СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF MANUFACTURING UFG SECTIONS FROM TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к деформационно-термической обработке титановых сплавов с целью формирования ультрамелкозернистой структуры, обеспечивающей значительное повышение физико-механических свойств титановых сплавов, что позволяет найти их новое применение в авиадвигателестроении, медицине, машиностроении.
Известны способы деформационной обработки металлов с целью получения ультрамелкозернистой структуры, сочетающие пластическую деформацию и термическую обработку.
Например, способ деформирования заготовок в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах равного сечения (В.М.Сегал, В.И.Копылов, В.И.Резников «Процессы пластического структурообразования металлов», Минск: Наука и техника, 1994, с.24) позволяет упрочнять металл за счет достижения высокой интенсивности накопленных деформаций.
Известен способ формирования структуры методом ковки («Формирование субмикрокристаллической структуры в титановых сплавах интенсивной пластической деформацией», Жеребцов С.В., Галеев P.M., Валиахметов О.Р., Малышева С.П., Салищев Г.А., Мышляев Н.М. Кузнечно-штамповочное производство, №7, 1999, с.17…22).
Известен способ обработки заготовок, включающий пластическую деформацию в пересекающихся каналах с последующей термомеханической обработкой (патент РФ №2175685, МПК C22F 1/18, B21J 5/100, опубл. 10.11.01).
Однако известные способы не позволяют значительно повысить уровень физико-механических свойств и равномерность их распределения по объему заготовки из-за нестабильности процесса структурообразования, кроме того, они обладают невысокой экономической эффективностью из-за низкой стойкости инструмента и низкого коэффициента использования материала.
Наиболее близким к предложенному способу является способ термомеханической обработки титановых заготовок, включающий интенсивную пластическую деформацию в пересекающихся каналах при температуре 500…250°С и термомеханическую обработку, включающую отжиг и пластическую деформацию, которые производятся перед интенсивной пластической деформацией (патент РФ №2285737, МПК C22F 1/18, опубл. 20.10.06). Данный способ дает некоторое повышение физико-механических свойств. Его недостатком является низкая стойкость инструмента при интенсивной пластической деформации в пересекающихся каналах и невысокий коэффициент использования материала, что неприемлемо для промышленного производства. Кроме того, способ не позволяет получать крупногабаритные заготовки.
Задачей изобретения является получение ультрамелкозернистых заготовок из титановых сплавов с высокими физико-механическими свойствами в условиях промышленного производства с обеспечением высоких технико-экономических показателей.
Поставленная задача решается способом получения ультрамелкозернистых заготовок из титановых сплавов, включающим интенсивную пластическую деформацию и термомеханическую обработку, в котором в отличие от прототипа интенсивную пластическую деформацию проводят методом многократной всесторонней ковки со сменой осей деформации до достижения степени накопленной логарифмической деформации не менее 3, причем всестороннюю ковку начинают при температуре ниже температуры полиморфного превращения с последующим ее снижением после каждого этапа деформации до температуры ниже порога рекристаллизации, с которой начинают термомеханическую обработку, осуществляемую со ступенчатым понижением температуры обработки до комнатной.
Согласно изобретению деформацию при термомеханической обработке можно проводить методом ковки с вытяжкой с относительной степенью деформации до 85% или методом прокатки с относительной степенью деформации до 90%.
Кроме того, деформацию при термомеханической обработке можно проводить в сочетании ковки с вытяжкой с относительной степенью деформации до 20% и последующей прокаткой с суммарной относительной степенью деформации до 90%, причем после прокатки можно осуществлять деформацию волочением до достижения относительной степени деформации 98%.
Согласно изобретению после ковки с вытяжкой можно осуществлять деформацию волочением до достижения относительной степени деформации 98%.
В известных способах обработки титановых сплавов с целью достижения требуемых физико-механических свойств материала заготовок используется интенсивная пластическая деформация заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах, которая позволяет достичь высоких степеней накопленной логарифмической деформации, обеспечивающих формирование структуры с высокоугловыми границами зерен. Для такой структуры материала характерна высокая прочность при достаточной пластичности, низкотемпературная и высокоскоростная сверхпластичность и другие физико-механические свойства. Вместе с тем, известные способы обладают ограниченными эксплуатационными возможностями: низкая стойкость инструмента, невысокий коэффициент использования материала, ограничения по размерам заготовок.
В предложенном способе обработки заготовок интенсивная пластическая деформация осуществляется методом многократной всесторонней ковки со сменой осей деформации, в результате которой обеспечиваются интенсивные сдвиговые деформации и происходит эффективное равномерное измельчение структуры до ультрамелкозернистого состояния. После такой предварительной обработки осуществляют термомеханическую обработку (ТМО) традиционными методами (прокатка, вытяжка, волочение и др.), приводящую к накоплению дислокации в теле зерен, дальнейшему целенаправленному управлению структурой, свойствами и геометрией заготовок. При этом в отличие от прототипа используется простая промышленная оснастка и существенно повышается коэффициент использования материала. Ступенчатое понижение температуры в процессе ТМО необходимо для предотвращения обратного процесса роста зерна, оно обеспечивает сохранение технологической пластичности, достигнутой на предыдущем этапе, и дальнейшее стабильное измельчение структуры металла. Проведение ТМО без предварительной всесторонней ковки приводит к формированию вытянутой зеренной структуры преимущественно с малоугловыми границами зерен и не может обеспечить достижение деформации, необходимой для формирования ультрамелкозернистой структуры с высокоугловыми границами зерен.
