Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления заготовок трубных из титановых псевдо α-сплавов 5В и 37

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к изготовлению холоднодеформированных и горячедеформированных труб из титановых сплавов повышенной прочности 5В (5,5Al-1,3Mo-1,5V) или 37 (5,3Al-2,0Mo-0,6Zr) для изделий судового машиностроения и энергетических установок.

Трубные заготовки из титановых сплавов 5В или 37 (псевдо-α-сплавы) выполнены в виде полого цилиндра, изготовленного методом горячей ковки в β- и (α+β)-областях с последующими операциями сквозного сверления и выдавливания. Окончательный отжиг проводится при температуре Т_пп-(15÷200)°С в вакуумных печах в течение 60÷100 мин, с охлаждением с печью до температуры 130÷170°С (Т_пп - температура полиморфного превращения, °С).

Известен способ изготовления полой трубной заготовки для производства бесшовных труб из титановых сплавов, в том числе из псевдо α- и (α+β)-титановых сплавов, включающий ковку слитка в пруток в несколько переходов при температуре выше температуры полиморфного превращения, формирование шашки путем резки на кратный размер, обточки боковой поверхности и сверления осевого отверстия, нагрев до температуры выше температуры полиморфного превращения и прессование (Технологическая инструкция ТИ-03-019-Т-93 "Производство прессованных труб на прессе 3150 тс (30,891 Мн)", - г. Верхняя Салда, ВСМПО, 1993 г., с. 3).

Недостатками известного способа являются низкий выход годного, нестабильность микроструктуры по сечению стенки трубной заготовки, наличия большого количества остаточных β-зерен из-за деформационного перегрева при ковке в β-области, что при последующей холодной или горячей прокатке трубы приводит к неравномерности деформации и разрушению металла, а также высокая трудоемкость при изготовлении заготовок, в частности на операции сверления.

Известен способ изготовления полой трубной заготовки из псевдо α-титанового сплава Ti-3Al-2,5V, включающий ковку слитка в пруток в несколько переходов при температурах β-области на первом переходе и (α+β)-области на остальных переходах с уковом не менее 18 (степень деформации 94,5%), оформление заготовки под выдавливание путем обточки боковой поверхности прутка, резки на кратный размер и сверления осевого отверстия, нагрев заготовки до температуры ниже температуры полиморфного превращения и выдавливание полой трубной заготовки с вытяжкой от 5 до 10 (Ti-3Al-2,5V. Common Name: Tubing Alloy, ASTM Grade 9 UNS Number: R 56320 / 1994, c. 282).

Данный способ позволяет получить мелкодисперсную равномерную микроструктуру по толщине стенки заготовки.

Недостатками данного способа являются низкий выход годного металла из-за больших потерь металла при сверлении осевого отверстия, составляющих до 25% массы заготовки, и высокая трудоемкость при сверлении осевого отверстия.

Известен способ изготовления полой трубной заготовки для производства бесшовных труб из псевдо α и (α+β) титановых сплавов, включающий в себя ковку слитка в пруток в несколько переходов при температурах β-области на переходах от первого до предпоследнего и (α+β)-области на последнем переходе, пруток режут на кратный размер, сверление осевого отверстия, выдавливание полученного промежуточного биллета при регламентированном соотношении температуры и вытяжки, далее процедуры обточки, расточки, повторная операция выдавливания и т.д. (Патент РФ №2 127 160 опубл. 10.03.1999) - прототип.

Недостатком данного способа является необходимость использования двух операций выдавливания и дополнительной операции расточки.

Основными недостатками известных вышеперечисленных решений являются:

- низкий выход годного при производстве трубных заготовок из титановых сплавов,

- большая энергозатратность производства;

- высокие температуры при производстве данного полуфабриката;

- необходимость повторения операции выдавливания с промежуточной расточкой/обточкой внутреннего осевого отверстия.

