СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРУТКОВ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕРМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ В НАПРАВЛЕНИИ ОСИ ПРУТКА
METHOD OF THERMOMECHANICAL PROCESSING OF RODS FROM BIPHASE TITANIUM ALLOYS FOR PRODUCING LOW VALUES OF LINEAR EXPANSION THERMAL COEFFICIENT IN ROD AXIS DIRECTION

Изобретение относится к области машиностроения, а именно описывает способ термомеханической обработки прутков из двухфазных титановых сплавов для получения низких значений термического коэффициента линейного расширения в направлении оси прутка, то есть для реализации одномерного инвар-эффекта в двухфазных титановых сплавах.
В инварном сплаве Н36 (Fe-36%Ni) [1] инвар-эффект связан с ферромагнитностью этого материала, и поэтому такой материал не требует какой-либо специальной термомеханической обработки для реализации инвар-эффекта. Недостатками данного материала является недостаточная прочность при высокой плотности, а также недостаточно низкие значения термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР), а также ограниченная коррозионная стойкость.
Также известен неферромагнитный сплав 93ЦТ (Zr-(6-8%)Ti), характеризующийся достаточно высокой пластичностью и коррозионной стойкостью [2]. К недостаткам этого материала можно отнести также сравнительно высокие значения ТКЛР, а также ограниченный температурный интервал проявления инвар-эффекта (-100…150°С) при повышенной плотности.
Недостатком другого существующего сплава Cr - (3-7%)Fe - (0.2-1.5%)Mn - (0.001-1.0%)La является крайне узкий интервал пониженных значений ТКЛР (0…40°С) при катастрофически низкой пластичности при комнатных температурах и высокой плотности [2]. Кроме того, сплав является нетехнологичным.
Известен способ реализации инвар-эффекта в титановых сплавах, легированных 2…20% (масс.) ванадия, а также опционально ниобием и танталом [2, 3], используемый для получения состояния с низким термическим расширением в диапазоне температур от -150 до 200°С, включающий закалку сплава из однофазной β-области для получения структуры α''-мартенсита с последующей холодной прокаткой с обжатием 30…70% для получения преимущественной кристаллографической ориентировки (текстуры) мартенсита. Инвар-эффект в данном случае реализуется за счет анизотропии свойств кристаллической решетки мартенсита вдоль осей «а», «b» и «с».
Данный способ является близким к предлагаемому техническому решению. Недостатком данного подхода является необходимость использования специальных прецизионных сплавов, а также недостаточный уровень прочностных свойств в состоянии после обработки. Последнее отчасти связано с необходимостью закалки сплава из однофазной β-области, что приводит к сильному росту зерен с последующим падением прочностных и пластических свойств. Кроме того, способ требует проведения прокатки с сильными обжатиями в холодном состоянии, когда пластичность сплава является низкой.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в формировании состояния в прутках из коррозионностойких неферромагнитных промышленных титановых двухфазных титановых сплавов с низким контролируемым значением ТКЛР (вплоть до отрицательного), которое характеризуется повышенной прочностью при удовлетворительной пластичности.
Техническим результатом изобретения является низкое значение ТКЛР (-3…3) в интервале температур -140…+70°С при высоких значениях прочности (более 900 МПа) и удовлетворительной пластичности (более 5%).
пп
пп
пп
Указанный результат достигается за счет комплексной термомеханической обработки, которая включает горячую деформацию прутка при температуре в диапазоне 500°С…Т-20°С для получения аксиальной текстуры β-фазы <110> с полюсной плотностью не менее 3, закалку прутка с температур в интервале 720°С…Т с последующей холодной деформацией вдоль оси прутка, при температуре не выше 300°С и с относительным удлинением от 1 до 30%, где Т - температура полного полиморфного превращения используемой плавки сплава.
В качестве материала, из которого производится пруток, могут выступать двухфазные титановые сплавы, условный молибденовый эквивалент которых находится в интервале от 3,3 до 22%.
Сущность изобретения: достижение вышеуказанного технического результата изобретения основано на анизотропии термического расширения кристаллической решетки α''-мартенсита, формирование которого возможно при охлаждении и деформации титановых сплавов.