Сочетание многократной всесторонней ковки с ТМО осуществляют с целью получения полуфабрикатов с высокими физико-механическими свойствами и заданной геометрий. При этом обеспечивают дальнейшее измельчение и формирование структуры металла различными комбинациями обработки. Ковка с вытяжкой позволяет получать полуфабрикаты больших размеров (диаметром до 100 мм, длиной до 500 мм). Прокатка используется для получения преимущественно длинномерных листовых полуфабрикатов. Сочетание ковки с вытяжкой и последующая прокатка используется для получения длинномерных прутковых заготовок с высокой однородностью структуры и прочностных свойств. Волочение обеспечивает точную геометрию в сочетании с высокими прочностными свойствами и повышенную чистоту поверхности. Применяется преимущественно для производства проволоки.
Предложенный способ обработки обладает высокой производительностью, высоким коэффициентом использования металла, низкой себестоимостью, что необходимо для промышленного производства.
Способ осуществляют следующим образом.
Заготовку из титанового сплава нагревают до температуры ниже температуры полиморфного превращения, при которой происходит необратимое изменение кристаллической решетки материала, приводящее к интенсивному росту зерна с окислением границ зерен и резкому ухудшению технологической пластичности. После этого проводят многократную всестороннюю ковку со сменой осей деформации. При этом для подавления процесса рекристаллизации, приводящего к росту зерен, после каждого этапа деформации постепенно снижают температуру обработки с доведением ее на конечном этапе до значения ниже порога рекристаллизации данного материала.
Интенсивная пластическая деформация с постепенным снижением температуры обеспечивает стабильное измельчение структуры металла, а смена осей деформации позволяет достичь однородности сдвиговых деформаций и структуры в объеме заготовки. В процессе обработки контролируется степень накопленной логарифмической деформации, чтобы она достигла значения не менее 3.
Подготовленную таким образом заготовку подвергают последующей термомеханической обработке для получения необходимой геометрии и дальнейшего измельчения зерна с целью достижения требуемых физико-механических свойств: прочности, пластичности, усталости и других. Обработку ведут с понижением температуры до комнатной. При этом сочетают различные методы обработки: ковку с вытяжкой, прокатку, волочение. Выбор методов зависит от заданных свойств материала заготовки, ее геометрии соответственно обозначенному выше. Достижение требуемых свойств подтверждается примерами конкретного выполнения способа.
Пример 1.
Заготовку в виде цилиндра диаметром 30 мм и длиной 90 мм из титанового сплава ВТ 1-0 нагревали до температуры 750°С, т.е. ниже температуры полиморфного превращения. Нагретую заготовку подвергали многократной всесторонней ковке со сменой оси деформации. Обработку вели до достижения степени накопленной логарифмической деформации е=4,5. При этом постепенно снижали температуру до значения, при котором начинают термомеханическую обработку: t=400°С. ТМО осуществляли методом ковки с вытяжкой, в процессе которой происходит продольная вытяжка заготовки с достижением длины l=280 мм, диаметра D=17 мм.
Полученные результаты сведены в таблицу 1.
Из таблицы следует, что предложенный способ обработки заготовок из титановых сплавов позволяет существенно повысить предел прочности и предел текучести материала, сохранив при этом значительный запас пластичности.
Таблица 1
Заготовки
Размеры
Физико-механические свойства
Степень деформации
Зерно, мкм
Диаметр, мм
Длина, Мм
Предел прочности, МПа
Предел текучести, МПа
Относительное удлинение, %
1. Исходная заготовка
5-10
30,0
90
345
275
20
-
2. После всесторонней ковки
0,6-0,8
30,0
90
660
560
18
е=4,5
3. После ковки с вытяжкой
0,3-0,4
17,0
280
890
760
13
ε=80%
Пример 2.
Аналогичную примеру 1, нагретую до t=750°С заготовку из титанового сплава СР Ti Crade 2 подвергали многократной всесторонней ковке со сменой осей деформации до достижения степени накопленной логарифмической деформации е=3,0. В процессе ковки постепенно снижали температуру до t=400°С. Подготовленную таким образом заготовку (с предварительным измельчением структуры) подвергали термомеханической обработке, которую проводили в несколько стадий. Первая стадия - ковка с вытяжкой до достижения относительной степени деформации ε=20%. Вторая стадия - прокатка до достижения относительной степени деформации ε=81%. Третья стадия -деформация волочением до достижения суммарной относительной степени деформации ε=96%.
Полученные результаты обработки приведены в таблице 2.
Таблица 2
Заготовки
Размеры
Физико-механические свойства
Степень деформации
Зерно, мкм
Диаметр, мм
Длина, мм
Предел прочности, МПа
Предел текучести, МПа
Относительное удлинение, %
1. Исходная заготовка
5-10
30,0
90
345
275
20
-
2. После всесторонней ковки
0,7-1,0
30,0
90
590
450
19
е=3,0
3. После ковки с вытяжкой
0,5-0,4
17,0
280
740
620
17
ε=20%
4. После прокатки
0,15
7,5
1400
910
790
15
ε=81%
5. После волочения
0,1
5,0
3000
1100
950
12
ε=96%
Из полученных результатов следует, что предложенная комбинированная обработка обеспечивает эффективное измельчение структуры материала и повышение ее однородности в объеме заготовки, что ведет к значительному повышению прочностных свойств (увеличение предела прочности в 2-3 раза) с сохранением необходимого запаса пластичности, кроме того, обеспечивается требуемая геометрия заготовки.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет получать в условиях промышленного производства ультрамелкозернистые заготовки из титановых сплавов с широкой номенклатурой геометрических параметров, обладающие высокими физико-механическими свойствами.