СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПСЕВДО-БЕТА-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF PRODUCING DEFORMED PARTS FROM PSEUDO-BETA-TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано для изготовления конструкционных деталей и узлов авиакосмической техники, преимущественно деталей шасси и планера, из высокопрочных псевдо-β-титановых сплавов.
Высокая удельная прочность псевдо-β-титановых сплавов очень полезна для применения в конструкциях летательных аппаратов. Важнейшей проблемой при создании конкурентоспособных пассажирских самолетов является создание конструкций и подбор материалов, которые позволяют обеспечить высокие эксплуатационные свойства и весовые характеристики. Потребность в данных сплавах была обусловлена тем, что современные тенденции по увеличению габаритно-весовых характеристик коммерческих самолетов повлекли за собой увеличение сечений высоконагруженных деталей, например, таких как шасси или детали планера с обеспечением однородного уровня механических свойств. Кроме того, значительно возросли требования к материалу, в котором необходимо сочетание высокой прочности и высокого коэффициента вязкости разрушения. В таких конструкциях используются либо высоколегированные стали, либо титановые сплавы. Потенциальные выгоды, получаемые от замены легированных сталей на титановые сплавы, весьма существенны, так как позволяют снизить массу деталей как минимум в 1,5 раза, повысить коррозионную стойкость и упростить обслуживание. Данные титановые сплавы позволяют решить эти задачи и могут быть использованы для изготовления широкой номенклатуры изделий ответственного назначения, включая крупногабаритные штамповки и поковки сечением более 150÷200 мм, а также полуфабрикаты малого сечения, такие как прутки, плиты толщиной до 75 мм, которые широко используются для изготовления различных деталей авиационной техники, в том числе крепежа. Использование титановых сплавов, несмотря на выгодные по сравнению со сталью удельные прочностные свойства, ограничивается технологическими возможностями, в частности - относительно высокие удельные усилия деформирования вследствие более низких температур деформации по отношению к высоколегированным сталям; низкая теплопроводность, а также сложность получения равномерных механических свойств и структуры, особенно при изготовлении деталей массивного сечения, поэтому для обеспечения всех требуемых показателей качества полученного металла необходимы индивидуальные способы их обработки.
Псевдо-β-титановые сплавы Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-Zr выгодно отличаются от известных сплавов, например сплава Ti-10V-2Fe-3Al. Они менее подвержены ликвации, обладают прочностными характеристиками до 10% выше, чем у сплава Ti-10V-2Fe-3Al, имеют повышенную прокаливаемость, что позволяет изготовлять штамповки сечением до 200 мм и более (практически в два раза больше) с равномерной структурой и свойствами, а также более технологичны. Кроме того, сплавы этого класса при прочности более 1100 МПа обладают вязкостью разрушения, сопоставимой со сплавом Ti-6Al-4V, но превосходят сплав Ti-6Al-4V по прочности на 150-200 МПа. Данные сплавы отвечают запросам, предъявляемым к современным летательным аппаратам. Например, в одном из перспективных самолетов из сплавов данного класса используют штампованные изделия, масса которых варьируется от 23 кг (50 фунтов) до 2600 кг (5700 фунтов), а длина от 400 мм (16 дюймов) до 5700 мм (225 дюймов). Ключевым фактором, влияющим на качество этих изделий, является термомеханическая обработка. Известные способы не позволяют производить изделия с требуемыми стабильными механическими свойствами.
пп
Известен способ обработки заготовок из титановых сплавов, включающий деформирование слитка путем его осадки и вытяжки при температурах β-области со степенью деформации 50-60%, ковку заготовки при температурах (α+β)-области осадкой со степенью деформации 50-60% и окончательное деформирование заготовки при температурах β-области со степенью деформации 50÷60% с дальнейшим отжигом полученной поковки при температуре на 20÷60°С выше температуры полиморфного превращения (далее по тексту - Т) и выдержкой 20÷40 мин (а.с. СССР №1487274, МПК B21J 5/00, публ. 10.06.1999 г.).