Задачами, на решение которых направлено заявленное изобретение, является создание однородной рекристаллизованной структуры по всему объему заготовок с целью обеспечения технологической пластичности для дальнейших холодных и горячих переделов при изготовлении труб, повышение выхода годного металла при изготовлении полой трубной заготовки и снижения трудоемкости при получении осевого отверстия в заготовке.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа изготовления заготовок трубных из титановых псевдо α-сплавов марки 5В или марки 37, обеспечивающего уменьшение расхода металла за счет проведения одной операции выдавливания (исключаются операции расточки и обточки, которые проводятся в прототипе перед окончательным выдавливанием), а также получение более однородной структуры трубных заготовок по всему объему. В связи с применением пониженных температур при операциях ковки толщина газонасыщенного слоя минимальна, что приводит к исключению использования защитных покрытий внешней поверхности трубной заготовки при ее изготовлении и минимальной механической обработке перед выдавливанием.

Технический результат достигается тем, что проводят ковку слитка, механическую обработку заготовки, сквозное сверление осевого отверстия с торца кованой заготовки, выдавливание и окончательный вакуумный отжиг, при этом проводят не более четырех ковок (с общей деформацией 40%) с нагревом в интервале температур β-области (Т_пп+(40÷150)°С), оставшиеся ковки, не менее двух, с общей деформацией от 10 до 40%, в зависимости от диаметра конечной заготовки, в размер проводят с нагревом в интервале температур (α+β)-области (Т_пп-(30÷90)°С); затем осуществляют сквозное сверление осевого отверстия с торца кованой заготовки, наносят медное покрытие с графитовой смазкой на внутреннюю и внешнюю поверхности заготовок, далее осуществляют нагрев заготовки до температуры Т_пп-(50÷200)°С и выдавливание в трубную заготовку, далее проводят полный рекристаллизационный вакуумный отжиг при температуре Т_пп-(150÷200)°С в течение 60÷100 мин с охлаждением с печью до температуры 130÷170°С.

В рассматриваемом способе изготовления осадка слитка и дальнейшая ковка заготовки проводится следующим образом: не более 4х ковок (с общей деформацией 40%) с нагревом в интервале температур β-области (Тпп+(40÷150)°С), и оставшиеся ковки (не менее 2х) с общей деформацией от 10 до 40%, в зависимости от диаметра конечной заготовки) в размер проводятся с нагревом в интервале температур (α+β)-области (Тпп-(30÷90)°С), что позволяет существенно проработать структуру и снизить количество остаточной β-фазы в металле, тем самым обеспечить однородность структуры. Далее проводится механическая обработка наружной поверхности заготовки для снятия газонасыщенного слоя, образовавшегося после нагрева под ковку, съем металла до 12 мм, за счет меньших температур нагрева. Дальнейшее получение сквозного отверстия также отличается от прототипа тем, что после операции сквозного сверления дополнительно на внутреннюю и внешнюю поверхности заготовок наносится медное покрытие с графитовой смазкой, и проводится выдавливание с предварительным нагревом Т_пп-(50÷200)°С, со съемом 1 мм на сторону, что является положительным эффектом для меньшего изнашивания инструмента. Все вышеперечисленные операции вместе с окончательным вакуумным отжигом заготовки при температуре (Т_пп-(15÷200)°С) с выдержкой при температуре в течение 60÷100 мин, в зависимости от толщины стенки трубной заготовки, позволяет решить поставленные задачи. Механические свойства трубных заготовок, изготовленных по предложенному способу, представлены в таблице 1.

Предложенный способ предполагает уменьшение температуры ковки при изготовлении трубной заготовки, уменьшение газонасыщенного слоя за счет уменьшения температур нагрева, а также отсутствие повторной операции выдавливания. Проводимый рекристаллизационный отжиг гарантирует однородную структуру по всему объему заготовки. Все эти факторы позволят обеспечить технологическую пластичность для дальнейшего изготовления холоднодеформированных и горячедеформированных труб, уменьшить стоимость заготовки на 5-10% и увеличить выход в годное.

Структура трубной заготовки из титанового сплава 37 представлена на фиг.1-3, а из титанового сплава 5В – на фиг.4-6.