Патент на изобретение №2368697

(54) СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано в космической и ракетной технике для создания конструкций, изготовленных из плит и работающих при повышенных температурах. Термомеханическую обработку проводят в десять стадий с многократными нагревами до температуры выше или ниже температуры полиморфного превращения и деформацией в процессе охлаждения до температуры ниже полиморфного превращения. Некоторые стадии обработки проводят с изменением направления деформации при чередовании осадки и вытяжки, что позволяет ликвидировать различно ориентированные дефекты, достигнуть более однородного химического состава и создать изотропную структуру. Выполнение десяти стадий обработки обеспечивает получение высокого комплекса стабильных механических свойств при повышенных температурах. Способ позволяет снизить массу деталей на 30-45% и повысить полезную нагрузку летательных аппаратов, а также повысить эксплуатационную надежность. 1 табл.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в космической и ракетной технике для создания конструкций, работающих при повышенных температурах.

Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий:

– нагрев до температуры (1050-1200)°С (Т_пп+120-Т_пп+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (Т_пп-80)°С;

– нагрев до температуры (880-1050)°С (Т_пп-50÷Т_пп+120)°С, охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (Т_пп-180)°С, где Т_пп=920°С (Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. Полуфабрикаты из титановых сплавов. М., ОНТИ ВИЛС, 1996 г., с.371).

Известен также способ термомеханической обработки, применяемый при изготовлении изделий из титановых сплавов, включающий нагрев в -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 двухфазную область, выдержку и охлаждение, в котором с целью повышения механических свойств деформацию проводят в – и (+) – областях с одинаковой степенью 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 длительной прочности титановых сплавов при 500-700°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформации 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:

– нагрев до температуры (T_пп+120÷Т_пп+270)°C, деформацию со степенью 50-70% при охлаждении до (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С;

– нагрев до температуры (Т_пп+60÷Т_пп+160)°С, деформацию со степенью 40-60% при охлаждении до (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С;

– нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 10-30% при охлаждении до (Т_пп-140÷Т_пп-160)°С;

– нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 40-60% при охлаждении до (Т_пп-110÷Т_пп-130)°C;

– нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп+50)°С, деформацию со степенью 30-70% при охлаждении до (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

затем на шестой стадии проводят нагрев до температуры (T_пп-400÷T_пп-500)°С с выдержкой в течение 5-20 часов, где Т_пп – температура полного полиморфного превращения (патент РФ 2219280).

Сплав, обработанный этим способом, имеет пониженную длительную прочность (60-600 сек) при температуре 500-700°С.

Технической задачей изобретения является повышение длительной прочности изделий из титановых сплавов при температуре 500-700°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки титановых сплавов, отличающийся тем, что ее осуществляют в десять стадий, при этом:

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+280÷Т_пп+350)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;

на второй стадии – нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;

на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на четвертой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 30-70% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на пятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на шестой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;

на восьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+130)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 55-80%;

на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 30-40%;

затем на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-360÷Т_пп-500)°С с выдержкой 5-20 часов, где Т_пп – температура полиморфного превращения;

при этом от двух до четырех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по седьмую, проводят с изменением направления деформации на 90°.

В процессе деформации после первых двух нагревов при температуре выше полиморфного превращения (-область) с последующим охлаждением и изменением направления деформации при чередовании осадки и вытяжки происходит создание изотропной структуры, усреднение химического состава и уплотнение сплава путем ликвидации пустот, раковин, рыхлот и других дефектов литья. Изменение направления деформации, в отличие от деформации в одном направлении позволяет ликвидировать различно ориентированные дефекты, достигнуть более однородного химического состава и создать изотропную структуру. При последующих нагревах и деформациях происходит создание однородного структурного и фазового состояния за счет трех фазовых перекристаллизаций, заключающихся в деформации в +-области на третьей, пятой и седьмой стадиях и нагреве в -области на четвертой, шестой и восьмой стадиях. В процессе деформации в +-области более интенсивная деформация проходит в зонах с меньшей величиной зерна, а при нагреве в -области более интенсивно в этих зонах идет процесс рекристаллизации и рост зерен. В других зонах с более крупным зерном, деформация идет менее интенсивно, и с меньшей скоростью идет процесс рекристаллизации. Таким образом происходит выравнивание структуры. При трех фазовых перекристаллизациях достигается создание однородной сверхмелкозернистой структуры.

Заготовка с такой структурой имеет малую глубину окисления по границам зерен, а следовательно, требует меньшей глубины механической обработки поверхности перед прокаткой плит на восьмой и девятой стадиях.

Деформация при прокатке на девятой стадии в +-области обеспечивает измельчение внутризеренной структуры и создание прерывистости и зубчатости границ.

При последней десятой стадии обработки (старении) достигается распад метастабильных фаз и дисперсионное упрочнение.

Выполнение десяти стадий обработки обеспечивает получение высокого комплекса стабильных механических свойств при повышенных температурах.