Для известного способа характерна высокая вероятность незаполнения высоких и тонких ребер сложноконтурных штампованных изделий и высокая локализация деформации при разовом деформировании заготовки при температурах β-области со степенью 50÷60%, кроме того, в случае осуществления окончательного деформирования заготовки в β-области за несколько переходов неизбежно происходит значительный рост зерна за счет собирательной рекристаллизации, что приводит к снижению уровня механических свойств.
Известен способ получения прутков из псевдо-β-титановых сплавов для крепежных изделий, включающий нагрев заготовки до температуры выше температуры полиморфного превращения в β-области, прокатку при этой температуре, охлаждение до температуры окружающей среды, нагрев подката до температуры на 20-50°С ниже температуры полиморфного превращения в (α+β)-области и окончательную прокатку при этой температуре (патент РФ №2178014, МПК C22F 1/18, В21В 3/00, публ. 10.02.2002 г.) - прототип.
пп
пп
Недостатком известного способа является то, что он предназначен для изготовления методом прокатки изделий относительно небольших сечений, для которых деформации на конечной стадии при (Т-20)÷(Т-50)°С достаточно для обеспечения требуемого уровня микроструктуры и, следовательно, получения необходимых механических свойств, однако, при изготовлении сложноконтурных изделий больших сечений (толщиной более 101 мм) и больших габаритных размеров деформации указанной степени на конечной стадии в (α+β)-области недостаточно для получения однородной микроструктуры и, следовательно, однородных механических свойств, кроме того, режимы термомеханической обработки не являются оптимальными для изготовления крупногабаритных штампованных изделий.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является регламентированное получение изделий из псевдо β-титановых сплавов, обладающих однородной структурой в комплексе с равномерным и высоким уровнем прочностных свойств и высокой вязкости разрушения.
Техническим результатом данного способа является получение высокоточных деформированных изделий со стабильными свойствами, обладающих сечениями толщиной 100 мм и выше и длиной более 6 м, при этом гарантированно достигаются следующие соотношения механических свойств:
1C
1. Временное сопротивление разрыву свыше 1200 МПа при обеспечении критерия вязкости разрушения K не менее 35 МПа√м.
1C
2. Значение критерия вязкости разрушения K свыше 70 МПа√м при обеспечении значения временного сопротивления разрыву не менее 1100 МПа.
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
1C
1C
пп
пп
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления деформированных изделий из псевдо-β-титановых сплавов, включающем получение слитка и его термомеханическую обработку путем многократных нагревов, деформаций и охлаждений, получают слиток, содержащий мас.%: 4,0÷6,0 алюминия, 4,5÷6,0 ванадия, 4,5÷6,0 молибдена, 2,0÷3,6 хрома, 0,2÷0,5 железа, не более 2,0 циркония, не более 0,2 кислорода, не более 0,05 азота; при этом термомеханическая обработка включает нагрев до температуры на 150÷380°С выше Т и деформацию со степенью деформации 40÷70%, нагрев до температуры на 60÷220°С выше Т и деформацию со степенью деформации 30÷60%, нагрев до температуры на 20÷60°С ниже Т и деформацию со степенью деформации 30÷60%, далее осуществляют рекристаллизационную обработку путем нагрева заготовки до температуры на 70÷140°С выше Т и последующую деформацию со степенью деформации 20÷60% с охлаждением до комнатной температуры, затем после нагрева до температуры на 20÷60°С ниже Т заготовку деформируют со степенью деформации 30÷70% и осуществляют дополнительную рекристаллизационную обработку путем нагрева заготовки до температуры на 30÷110°С выше Т и последующую деформацию со степенью деформации 15÷50% с охлаждением до комнатной температуры, далее после нагрева до температуры на 20÷60°С ниже Т проводят деформацию со степенью деформации 50÷90% и дальнейшее окончательное деформирование. Окончательное деформирование проводят после нагрева на 10÷50°С ниже Т со степенью деформации 20÷40% для обеспечения значения временного сопротивления разрыву свыше 1200 МПа и значения вязкости разрушения K не менее 35 МПа√м, а для обеспечения значения вязкости разрушения K свыше 70 МПа√м и значения временного сопротивления разрыву не менее 1100 МПа окончательное деформирование проводят после нагрева на 40÷100°С выше Т со степенью деформации 10÷40%. После окончательного деформирования для сложноконтурных штампованных изделий проводят дополнительное деформирование со степенью деформации не более 15% после нагрева на 20÷60°С ниже Т.