пп
При деформировании двухфазных титановых сплавов при повышенных температурах происходит текстурирование β-фазы, то есть возникновение в материале преимущественной кристаллографической ориентировки. При этом частицы α-фазы, сохраняющиеся в структуре сплава до температуры полного полиморфного превращения (Т), препятствуют протеканию рекристаллизации β-фазы, при которой может изменяться сформированная деформацией текстура. При последующей закалке происходит фиксация метастабильной β-фазы с текстурным состоянием, которое было сформировано при горячей деформации. Деформирование закаленного сплава в холодном состоянии приводит к повышению температуры начала мартенситного превращения выше комнатной и протеканию деформационно-индуцированного прямого β→α''-мартенситного превращения. Формирующая при этом α''-мартенситная фаза наследует текстурное состояние от β-фазы. Преимущественная аксиальная текстура (010) α''-мартенситной фазы вследствие отрицательного термического расширения вдоль оси «b» ее кристаллической решетки обеспечивает компенсацию термического расширения/сужения материала в указанном интервале температур.
С целью реализации инвар-эффекта сплавы, из которых изготовлены прутки, должны характеризоваться следующим. Во-первых, должна иметься возможность фиксации метастабильной β-фазы при закалке. Во-вторых, химический состав β-фазы должен обеспечивать возможность протекания деформационно-индуцированного β→α''-мартенситного превращения при комнатных температурах. Использование сплавов с молибденовым эквивалентом менее 3,3% исключает возможность сохранить в закаленном состоянии β-фазу в достаточном количестве, а в сплавах с эквивалентом свыше 22% стабильность закаленной β-фазы оказывается слишком высокой для протекания деформационно-индуцированного мартенситного превращения при комнатной температуре.
пп
Предшествующее закалке деформирование прутков при этом должно осуществляться при температурах, обеспечивающих максимально высокую объемную долю β-фазы в структуре материала, при этом сохраняющаяся в структуре α-фаза должна эффективно подавлять протекание рекристаллизационных процессов в материале. Как показали исследования, при температурах ниже 500°С объемная доля β-фазы в структуре является пренебрежимо низкой, а выше Т-20° доля α-фазы оказывается недостаточной для торможения рекристаллизации. Температура последующей закалки была выбрана таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить фиксацию метастабильной β-фазы при комнатной температуре, а с другой стороны, сохранялась возможность протекания деформационно-индуцированного мартенситного превращения. Закалка с температур ниже 720°С приводит к получению β-фазы с температурой начала мартенситного превращения значительно ниже комнатной. Степень холодной деформации должна быть достаточной для протекания β→α''-мартенситного превращения при комнатной температуре. Меньшая степень деформации не обеспечивает необходимого повышения температуре начала мартенситного превращения, а более высокая приводит к получению α'-мартенсита в структуре, реализация инвар-эффекта, при котором является невозможной.
Пример.
Предлагаемое техническое решение подтверждено на примере термомеханической обработки промышленного сплава ВТ16 (Ti-3Al-5Mo-5V), условный молибденовый эквивалент которого равен 8,25.
В процессе обработки исходная заготовка под пруток диаметром 12 мм подвергалась волочению на конечный диаметр 5.3 мм и закаливалась в воду с температуры 760°С. Затем пруток при комнатной температуре подвергался одноосному растяжению вдоль оси до достижения относительной степени деформации 0.7…8.0%. Значения ТКЛР определялись с помощью высокоточного дифференциального дилатометра Linseis L75VD1600C.
В табл. 1 представлены зафиксированные в температурном интервале -140…70°С значения, а на фиг. 1 - зависимость ТКЛР сплава от степени холодной деформации. В табл. 2 приведены механические свойства сплава после холодной деформации со степенью 8%.
Как видно из приведенных данных, в результате предложенной термомеханической обработки достигается значительное снижение ТКЛР (вплоть до отрицательных значений) при сохранении высокой прочности (более 900 МПа) и удовлетворительной пластичности (порядка 5%).
Источники информации
1. Прецизионные сплавы. Справочник. М.: 1984, с. 212…258.
2. Неферромагнитный инварный сплав и изделие, выполненное из него (их варианты): пат. 2095455 Рос. Федерация. №96114190/02; заявл. 16.07.1996; опубл. 10.11.1997.
3. Хромова Л.П. Повышение качества изделий точного машиностроения на основе разработки инварного титанового сплава: автореф. дис. канд. техн. наук. - Москва, 2005. - 28 с.