СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА

Настоящее изобретение относится к областям металлургии сплавов на основе титана и машиностроения, а именно описывает способы термической обработки высоколегированных псевдо-β титановых сплавов. Данное изобретение может быть использовано для повышения комплекса механических свойств высоколегированных псевдо-β титановых сплавов.

Сплавы на основе титана являются одним из важнейших конструкционных материалов и с каждым годом расширяются области их использования. Ответственные сферы применения этих (аэрокосмическая техника, судостроение и т.д.) сплавов требуют улучшения механических и эксплуатационных свойств за счет оптимизации их фазового и структурного состояния методами термического и термомеханического воздействия.

В настоящее время известен способ термической обработки крупногабаритных изделий из титановых сплавов Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr [1] и Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-Zr [2], который заключается в нагреве до температуры (Т_β-(30…70))°C, выдержке при этой температуре в течение 2…5 ч, последующем охлаждении на воздухе или в воде и старении при температуре 540…600°C в течение 8…16 ч. Недостатком данном способа является недостаточный уровень прочности и энергоемкости разрушения, по сравнению с другими техническими решениями.

Также известен способ термической обработки псевдо-β-титановых сплавов BASCA (англ. «Beta Annealing, Slow Cooling, Aging») [4, 5], включающий охлаждение со скоростью менее 3°C/мин из однофазной β-области до температуры ниже 370°C и последующее старение при температуре 370…600°C в течение 1…12 часов. Указанное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному техническому решению, принято в качестве прототипа.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение уровня прочности и энергоемкости разрушения высоколегированного псевдо-β сплава, содержащего 4,0…6,3 мас.% алюминия, 4,5…5,9 мас.% ванадия, 4,5…5,9 мас.% молибдена, 2,0…3,6 мас.% хрома, 0…5 мас.% циркония, 0…6 мас.% олова, 0…0,5 мас.% кремния, титан и неизбежные примеси - остальное.

Для решения указанной технической задачи предложен способ термической обработки крупногабаритных изделий и полуфабрикатов:

1. Способ термической обработки крупногабаритных изделий из высокопрочного титанового сплава, содержащего 4,0…6,3 мас.% алюминия, 4,5…5,9 мас.% ванадия, 4,5…5,9 мас.% молибдена, 2,0…3,6 мас.% хрома, 0…5 мас.% циркония, 0…6 мас.% олова, 0…0,5 мас.% кремния, титан и неизбежные примеси - остальное, включающий охлаждение со скоростью V₁<3°C/мин из однофазной β-области до температуры T₁<370°C и последующее старение при температуре Т₂=370…600°C в течение 1…12 часов, отличающийся тем, что после старения дополнительно осуществляют нагрев и обработку сплава в интервале температур Т₃=Т₂…Т_β в течение 1…12 часов, охлаждение со скоростью V₂>V₁ до температуры Т₄, которая не выше температуры Т₂, и последующее повторное старение в интервале температур Т₂ в течение 1…12 часов, где V₁ - скорость первого охлаждения, V₁ - скорость второго охлаждения, T₁ - температура окончания замедленного охлаждения, Т₂ - температурный интервал старения, Т₃ - температурный интервал высокотемпературного отжига, Т_β - температура полного полиморфного превращения.

2. Способ по п. 1. отличающийся тем, что обработку в интервале температур Т₃=Т₂…Т_β проводят в две стадии, при температурах Т₅ и Т₆, причем температуру Т₅ выбирают из диапазона 750…770°C, а температуру назначают из соотношения Т₆=Т₅+10…20°C, где Т₅ - температура первой стадии высокотемпературного отжига, Т₆ - температура второй стадии высокотемпературного отжига.

Пример.

Это техническое решение подтверждено исследованиями сплава VST5553, содержащего 4,98 мас.% Al, 5,41 мас.% Мо, 5,45 мас.% V, 2,94 мас.% Cr, титан и примеси - остальное. Температура полного полиморфного превращения Т_β исследуемой плавки сплава, определенная методом пробных закалок, составляла 848°C.

Обрабатываемый образец сплава нагревался в термической печи в однофазную β-область и выдерживался при температуре нагрева в течение 1 ч для полного перехода структуры в однофазное состояние. После изотермической выдержки в однофазной области образец охлаждался с печью до комнатной температуры, после чего нагревался до температуры Т₂=600°C и выдерживался при данной температуре в течение 6 ч. После выдержки образец нагревался до температуры Т₅=Т_β-90°C=770°C и выдерживался при этой температуре в течение 3 ч с последующим нагревом до температуры Т₆=Т₅+20°C=790°C и выдержкой в течение 3 ч. После выдержки при температуре Т_б исследуемый образец охлаждался на воздухе до температуры Т₂=600°C и осуществлялось его старение в течение 6 ч с последующим неконтролируемым охлаждением на воздухе.

После проведения термической обработки по описанному режиму проводилось механическое удаление газонасыщенного слоя толщиной 2,5…3,5 мм, подготовка образцов для механических испытаний на ударный изгиб (с U-образным надрезом) и испытаний на замедленное разрушение (образец с V-образным надрезом, скорость деформации в режиме 3-точечного изгиба 1…1,5 мм/мин).

Технический результат: заметное повышение энергоемкости разрушения (ударной вязкости) KCU и пластичности сплава γ, а также некоторое возрастание уровня прочности σ при испытаниях на замедленное разрушение в режиме 3-точечного изгиба (фиг. 1, табл. 1).

Источники информации:

1. Тетюхин В.В., Захаров Ю.И., Левин И.В. Сплав на основе титана и способ термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из этого сплав. Патент РФ №2169782, 2000.

2. Тетюхин В.В., Захаров Ю.И., Левин И.В. Сплав на основе титана и способ термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из этого сплав. Патент РФ №2169204, 2000.

3. Briggs R.D. Tough, high-strength titanium alloys; methods of heat treating titanium alloys. Патент США №7785429, 2010.

4. Briggs R.D. Tough, high-strength titanium alloys; methods of heat treating titanium alloys. Патент США №8262819, 2012.