СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ (α+β)-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
HEAT TREATMENT METHOD OF HIGH-STRENGTH (α+β)-TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термической обработке высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической технике при изготовлении силовых деталей конструкций.
пп
пп
пп
экв.
экв.
Известен способ термической обработки (α+β)-титанового сплава Ti -6%Al - 2%Sn - 2%Zr - 2%Cr - 2%Мо - 0,16%Si, предварительно подвергнутого ковке в (α+β)-области, включающий: нагрев выше температуры полиморфного превращения (Т), а именно до температуры Т+(17-42)°С, выдержку при этой температуре, охлаждение, нагрев до температуры Т-(17-50)°С, выдержку при этой температуре, охлаждение, нагрев до температуры в интервале (482-593)°С и последующую выдержку при этой температуре. Молибденовый эквивалент (Мо) данного сплава, рассчитанный по формуле: Мо=Mo+V/1,5+Cr/0,6+Fe/0,35, равен 5,3 (заявка №WO 93/22468).
В
0,2
Недостатком способа является то, что он разработан применительно к сплаву с относительно низким уровнем молибденового эквивалента, обладающему недостаточной прокаливаемостью. Кроме того, этот сплав, обработанный известным способом, имеет недостаточно высокий уровень предела прочности (σ≥1030 МПа) и предела текучести (σ≥930 МПа).
пп
th
Известен также способ термической обработки (α+β)-титанового сплава Ti - 6%Al - 4%V ELI, включающий: нагрев выше температуры полиморфного превращения, а именно до температуры Т+(28-42)°С, выдержку при этой температуре в течение 30 мин, охлаждение под вентилятором до температуры 746°С, выдержку при этой температуре в течение 3 ч, охлаждение на воздухе / Т.Е.Howson and R.G.Broadwell: «The design, production, and metallurgy of advanced, very large, titanium aerospace forgings», Procs. of the 8 Intemat. Conf. on Titanium, Titanium ′95, Science and technology, - Birmingham (UK) - 1995, vol.1, p.643 (636-643)/.
экв.
В
0,2
Недостатком известного способа является то, что сплав Ti - 6%Al -4%V ELI (Мо=2,7), обработанный по известному способу, имеет низкий уровень предела прочности (σ≥851 МПа) и предела текучести (σ≥748 МПа).
экв.
1
2
2
2
3
Наиболее близким по назначению и технической сущности и взятым за прототип является способ термической обработки высокопрочного титанового сплава с номинальным химическим составом Ti - 5%Аl - 5%Мо - 5%V - 3%Cr (Мо=13,3), включающий: нагрев до температуры Т, превышающей температуру полиморфного превращения, выдержку при этой температуре, достаточную для полного перехода из (α+β)- в β-состояние, охлаждение со скоростью 0,56-16,7°С/мин до температуры Т, где Т ниже температуры полиморфного превращения и ниже 37,8°С, охлаждение с температуры Т до комнатной температуры - на воздухе, последующий нагрев до температуры старения Т=371-593°С, выдержку при этой температуре в течение 1-12 ч (патент США №7785429).
Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, обработанных известным способом.
В
0,2
1C
Технической задачей изобретения является создание способа термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, повышающего уровень механических свойств: предела прочности (σ), предела текучести (σ), сопротивления скорости роста трещины усталости (СРТУ) при 20°С и вязкости разрушения (K) при низких температурах (-70°С).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, характеризующийся тем, что осуществляют нагрев выше температуры полиморфного превращения, выдержку при этой температуре, охлаждение до температуры 680-630°С со скоростью не менее 18°С/мин с последующей выдержкой в течение 1-3 ч, нагрев до температуры в 720-780°С и выдержку при этой температуре в течение 2-3 ч, охлаждение до температуры 520-480°С со скоростью не менее 12°С/мин, а затем проводят нагрев до температуры старения, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе.
Авторами установлено, что охлаждение с температуры выше температуры полиморфного превращения со скоростью не менее 18°С/мин до температуры 680-630°С предотвращает распад метастабильной β-фазы внутри зерен и образование непрерывной оторочки α-фазы на границах зерен, отрицательно влияющей на характеристики трещиностойкости. В процессе выдержки при температуре 680-630°С образуется большое число центров зарождения α-фазы и формируется тонкоигольчатая внутризеренная структура, характеризующаяся значительной взаимной разориентировкой колоний α-игл. В результате последующих нагрева до температуры 720-780°С и выдержки при этой температуре увеличивается количество метастабильной β-фазы при сохранении морфологии описанной выше тонкоигольчатой внутризеренной микроструктуры. В процессе охлаждения со скоростью не менее 12°С/мин с указанной температуры до температуры 520-480°С фиксируется метастабильная β-фаза, образовавшаяся в процессе выдержки при температуре 720-780°С.