1C
Для получения точных штампованных изделий с временным сопротивлением разрыву не менее 1100 МПа и вязкости разрушения K не менее 70 МПа√м предложено широко использовать штамповку данного сплава в β-области, в которой сопротивление деформации снижается по отношению к деформации в (α+β)-области, что позволяет потенциально получить точные штамповки с высоким значением коэффициента использования металла (КИМ) за счет использования конфигурации предыдущей деформации, приближенной к размерам окончательного изделия с обеспечением деформации 10÷40%.
пп
пп
пп
пп
пп
В предлагаемом способе изготовления изделий первое деформирование осуществляется после нагрева слитка до температуры на 150÷380°С выше Т и степенью деформации 40÷70%, что разрушает литую структуру, усредняет химический состав сплава, уплотняет заготовку, ликвидируя такие литейные дефекты, как пустоты, раковины и др. Температура нагрева ниже указанного предела приводит к снижению пластических характеристик, затруднению деформации и появлению поверхностного растрескивания, температура нагрева выше указанного предела вызывает значительное увеличение газонасыщенного слоя, что приводит к поверхностным надрывам при деформации, ухудшению качества поверхности металла и соответственно к увеличенному удалению металла с поверхности заготовок. Следующая деформация заготовки со степенью 30÷60% после нагрева на 60÷220°С выше Т позволяет несколько измельчить размер зерна по отношению к литому зерну и повысить пластичность металла для того, чтобы последующая деформация в (α+β)-области не приводила к образованию дефектов. Дальнейшая деформация со степенью 30÷60% после нагрева заготовки на 20÷60°С ниже Т разрушает большеугловые границы зерен, увеличивает плотности дислокации, т.е. осуществляется деформационный наклеп. Металл имеет повышенную внутреннюю энергию, и последующий нагрев до температуры на 70÷140°С выше Т с деформацией 20÷60% сопровождается рекристаллизацией с измельчением зерна. В связи со значительными сечениями промежуточных заготовок на данном этапе технологического процесса не удается обеспечить требуемый размер зерна, поэтому производят повторный деформационный наклеп, для чего металл деформируют со степенью 30÷70% после нагрева на 20÷60°С ниже Т. После чего проводят дополнительную рекристаллизационную обработку. Проведение дополнительной рекристаллизационной обработки посредством нагрева заготовки до температуры на 30÷110°С выше температуры полиморфного превращения и деформации со степенью 15÷50% с последующим охлаждением до комнатной температуры позволяет получить в обрабатываемой заготовке равноосное макрозерно размером не более 3000 мкм. Далее осуществляют дальнейшую деформационную обработку со степенью 50÷90% после нагрева на 20÷60°С ниже температуры полиморфного превращения для получения равномерной мелкозернистой глобулярной микроструктуры.
1C
1C
1C
1C
В предлагаемом изобретении окончательное деформирование осуществляют в зависимости от необходимого сочетания уровня вязкости разрушения и временного сопротивления разрыву. Для получения значения временного сопротивления разрыву свыше 1200 МПа с обеспечением значения вязкости разрушения K не менее 35 МПа√м окончательное деформирование осуществляют со степенью деформации 20-40% после нагрева на 10÷50°С ниже температуры полиморфного превращения, что позволяет получить по всему сечению изделий равноосную мелкую глобулярно-пластинчатую структуру, обеспечивающую высокий уровень прочности при удовлетворительных значениях вязкости разрушения K. Температурный интервал нагрева при окончательном деформировании позволяет увеличить степень измельчения и коагулирования первичной α-фазы. Для получения значения вязкости разрушения K свыше 70 МПа√м с обеспечением временного сопротивления разрыву не менее 1100 МПа окончательное деформирование осуществляют со степенью деформации 10÷40% после нагрева на 40÷100°С выше температуры полиморфного превращения. Окончательное деформирование такого рода позволяет получить равномерную пластинчатую микроструктуру по всему сечению обрабатываемого изделия, которая обеспечивает более высокие значения критерия K при удовлетворительных значениях прочностных свойств.
