СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF THERMOMECHANICAL TREATMENT OF PRODUCTS MADE OF TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке изделий (полуфабрикатов, деталей, узлов и др.) из титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления болтов, шпилек и других крепежных деталей.
Известен способ термомеханической обработки изделий из 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)°С; 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 изделий из титановых сплавов, обработанных данным способом при повышенных температурах.
Известен также способ термомеханической обработки изделий из 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 изделий из титановых сплавов, обработанных данным способом, при повышенной температуре.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки изделий из 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 (Т-100÷Т-180)°С;
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÷Т-130)°С;
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).
60сек
Титановые сплавы, обработанные этим способом, обладают недостаточно высоким уровнем механических свойств в течение 60 секунд при повышенной температуре.: σ (МПа) при 400-600°С.
60сек
Технической задачей изобретения является повышение предела прочности: σ (МПа) при 400-600°С изделий, выполненных из титановых сплавов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов, в котором термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий, при этом:
пп
пп
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+150÷Т+250)°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+140÷Т+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 25÷50% на каждом этапе деформации;
пп
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
пп
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+60÷Т+120)°C, деформацию со степенью (20-60)%;
пп
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
пп
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+30÷Т+90)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
пп
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью (20-60)%;
пп
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+30÷Т+80)°С, деформацию со степенью (20-70)%;
пп
пп
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-20÷Т-40)°С, деформацию со степенью (20-50)%, где Т - температура полного полиморфного превращения;
пп
пп
на десятой стадии производят нагрев до температуры (Т-20÷Т-200)°С, охлаждение на воздухе;
пп
пп
на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т-270÷Т-550)°С, выдержка 5-20 ч.
при этом не менее трех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°.
На первой и второй стадиях термомеханической обработки происходит заваривание различно ориентированных раковин и уплотнение металла на стыках дендритов, механическое усреднение состава сплава, устранение зональной и дендритной ликвации в слитке, усреднение состава по диффузионному механизму, активизированному процессами динамической рекристаллизации.
С третьей по восьмую стадии осуществляются процессы фазовой перекристаллизации, состоящие из деформации при температуре ниже полиморфного превращения на третьей, пятой и седьмой стадиях, при котором создается повышенная плотность дислокационной структуры, и последующих нагревов при температуре β-области на четвертой, шестой и восьмой стадиях, при котором происходит образование первичных β-зерен из большого количества центров, формирующихся вокруг дислокаций. Это обеспечивает получение однородной сверхмелкозернистой β-структуры.
На девятой стадии происходит формирование внутризеренной структуры и нарушение границ β-зерен, которые становятся прерывистыми или в виде зубцов.
На десятой стадии происходит фиксация метастабильных фаз при охлаждении в воде или на воздухе.
На одиннадцатой стадии происходит распад метастабильных фаз с образованием дисперсных частиц - продуктов распада.
Таким образом в процессе одиннадцати стадий обработки достигается формирование однородного химического состава, устранение пор и других дефектов литья, формирование однородной мелкозернистой β-структуры, однородной внутризеренной регламентированной структуры и эффективного однородного дисперсионного упрочнения.
Проведение всех одиннадцати стадий термомеханической обработки обеспечивает создание сплава с высоким уровнем механических свойств.
Примеры осуществления
Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ23 и ВТ43, обработанные предлагаемым способом и способом-прототипом, которые были подвергнуты механическим испытаниям.
Пример 1
пп
На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т+150)°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+140)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 25% на каждом этапе деформации;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+60)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+30)°С, деформацию со степенью 20%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-20)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 20%;
пп
на десятой нагрев до (Т-20)°С, охлаждение на воздухе;
пп
на одиннадцатой - нагрев до температуры (Т-270)°С, выдержка 5 ч.
Пример 2
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 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-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+120)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию со степенью 60%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+90)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60%;
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию со степенью 60%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+80)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 70%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 50%;
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-200)°С, охлаждение на воздухе;
пп
на одиннадцатой нагрев до температуры (Т-550)°С, выдержка 20 ч.
Пример 3
пп
На первой стадии - нагрев до температуры (Т+200)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;
пп
на второй стадии - нагрев до температуры (Т+200)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 35% на каждом этапе деформации;
пп
на третьей стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т+90)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на пятой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на шестой стадии - нагрев до температуры (Т+70)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т+70)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40%;
пп
на девятой стадии - нагрев до температуры (Т-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 30%;
пп
на десятой стадии - нагрев до температуры (Т-150)°С, охлаждение в воде,
пп
на одиннадцатой стадии - нагрев до температуры (Т-400)°С, выдержка 12 ч.
В таблице приведены механические свойства образцов поковок и штамповок из титановых сплавов, обработанных по предлагаемому способу (1-3) и способу-прототипу (4).
60сек
Предлагаемый способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов позволит повысить предел прочности при повышенной температуре: σ (МПа) при 400-600°С на 20-25%
Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу изделий из титановых сплавов на 20-25% и повысить их полезную нагрузку.
Способ
σ<sub>60сек</sub> при 400-600°С, (МПа)
400
500
600
ВТ23*
ВТ43**
ВТ23
ВТ43
ВТ23
ВТ43
1
образцы из поковок
1300
1370
1170
1177
670
778
образцы из штамповок
1320
1377
1173
1180
677
784
2
образцы из поковок
1360
1430
1182
1192
667
775
образцы из штамповок
1363
1435
1184
1193
683
794
3
образцы из поковок
1350
1410
1177
1184
674
785
образцы из штамповок
1354
1417
1181
1187
678
787
4
образцы из поковок
970
975
876
878
496
558
образцы из штамповок
977
982
880
882
491
561
* - ВТ23: Т<sub>пп</sub>=920°С;** - ВТ43: Т<sub>пп</sub>=910°С