В
0,2
1C
Таким образом предлагаемый способ обеспечивает получение тонкоигольчатой α-фазы в β-матрице, за счет чего достигается повышение уровня механических свойств высокопрочных (α+β)-титановых сплавов: предела прочности (σ), предела текучести (σ), сопротивления скорости роста трещины усталости (СРТУ) при 20°С и вязкости разрушения (K) при низких температурах (-70°С).
Примеры осуществления
экв.
пп
экв.
пп
экв.
пп
Были изготовлены поковки из титановых сплавов ВТ22 (Ti - 5%Al - 5%Мо - 5%V - 1%Cr - 1%Fe; Мо=12,9; Т=870°С) и ВТ23 (Ti - 5,5%Al - 2,2%Мо - 4,5%V - 1,2%Cr - 0,6% Fe; Мо=8,9; Т=900°С) и Ti 5-5-5-3 (Ti - 5%Al - 5%Мо - 5%V - 3%Cr; Мо=13,3; Т=860°С), обработанные предлагаемым способом (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям.
Пример 1.
1
1
1
2
2
3
3
3
4
5
Нагрев до температуры Т=Тпп+20°С, выдержка при этой температуре τ=0,25 ч, охлаждение со скоростью V=18°С/мин до температуры Т=630°С, выдержка при этой температуре τ=1 ч, подогрев до температуры Т=720°С, выдержка при этой температуре τ=2 ч, охлаждение со скоростью V=12°С/мин до температуры Т=480°С, далее охлаждение с нерегламентированной скоростью до температуры Т=20°С.
Пример 2.
1
пп
1
1
2
2
3
3
3
4
5
Нагрев до температуры T=Т+40°С, выдержка при этой температуре τ=0,5 ч, охлаждение со скоростью V=60°С/мин до температуры Т=680°С, выдержка при этой температуре τ=3 ч, нагрев до температуры Т=780°С, выдержка при этой температуре τ=3 ч, охлаждение со средней скоростью V=20°С/мин до температуры Т=520°С, далее охлаждение с нерегламентированной скоростью до температуры Т=20°С.
Пример 3.
1
пп
1
1
2
2
3
3
3
4
5
Нагрев до температуры Т=Т+30°С, выдержка при этой температуре τ=0,4 ч, охлаждение со скоростью V=40°С/мин до температуры Т=660°С, выдержка при этой температуре τ=2 ч, подогрев до температуры Т=750°С, выдержка при этой температуре τ=2,5 ч, охлаждение со скоростью V=36°С/мин до температуры Т=500°С, далее охлаждение с нерегламентированной скоростью до температуры Т=20°С.
Пример 4 (прототип).
1
пп
1
2
2
3
Нагрев до температуры Т=Т+30°С, выдержка при этой температуре, τ=0,4 ч, охлаждение со скоростью 8,6°С/мин до температуры Т=35°С, охлаждение с температуры Т до комнатной температуры - на воздухе. Нагрев до температуры Т=480°С, выдержка при этой температуре продолжительностью 6 ч.
В таблице представлены механические свойства титановых сплавов, обработанных предлагаемым способом (примеры 1-3) и способом-прототипом (пример 4).
В
0,2
1C
Предлагаемый способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов позволит повысить уровень их механических свойств: предела прочности (σ) на 7-12%, предела текучести (σ) на 8-11%, вязкости разрушения (K) (при температуре испытания -70°С) на 22-24% и снизить скорость роста трещины усталости (СПТУ) на 22-37%.
Применение предлагаемого способа термической обработки позволит повысить надежность изделий авиакосмической техники за счет достижения более высокого уровня механических свойств.
Таблица
№ п/п
Механические свойства
σ<sub>В</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
СРТУ (dl/dN), мм/кц при ΔК=31 МПа·м<sup>1/2</sup>
K<sub>1c</sub>, МПа·м<sup>1/2</sup>
20°С
-70°С
Сплав ВТ22
1
1230-1250
1180-1190
8-9
0,5-0,6
72,4-76,0
2
1260-1290
1200-1230
8-9
0,5-0,6
71,8-75,4
3
1280-1310
1210-1240
7-8
0,6-0,7
71,1-74,9
Сплав ВТ23
1
1210-1240
1150-1180
8-10
0,5-0,6
74,0-77,2
2
1250-1280
1180-1210
8-9
0,5-0,6
73,6-76,3
3
1260-1300
1190-1230
7-8
0,6-0,65
73,0-75,9
Сплав Ti 5-5-5-3
1
1220-1260
1170-1210
8-9
0,55-0,65
71,6-75,1
2
1240-1270
1180-1220
7-9
0,55-0,65
70,5-74,0
3
1270-1300
1210-1240
7-8
0,6-0,7
70,2-73,3
1140-1180
1070-1120
8-9
0,8-0,9
58,3-62,5