СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОЛЬГИ ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ОРТОСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам изготовления фольги холодной прокаткой из сплавов на основе алюминидов титана (интерметаллидных титановых сплавов), основанных на орторомбической фазе Ti₂AlNb.

В настоящее время наибольшее распространение изготовление фольги промышленными способами получили следующие технологии:

- прокатка интерметаллидных заготовок, полученных из слитков или порошковых заготовок;

- вакуумное напыление интерметаллидных сплавов на подложку с последующим ее удалением;

- вакуумное напыление в сочетании с прокаткой напыленного материала.

Наиболее высококачественная фольга со стабильными свойствами производится по технологиям прокатки, однако для получения фольги толщиной 0,1 мм и менее требуется дополнительная электролитическая обработка.

Известны интерметаллиды на основании Ti и Al, алюминиды титана (γ+α₂-сплавы), обладающие высокой температурой плавления, низкой плотностью, имеющие высокие упругие модули, стойкостью к окислению и возгоранию, высоким отношением прочность/плотность и жаропрочностью. Область применения указанных соединений обширна и включает в себя: компоненты двигателей, реактивные сопла, элементы обшивки космических аппаратов, сотовые конструкции сверхзвуковых летательных аппаратов и элементы их теплозащитных систем.

При всем при этом, γ+α₂-сплавы имеют существенные недостатки: низкую пластичность при комнатной температуре (трудно деформируем при холодной прокатке), низкую вязкость, недостаточно хорошие усталостные свойства, сравнительно высокую скорость роста трещин, возможную пористость при определенных видах термообработки.

Более перспективным является двухфазный интерметаллидный сплав на основе титана с добавлением ниобия, около или более 25%, (ортосплав), например сплав на основе Ti₂AlNb, содержащий более пластичную при комнатной температуре β-фазу, включающую упорядоченную ромбическую кристаллическую структуру орто (O)-фазу и объемно-центрированную кубическую структуру (ОЦК) фазу (β или В2) и менее пластичную (альфа-2)-фазу (α₂). Сплав обладает хорошим сочетанием высокотемпературной прочности, достаточной пластичностью при комнатной температуре и вязкостью разрушения.

Известен способ прокатки заготовок из заэвтектоидных γ+α₂-сплавов, который относится к обработке сплавов на основе алюминидов титана TiAl (γ-фаза) и Ti³Al (α₂-фаза), полученных литьем или методом порошковой металлургии. Способ предусматривает прокатку исходной заготовки с предварительно подготовленной мелкозернистой структурой на лист или фольгу с заданными толщиной и размером зерен, которую осуществляют в заданном интервале скоростей деформации и температур за один или несколько этапов, осуществляемых, в свою очередь, за N проходов в изотермических или квазиизотермических условиях. Техническим результатом изобретения является получение листа и фольги с регламентированной структурой, а также подготовка мелкозернистой микроструктуры в исходных заготовках для осуществления способа прокатки (патент РФ №2164180, МПК B21B 3/00, C22F 1/18).

Недостатками этого способа являются ограниченные размеры производимого полуфабриката, способ малопроизводительный, трудоемкий и адаптирован для производства алюминидов титана.

Известен способ изготовления подвергаемого холодной обработке изделий из металлического сплава (варианты). Изобретение относится к изготовлению металлических изделий, в частности, из труднообрабатываемых интерметаллических сплавов. Изделие изготавливают из алюминидов железа, никеля или титана. При холодной обработке изделие подвергают наклепу. Проводится быстрый отжиг с выдержкой менее одной минуты. Операции холодной обработки и быстрого отжига могут повторяться до получения требуемых размеров изделия. Изделие может быть получено методами литья, порошковой металлургии или плазменным напылением (патент РФ 2245760, МПК B22F 3/24, C21D 7/02, C22F 1/18).

Способ требует специального оборудования и не гарантирует получение изделий со стабильными механическими свойствами и гомогенной структурой.

Известен способ изготовления листов из труднодеформируемых многокомпонентных сплавов, включающий выплавку сплава, литье слитков, горячую и холодную прокатку слитков до заданных размеров листа и отжиг, при этом горячую прокатку слитков производят с поверхностной окисной пленкой в кейсах в условиях стесненного уширения, а холодную прокатку ведут дробно с предварительной и промежуточными закалками, при этом горячую прокатку и промежуточные подогревы перед закалками производят в интервале температур, ниже температуры плавления легкоплавкой составляющей и выше температуры растворения упрочняющих фаз. Способ позволяет получать широкую номенклатуру изделий со стабильными механическими и химическими свойствами состоящих из многокомпонентных сплавов, относящихся к классу дисперсионно-твердеющих и включающих легкоплавкие составляющие компоненты (патент РФ №2382685, МПК B21B 3/00) - прототип.

