры нагрева Т=(Т-20…40)°С малыми частными обжатиями со степенью деформации ε от 3% до 5%, до суммарной степени деформации ε=25…30%, при этом выдерживают паузы между проходами продолжительностью от 8 до 12 с, а вторую стадию продольной прокатки проводят в β-области от температуры нагрева, которую определяют по формуле:
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>Н</mi></msub><mo>≥</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>П</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mo>×</mo><mi>M</mi><msub><mi>o</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn>8</mn><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Н
где Т - температура нагрева сляба, °С;
ПП
Т - температура полиморфного превращения, °С;
ЭК
Мо - молибденовый эквивалент, который рассчитывается по формуле:
<mrow><mi>M</mi><msub><mi>o</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>M</mi><mi>o</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>[</mo><mi>V</mi><mo>]</mo></mrow><mo>/</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mo>+</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>C</mi><mi>r</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>*</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>2</mn><mn>5</mn><mo>+</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>F</mi><mi>e</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>*</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mo>+</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>N</mi><mi>i</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>/</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>8</mn><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>с</mi><mo>.</mo><mi>%</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
последующие стадии прокатки производят в α+β-области с прерываниями и нагревами в продольных или в поперечных направлениях с суммарной степенью деформации после каждого прерывания ε до 60%.
В процессе охлаждения деформированных за один этап слябов на границе β-зерен происходит развитие оторочки α-фазы, что снижает ресурс пластичности металла и приводит образованию поверхностных трещин при последующей прокатке в α+β-области. Это становится критичным фактором для предложенного изобретения, так как слиток деформируется в сляб за один этап и структура сляба еще в значительной мере наследует недостаточно пластичную литую структуру слитка, особенно это заметно в приповерхностных слоях. Купировать этот процесс, а именно образование приемлемой толщины оторочки α-фазы на границе зерен, возможно при обеспечении необходимой скорости охлаждения слитка после финишной стадии деформации слитка в сляб, при этом скорость охлаждения должна быть не менее 50°С/мин и распространятся на глубину от 20 до 30 мм. Как показала практика для этого во многих случаях вполне достаточно сохранять контакт между поверхностями сляба и инструмента после деформации или охлаждать сляб в воде, при этом время контакта, нахождения сляба в воде определяются опытным путем.
На первой стадии прокатки из-за того, что структура сляба, деформированного за один этап, еще не достаточно проработана и его ресурс пластичности ограничен, поэтому нерегламентируемый ритм прокатки приводит к критичному захоложиванию поверхности сляба, контактирующей с холодными валками. Это вызвано тем, что с целью увеличения производительности процесса прокатки, операторов прокатных станов, традиционно ориентируют на сокращение продолжительности пауз между проходами до 3-5 с.Из-за низкой теплопроводности титановых сплавов температура поверхностных слоев не успевает восстанавливаться за счет прихода тепла из центральных областей, что приводит к появлению на захоложенной поверхности сляба трещин, зарождающихся на тройных стыках β-зерен. Интервал между проходами продолжительностью от 8 до 12 с позволяет выровнять температурное поле по сечению сляба до приемлемого уровня, не провоцирующего образование поверхностных трещин.
i
ПП
При выборе температуры первой α+β-прокатки учитывали, что достаточная степень "полугорячего наклепа" сообщается металлу лишь при наличии и соответствующей устойчивости межфазных границ. Чтобы не допустить на первой стадии прокатки в α+β-области развития процессов динамической и спонтанной рекристаллизации, прокатку осуществляли малыми частными обжатиями ε=3…5% до суммарной степени деформации ε от 20% до 30% при температуре Т-20…40°С, при этом металлу сообщается достаточная степень "полугорячего наклепа", что обеспечивает в металле повышенный энергетический уровень для обеспечения эффекта рекристаллизации β-зеренной структуры в последующей второй стадии прокатки в β-области. Температура нагрева последующей второй стадии прокатки в β-области определяется по формуле (1), которая получена на основании экспериментальных данных.
ЭК
Температура нагрева сляба на второй стадии прокатки, обеспечивающая требуемый эффект рекристаллизации β-фазы, зависит от химического состава сплава, а именно от его молибденового эквивалента Мо, формула (2).
Для обеспечения заданного уровня механических свойств последующие стадии прокатки производят в α+β-области с прерываниями и нагревами в продольных или в поперечных направлениях с суммарной степенью деформации после каждого прерывания 8 до 60%. Металл на этом этапе и приданных режимах имеет запас пластичности, который не требует строгой регламентации ритма прокатки.
В последующих примерах конкретного выполнения, температура нагрева перед второй прокаткой была определена в соответствии с формулами 1 и 2.
Пример 1
i
Предлагаемый способ был опробован при изготовлении плит размерами 16×900×2000 мм из двухфазного титанового сплава Ti-6Al4V. Температура полиморфного превращения сплава Тпп=980°С. Изготовление сляба производили из слитка диаметром 740 мм. Слиток нагревали до температуры 1180°С (на 210°С выше Тпп), прессовали в замкнутом штампе на размеры 276×1080×1600 мм и выдерживали полученный сляб в штампе, не поднимая верхней гравюры, в течение 3 мин, что обеспечило скорость охлаждения поверхностного слоя на глубину 20 мм не менее 50°С/мин. Дальнейшее охлаждение сляба осуществлялось на адъюстаже раздельно без соприкосновения с другими горячими слябами. Механически обработанный до размеров 266×1080×1700 мм сляб нагревали до температуры 940°С (на 40°С ниже Тпп) и прокатывали на стане кварто-2000 малыми обжатиями ε=3-4% с интервалом между проходами продолжительностью от 8 до 12 с до суммарной степени деформации ε=25% с последующим охлаждением до температуры цеха. При визуальном осмотре поверхностных трещин не обнаружено. Далее раскат нагревали до температуры 1090°С, прокатывали со степенью деформации ε=55% и охлаждали до температуры цеха. Затем раскат нагревали до температуры 940°С (на 40°С ниже Тпп) и проводили прокатку со степенью деформации ε=50%. После охлаждения полосу раскраивали на краты и окончательную прокатку со степенью деформации ε=50% проводили в поперечном направлении.