пп
пп
В случаях появления после окончательного деформирования таких нежелательных аспектов, как недоштамповка, недостаточное заполнение гравюры штампа и др. для сложноконтурных штампованных изделий целесообразно проводить дополнительную операцию деформирования в (α+β)-области при нагреве металла до температур (Т-20°С) + (Т-60°С) со степенью деформации не более 15%, что позволяет получить требуемую форму изделий с сохранением заданных показателей качества металла.
Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждают следующие примеры его конкретного выполнения.
Для опробования способа были выплавлены слитки диаметром 740 мм следующего усредненного химического состава (см. табл.1)
Таблица 1
Номер слитка
Содержание элементов, мас.%0
Al
V
Мо
Cr
Fe
Zr
O
N
1
4,88
5,18
5,18
2,85
0,36
0,52
0,158
0,01
2
4,82
5,21
5,11
2,83
0,42
0,003
0,139
0,01
3
5,08
5,26
5,25
2,84
0,39
0,012
0,151
0,007
Из слитков были изготовлены сложноконтурные штампованные изделия по различным термомеханическим режимам.
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
Слиток №1 нагревали до температуры на 330°С выше Т и производили всестороннюю ковку с деформацией 65%. После чего полученную заготовку нагревали до температуры на 200°С выше Т и осуществляли деформирование со степенью 58% и далее, после нагрева до температуры на 30°С ниже Т, производили ковку со степенью деформации 55%. Затем осуществляли рекристаллизационную обработку посредством нагрева до температуры на 120°С выше Т и последующей деформацией 25%. Затем производили повторный деформационный наклеп после нагрева на 30°С ниже Т и деформации со степенью 40% и проводили дополнительную рекристаллизационную обработку после нагрева металла до температуры на 100°С выше Т и деформирования со степенью 15%. Далее после нагревов до температуры на 30°С ниже Т осуществляли операции ковки заготовки на биллет, фасонную ковку заготовки и затем после нагрева заготовки до температуры на 50° ниже Т производили штамповку в заготовительном штампе, что в итоге составило деформацию со степенью 75÷85% в различных сечениях заготовки. Для обеспечения соответствия установленным требованиям временного сопротивления разрыву - 1200 МПа и значения вязкости разрушения свыше 35 МПа√м металл нагревали до температуры на 30°С ниже Т и осуществляли штамповку в окончательном штампе со степенью деформации 20÷30% в различных сечениях детали. После термической обработки по известному режиму (обработка на твердый раствор и старение) производили исследования полученной детали (см. табл.2). В табл.2 для справки приведены значения механических свойств аналогичного изделия, изготовленного по известному способу из сплава Ti-10V-2Fe-3Al.
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
Слиток №2 нагревали до температуры на 300°С выше Т и производили всестороннюю ковку со степенью деформации 62%. После чего полученную заготовку нагревали до температуры на 220°С выше Т и осуществляли деформирование со степенью 36% и далее, после нагрева до температуры на 30°С ниже Т, производили ковку со степенью деформации 30%. Затем осуществляли рекристаллизационную обработку посредством нагрева до температуры на 120°С выше Т и последующей деформацией 20%. Затем производили повторный деформационный наклеп после нагрева на 30°С ниже Т и деформации со степенью 56% и проводили дополнительную рекристаллизационную обработку после нагрева металла до температуры на 80°С выше Т и деформирования со степенью 25%. Далее, после нагревов до температуры на 30°С ниже Т осуществляли операции ковки заготовки на биллет, фасонную ковку заготовки, штамповку в заготовительном штампе, что в итоге составило деформацию со степенью 58÷70% в различных сечениях штампованной заготовки. Для получения временного сопротивления разрыву - не менее 1100 МПа и значения вязкости разрушения свыше 70 МПа√м далее металл нагревали до температуры на 80°С выше Т и осуществляли окончательное деформирование (окончательную штамповку) со степенью деформации 15÷35% в различных сечениях детали. После термической обработки по известному режиму (обработка на твердый раствор и старение) производили исследования полученной детали (см. табл.3).