Данный способ не может применяться при изготовлении листовых полуфабрикатов из интерметаллидных сплавов, т.к. в нем не учитывается специфика фазовых превращений при термомеханической обработке интерметаллидных ортосплавов.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является получение на стандартном оборудовании высококачественной фольги из интерметаллидных ортосплавов на основе титана, в частности основанных на орторомбической фазе Ti₂AlNb, применяемого в аэрокосмических системах.

Техническим результатом изобретения является разработка способа изготовления фольги толщиной до 0,1 мм и менее холодной прокаткой, что позволяет получить из интерметаллидных ортосплавов качественную фольгу со стабильными механическими свойствами и гомогенной структурой.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления фольги из интерметаллидных ортосплавов на основе титана., включающем производство слитков или порошковых заготовок, которые затем подвергаются горячей термомеханической обработке, в том числе пакетной прокатке и окончательной холодной прокатке, пакетную прокатку проводят при толщине подката, равной 2-4 мм с предварительно подготовленной мелкозернистой структурой, в которой ширина β-зерна не превышает 10 мкм, а длина - 40 мкм, пакет формируют набором заготовок подката и двух стальных обкладок, при этом толщина верхней обкладки в 1,4-1,8 раза больше нижней, горячая прокатка пакета производится от установочной температуры нагрева 950±50°C за несколько проходов с суммарной степенью деформации 70-90%, после отжига при температуре 920±70°C и разборки пакета холодную прокатку каждой заготовки ведут с суммарной степенью деформации 40-70% с промежуточными вакуумными отжигами при температуре 920±70°C.

Изобретение поясняется иллюстрациями, где:

на фиг.1 показана фольга толщиной 80 мкм, полученная из сплава Ti-10,5Al-39,5Nb-1,2Zr-1,3V-0,7Mo-0,16Si (весовые проценты).

На фиг.2 показана микроструктура подката после пакетной прокатки.

На фиг.3 показана микроструктура фольги, полученная за две стадии холодной прокатки.

На фиг.4 показана схема получения фольги из сплава Ti-10,5Al-39,5Nb-1,2Zr-1,3V-0,7Mo-0,16Si (весовые проценты).

Сущность изобретения

Интерметаллиды занимают промежуточное место между металлами и керамиками как по типу химической связи, так и по свойствам. Входящие в интерметаллидные ортосплавы соединения имеют химические связи как металлического типа, так и с некоторой долей ковалентной составляющей. Поэтому они имеют существенно лучшую обрабатываемость, чем керамики. При повышенных температурах происходит разупорядочение и пластичность резко возрастает. Это свойство позволяет за счет фиксации высокотемпературного состояния придавать сплавам структуру, позволяющую подвергать их холодной прокатке.

Для холодной прокатке необходимо:

- формирование в этих сплавах перед холодной прокаткой однородной равноосной мелкозернистой микроструктуры;

- применение таких методов и режимов прокатки, которые бы обеспечивали однородное развитие в заготовке пластической деформации и препятствовали бы ее локализации.

Технологически структуру подобного материала делают годной для холодной прокатки посредством рекристаллизационных процессов и фазовых превращений, инициируемых во время высокотемпературной пластической деформации за счет введенной в материал энергии напряжений. Тонкость и однородность возникающей после пластической деформации структуры зависят наряду с температурой и скоростью формообразования прежде всего от схемы приложения усилий.

При концентрации деформирующих сил на ограниченной площади пластической деформации (введенной в материал энергии напряжений) на периферии деформируемого изделия возникают высокие вторичные растягивающие напряжения, которые создают предпосылки к трещинообразованию. Применение горячей пакетной прокатки перед холодной прокаткой позволяет разрешить эти технические противоречия, а именно получить нужную структуру перед холодной прокаткой без разрушения заготовки.

Подкат для пакетной прокатки производится известными способами горячей термомеханической, толщина подката 2-4 мм, при условии, что в структуре сплава формируют зерна β-фазы шириной не более 10 мкм и длиной не более 40 мкм. В процессе пакетной прокатки формируется структура сплава, позволяющая в дальнейшем осуществлять холодную прокатку заготовки.

Пакетную прокатку осуществляют в пакете, который формируют набором заготовок подката и двух стальных обкладок, при этом толщина верхней обкладки в 1,4-1,8 раза больше нижней.