Полученные плиты подвергали термообработке обработке, а также последующим испытаниям механических свойств и контролю структуры.
Результаты испытаний соответствовали требованиям отечественных ТУ-1-805-391-79 и международных стандартов А3304, AMS4911H.
Пример 2
i
ПП
Предлагаемый способ был опробован при изготовлении плит размерами 50×1000×2000 мм из двухфазного титанового сплава ВТ 23. Температура полиморфного превращения сплава Тпп=890°С. Изготовление сляба производили из слитка диаметром 740 мм массой 3200 кг. Слиток нагревали до температуры 1150°С (на 260°С выше Тпп), проводили ковку за один этап до размеров 300×1100×1700 мм и охлаждали полученный сляб в баке с водой в течение 3 мин, чтобы обеспечить скорость охлаждения поверхностного слоя на глубину 20 мм не менее 50°С /мин. Дальнейшее охлаждение сляба осуществлялось на адьюстаже раздельно без соприкосновения с другими горячими слябами. Механически обработанный на размеры 280×1080×1730 мм сляб нагревали до температуры 860°С прокатывали на стане кварто2000 малыми обжатиями ε=3-4% с интервалом между проходами продолжительностью от 8 до 12 с до суммарной степени деформации 8=25% с последующим охлаждением до температуры цеха. При визуальном осмотре поверхностных трещин не обнаружено. Далее раскат нагревали до температуры 1050°С, прокатывали со степенью деформации ε=65% и охлаждали до температуры цеха. Затем раскат нагревали до температуры 860°С (на 30°С ниже Т) и проводили окончательную прокатку со степенью деформации ε=50%.
Полученные плиты подвергали термообработке обработке, а также последующим испытаниям механических свойств и контролю структуры.
Результаты испытаний соответствовали требованиям отечественных TY1-805-103-8L
Механические свойства приведены в табл.1.
Таблица 1
Механические свойства
Способ изготовления плит
Состояние испытываемых образцов
временное сопротивление , кг/мм<sup>2</sup>
относительное удлинение δ, %
относительное сужение Ψ, %
ударная вязкость KCU, МДж/м<sup>2</sup>
Состаренное
132
9,6
28,0
0,35
Предлагаемое
Закаленное и состаренное
130,5
10,6
31,0
0,33
Состаренное
124,3
7,8
13,9
0,34
Известное
Закаленное и состаренное
128,4
8,4
18,4
0,31
ТУ1-805-103-81
Термоупрочненное
110-130
8,0
11,0
0,30
Пример 3
ПП
ПП
ПП
i
ПП
Предлагаемый способ применяли при изготовлении плит размерами 45×1000×2000 мм из двухфазного титанового сплава ВТ 22. Температура полиморфного превращения сплава Т=870°С. Изготовление сляба производили из слитка диаметром 740 мм. Слиток нагревали до температуры 1200°С (на 330°С выше Т) и производили ковку за один этап до размеров 300×1100×1700 мм и охлаждали полученный сляб в баке с водой в течение 3 мин, чтобы обеспечить скорость охлаждения поверхностного слоя на глубину 20 мм не менее 50°С/мин. Дальнейшее охлаждение сляба осуществлялось на адьюстаже раздельно без соприкосновения с другими горячими слябами. Механически обработанный до размеров 280×1080×1700 мм сляб нагревали до температуры 840°С (на 30°С ниже Т) и проводили прокатку на стане кварто 2000 малыми обжатиями ε=3-4% до суммарной степени деформации ε=25%, с интервалами между проходами продолжительностью 8-12 с и с последующим охлаждением до температуры цеха. При визуальном осмотре поверхностных трещин не обнаружено. Далее раскат нагревали до температуры 1075°С, прокатывали со степенью деформации ε=58% и охлаждали до температуры цеха. Затем раскат нагревали до температуры 900°С (на 30°С ниже Т) и проводили окончательную прокатку со степенью деформации ε=50%.
Полученные плиты подвергали термообработке, а также последующим испытаниям механических свойств и контролю структуры. Результаты испытаний механических свойств приведены в табл.2.
Макроструктура плит 5-6 баллов, участки 7 баллов, допускаемые в ТУ 1-92-31-74 и И1054-76 для серийных плит отсутствуют.
Микроструктура плит 1-3 типа, участки 4 типа, допускаемые в ТУ 1-92-31-74 и И1054-76 для серийных плит отсутствуют.
Таблица 2
Способ изготовления плит
Состояние испытываемых образцов
Механические свойства
временное сопротивление , кг/мм<sup>2</sup>
относительное удлинение δ, %
относительное сужение Ψ, %
ударная вязкость KCU, МДж/м<sup>2</sup>
Предлагаемый
отожженное
120,1
12,8
30,9
0,30
отожженное
122,8
12,5
29,1
0,32
Известный
отожженное
124,3
7,2
12,4
0,34
отожженное
118,4
8,0
18,4
0,31
ТУ1-92-31-74
отожженное
110-130
6
16,0
0,25
Полученные плиты характеризуются однородной мелкозернистой макроструктурой, повышенным уровнем и стабильностью механических свойств, а также высокой точностью геометрических размеров и отсутствием поверхностных дефектов.