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
пп
Слиток №3 нагревали до температуры на 250°С выше Т и производили всестороннюю ковку со степенью деформации 45%. После чего полученную заготовку нагревали до температуры на 190°С выше Т и осуществляли деформирование со степенью 53% и далее, после нагрева до температуры на 30°С ниже Т, производили ковку со степенью деформации 56%. Затем осуществляли рекристаллизационную обработку посредством нагрева до температуры на 120°С выше Т и последующей деформацией 25%. После чего производили повторный деформационный наклеп после нагрева на 30°С ниже Т и деформации со степенью 55% и проводили дополнительную рекристаллизационную обработку после нагрева металла до температуры на 80°С выше Т и деформирования со степенью 15%. Далее, после нагревов до температуры на 30°С ниже Т осуществляли операции ковки заготовки на биллет, фасонную ковку заготовки, штамповку в заготовительном штампе, затем после нагрева заготовки до температуры на 30°С ниже Т осуществляли штамповку в предварительном штампе, что в итоге составило деформацию со степенью 70÷80% в различных сечениях штампованной заготовки. Для получения значения временного сопротивления разрыву - не менее 1100 МПа и значения вязкости разрушения свыше 70 МПа√м далее металл нагревали до температуры на 80°С выше Т и осуществляли окончательное деформирование (окончательную штамповку) со степенью деформации 10÷25% в различных сечениях детали. Для исключения недостаточного заполнения гравюры штампа производили дополнительное деформирование со степенью 5-10% после нагрева до температуры на 30°С ниже Т. После термической обработки по известному режиму (обработка на твердый раствор и старение) производили исследования полученной детали (см. табл.3).
В табл.3 для справки приведены результаты исследований аналогичного изделия, изготовленного по известному способу из сплава Ti-6A1-4V.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет регламентировать в изделиях, особенно крупногабаритных, из высокопрочных псевдо-β-титановых сплавов, содержащих (4,0÷6,0)% Al - (4,5÷6,0)% Мо - (4,5÷6,0)% V - (2,0÷3,6)% Cr -(0,2÷0,5)% Fe - (≤2,0)% Zr, получение однородной структуры и комплекса механических свойств в соответствии с заданным уровнем.
Таблица 2
Способ
Предел текучести, σ<sub>0,2</sub>, МПа
Временное сопротивление разрыву, σ<sub>в</sub>, МПа
Относительное удлинение, %
K<sub>1C</sub>, МПа√м
Предлагаемый, изделие из слитка
1268
1311
10,2
43,1
№1
1267
1310
11,0
45,7
Известный,
аналогичное
1117
1186
10,6
50,7
изделие из сплава
1143
1192
9,8
52,5
Ti-10V-2Fe-3Al
Таблица 3
Способ
Предел текучести, σ<sub>0,2</sub>, МПа
Временное сопротивление разрыву, σ<sub>в</sub>, МПа
Относительное удлинение, %
K<sub>1C</sub>, МПа√м
Предлагаемый,
1116
1203
9,4
83,7
изделие из слитка №2
1102
1187
7,2
85,7
Предлагаемый,
1080
1183
9,2
103
изделие из слитка №3
1066
1166
7,6
101
Известный,
аналогичное
900
974
9,5
93,8
изделие из сплава
901
979
9,7
95,4
Ti-6Al-4V