Примененное различие в толщине обкладок обеспечивает дополнительную сдвиговую деформацию заготовки. Такая асимметрия в очаге деформации выравнивает усилия в очаге и является стабилизирующим фактором устойчивого процесса пакетной прокатки и сводит на нет вероятность образования локальных коробоватостей в титановых заготовках, практически исключает их сваривание при наличии между ними разделительного слоя.

Пакетная прокатка производится при установочной температуре нагрева 950±50°C за несколько проходов с суммарной степенью деформации 70-90% с последующим отжигом при температуре 920±70°C. Условия термомеханической обработки подобраны опытным путем, при которых вводимая в заготовку термомеханическая энергия позволяет получить в сплаве однородную равноосную мелкозернистую микроструктуру, подготовленную под холодную прокатку.

Затем пакет разбирается и далее производится холодная прокатка каждой заготовки за несколько стадий с суммарной степенью деформации на каждой стадии 40-70% с промежуточными вакуумными отжигами при температуре 920±70°C. Деформация менее 40% не выгодна по экономическим соображениям, при деформации более 70% возможно образование трещин. Отжиг в интервале температур 920±70°C гарантированно снимает наклеп и не ведет к увеличению зерен.

Реализация предлагаемого способа обеспечивает возможность получения фольги толщиной менее 0,1 мм из интерметаллидных ортосплавов на основе титана.

Для опробования данного изобретения использовался сплав на основе интерметаллида Ti₂AlNb. Химический состав сплава приведен в таблице 1.

Слиток плавки был выплавлен двукратным вакуумным дуговым переплавам размерами Ø190×(200…250) мм. Температура полиморфного превращения сплава, определенная методом пробных закалок, составила (990±5)°C. Из слитка многократной ковкой в β-области были изготовлены слябы 40×440×L мм, из которых посредством прокатки в β-области были изготовлены подкаты толщиной 3,5±0,5 мм. Далее был произведен раскрой на заготовки для пакетной прокатки размерами 3,0×130×120 мм. После шлифовки заготовки были скомплектованы для пакетной прокатки. В пакет укладывали по 3 заготовки. Обкладки подготовили из стали марки Ст3сп размерами:

- верхняя 14×200×200 мм,

- нижняя 10×200×200 мм.

Сварку пакетов осуществляли с трех сторон, задний торец оставляли открытым.

Горячая прокатка (ГП) пакетов от установочной температуры нагрева 950°C осуществлялась на двухвалковом нереверсивном стане (диаметр валков 500 мм) с суммарной степенью деформации 75% до толщины заготовок 0,7 мм. Отжиг пакета был проведен в обычной электропечи при температуре 950°C, продолжительность отжига 20 мин.

На фиг.2 дано металлографическое изображение полученного листа. В структуре (фиг.2а) наблюдаются первичные выделения, которые имеют как глобулярную, так и пластинчатую форму. При этом пластинчатые выделения ориентированы вдоль направления деформации. Основная доля выделений имеет глобулярную форму размером около 0,5-1,0 мкм.

Согласно фиг.2б образец имеет мелкозернистую структуру со средним размером β-зерна 5 мкм. Первичные выделения, в основном, располагаются на границах. Сами границы не являются прямолинейными, форма зерен близка к равноосной, что можно объяснить процессами динамической/постдинамической рекристаллизации, протекающей во время горячей деформации или при последующем охлаждении.

После разборки пакетов и проведения отделочных операций заготовки были подвергнуты холодной прокатке по следующей схеме.

Первая холодная прокатка горячекатаных заготовок на шестивалковом стане со степенью деформации 60% (ХП 1).

Смягчающая термическая обработка (СО) в вакуумной печи при температуре 870°C.

Вторая холодная прокатка (ХП 2) на шестивалковом стане со степенью деформации 60% на конечную толщину 80 мкм.

Схема получения фольги, включающая пакетную прокатку и холодную прокатку, показана на фиг.4.

Микроструктура фольги после второй холодной прокатки представлена на фиг.3.

Холодная деформация приводит к изменению формы зерен β-фазы, которые продолжают вытягиваться вдоль направления прокатки. Изменений структуры первичных выделений не обнаружено. Вторичные выделения O-фазы частично переориентируются вдоль направления прокатки. Далее фольга была подвергнута различным режимам термической обработки.

Механические свойства фольги толщиной 80 мкм после различных режимов термообработки представлены в таблице 2.

Способ позволяет изготавливать фольгу из сплавов на основе Ti₂AlNb, обладающих низкой технологической пластичностью, в холодном состоянии исключительно деформационными методами (прокаткой) до толщин менее 0,1 мм.