Примеры осуществления

Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ-23 и ВТ-43, обработанные предлагаемым способом термомеханической обработки (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям. Результаты испытаний приведены в таблице.

Пример 1

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+280)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-40)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка – вытяжка – осадка – вытяжка) со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

на второй стадии – нагрев до температуры (Т_пп+100)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка – вытяжка – осадка – вытяжка) со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

На первой и второй стадиях все четыре этапа деформации проводят в процессе непрерывного охлаждения.

на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

на четвертой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

на пятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию осадкой со степенью 20% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

на шестой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию осадкой со степенью 30% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110)°С;

С третьей по седьмую стадию, направление деформирования изменяют путем поворота (кантовки) заготовки на 90°.

на восьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+100)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 55%;

на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 30%;

на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-360)°С выдержку 5 часов, охлаждение, где Т_пп – температура полиморфного превращения.

Пример 2

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+350)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка -вытяжка – осадка – вытяжка) со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

на второй стадии – нагрев до температуры (Т_пп+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-180)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка – вытяжка – осадка – вытяжка) со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

На первой и второй стадиях все четыре этапа деформации проводят в процессе непрерывного охлаждения.

на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

на четвертой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 70% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

на пятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

на шестой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-130)°С;

С третьей по седьмую стадию, направление деформирования изменяют путем поворота (кантовки) заготовки на 90°.

на восьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+130)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 80%;

на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-40)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 40%;

на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-500)°С, выдержку 20 часов, охлаждение, где Т_пп – температура полиморфного превращения

Пример 3

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+310)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-70)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка – вытяжка – осадка – вытяжка) со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

на второй стадии – нагрев до температуры (Т_пп+130)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-140)°С с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки (осадка – вытяжка – осадка – вытяжка) со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

На первой и второй стадиях все четыре этапа деформации проводят в процессе непрерывного охлаждения.

на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию с изменением направления деформации на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

на четвертой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-35)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

на пятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

на шестой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-35)°С, деформацию протяжкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-120)°С;

на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию осадкой с изменением направления деформации на 90° со степенью 40% в процессе охлаждения до температуры и температурой конца деформации (Т_пп-120)°С;

С третьей по седьмую стадию, направление деформирования изменяют путем поворота (кантовки) заготовки на 90°.

на восьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+120)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 70%;

на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-30)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 35%;

на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-450)°С, выдержку 10 часов, охлаждение, где Т_пп – температура полиморфного превращения.

Предлагаемый способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов позволяет повысить предел длительной прочности (за 30, 150 и 300 секунд) при температурах 500, 600 и 700°C на 30-45%, за счет повышения однородности структурно-фазового состояния и многофазного упрочнения.

Применение предлагаемого способа термомеханической обработки позволит снизить массу изделий на 55-70% и повысить полезную нагрузку летательных аппаратов, а также повысить эксплуатационную надежность при температурах 500-700°С за счет повышения длительной прочности на 50-70%.

Таблица
30 сек	150 сек	300 сек
Сплав ВТ 23, Тпп=920°С
	500°	600°	700°	500°	600°	700°	500°	600°	700°
1	1200	720	280	1150	680	220	1100	630	190
2	1220	735	290	1170	690	225	1140	640	198
3	1230	748	295	1190	695	227	1150	644	203
4	920	530	225	870	470	180	840	450	155
Сплав ВТ 43, Тпп=910°С
1	1270	750	310	1170	720	230	1150	650	210
2	1278	759	312	1176	726	235	1158	657	217
3	1282	764	317	1183	734	237	1162	659	221
4	935	542	238	895	490	195	850	455	158

Формула изобретения

Способ термомеханической обработки титановых сплавов, отличающийся тем, что ее осуществляют в десять стадий, при этом
на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Т_пп+280÷Т_пп+350)°С, где Т_пп – температура полиморфного превращения, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-40÷Т_пп-100)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;
на второй стадии – нагрев до температуры (Т_пп+100÷Т_пп+160)°С, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Т_пп-100÷Т_пп-180)°С с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20÷50% на каждом этапе;
на третьей стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;
на четвертой стадии – нагрев до температуры (T_пп+20÷Т_пп-50)°C, деформацию протяжкой со степенью 30-70% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;
на пятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-50% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;
на шестой стадии – нагрев до температуры (Т_пп+20÷Т_пп-50)°С, деформацию протяжкой со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°С;
на седьмой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию осадкой со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Т_пп-110÷Т_пп-130)°C;
на восьмой стадии – нагрев до температуры (T_пп+100÷Т_пп+130)°C, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 55-80%;
на девятой стадии – нагрев до температуры (Т_пп-20÷Т_пп-40)°С, деформацию вытяжкой при прокатке со степенью 30-40%;
на десятой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-360÷Т_пп-500)°С с выдержкой 5-20 ч, затем охлаждение;
при этом от двух до пяти деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по седьмую, проводят с изменением направления деформации на 90°.