БЕТА-ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ И СПОСОБ ЕГО ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Изобретение относится к бета-титановым сплавам, а также к способам их термомеханической обработки с улучшением механических свойств материала, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении полуфабрикатов и изделий из легированных титановых сплавов.

Высоколегированные бета-сплавы относятся к классу титановых сплавов, в которых бета-фаза стабильна при комнатной температуре и претерпевает превращение лишь при нагреве, в результате чего они значительно упрочняются после закалки и старения [Б.А.Колачев, И.С.Полькин, В.Д.Талалаев, Титановые сплавы разных стран, Справочник. - М.: ВИЛС, 2000, 315 с.]. Известно также, что размер зерна матричной бета-фазы, а также морфология выделений вторичной альфа-фазы оказывают значительное влияние на прочность и пластичность сплава после старения. В частности, было показано, что уменьшение размера зерна бета-фазы до 10 мкм приводит к высоким показателям прочности с удовлетворительной пластичностью. [O.M.Ivasishin, P.E.Markovsky, S.L.Semiatin, C.H.Ward. Aging response of coarse- and fine-grained titanium alloys. // Materials Science Engeneering A Vol.405 (2005), p.296-305 ISSN 0921-5093].

Известны способы повышения физико-механических свойств промышленных металлов и сплавов путем создания в них ультрамелкозернистых (УМЗ) структур с использованием методов интенсивной пластической деформации (ИПД), которые позволяют достигать очень больших пластических деформаций при относительно низких температурах (обычно 0,3…0,4 Т_пл, К) в условиях высоких приложенных давлений [Р.З.Валиев, И.В.Александров. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура, свойства. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007, 398 с.: ил.]. В качестве методов ИПД активное развитие получили интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК), равноканальное угловое прессование (РКУП), всесторонняя многоступенчатая ковка и их различные модификации. В частности, способ РКУП, реализующий деформацию массивных образцов простым сдвигом, заключается в неоднократном продавливании в специальной оснастке через два канала с одинаковыми поперечными сечениями, пересекающиеся обычно под углом 90° [Патент РФ №2181314, опубл. Б.И. 2002, №16]. Однако в литературе не известен бета-сплав с ультрамелким зерном, т.е. с размером менее 1 мкм. В такой структуре процессы распада бета-фазы при нагреве будут протекать иначе, чем в крупном зерне, что обусловлено зависимостью динамики ее распада от дефектности кристаллической решетки. Более того, наличие ультрамелкого зерна способствует равномерности диффузионного распада бета-фазы, добиться которой в крупном зерне практически невозможно.

Известен способ обработки изделий из бета-титановых сплавов, в котором термомеханическую обработку проводят в одиннадцать стадий [Патент РФ №2384647, МПК C22F 1/18, опубл. 20.03.2010]. На первой стадии осуществляют нагрев до температуры выше температуры полиморфного превращения (Т_пп): (Т_пп+150…Т_пп+250)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20…50% на каждом этапе деформации; на второй стадии - нагрев до температуры (Т_пп+140…Т_пп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 25…50% на каждом этапе деформации; на третьей стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20…Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20…60) %; на четвертой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+60…Т_пп+120)°С, деформацию со степенью (20…60) %; на пятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20…Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20…60) %; на шестой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30…Т_пп+90)°С, деформацию со степенью (20…60) %; на седьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20…Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20…60) %; на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т_пп+30…Т_пп+80)°С, деформацию со степенью (20…70) %; на девятой стадии - нагрев до температуры (Т_пп-20…Т_пп-40)°С, деформацию со степенью (20…50) %, где Т_пп - температура полного полиморфного превращения; на десятой стадии производят нагрев до температуры (Т_пп-20…Т_пп-200)°С, охлаждение на воздухе; на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Т_пп-270…Т_пп-550)°С, выдержку 5…20 ч. При этом не менее трех деформаций, осуществляемых на стадиях с третьей по девятую, проводят с изменением направления деформации на 90°.

Данный способ позволяет повысить уровень прочностных характеристик обрабатываемого материала, однако, имеет очень высокую трудоемкость, энергоемкость и не позволяет получить требуемые характеристики прочностных и усталостных свойств.

Существует способ термомеханической обработки бета-титановых сплавов [O.M.Ivasishin, P.E.Markovsky, Yu.V.Matviychuk, S.L.Semiatin, C.H.Ward, S.Fox. A comparative study of the mechanical properties of high-strength titanium alloys. // Journal of Alloys and Compounds, 2007 ISSN: 0925-83 88], включающий в себя операции закалки с температуры Т_пп+(60…100)°С, холодной прокатки и/или волочения с последующим скоростным нагревом в область температур, соответствующих протеканию рекристаллизации и последующим резким охлаждением, что позволяет получить структуру со средним размером зерна бета-фазы около 10 мкм, обеспечивающую высокие показатели прочности (около 1500 МПа) в сочетании с удовлетворительными показателями пластичности.

Недостаток данного способа заключается в том, что процедура нагрева в область температур, соответствующих протеканию рекристаллизационных процессов, предполагает очень высокую точность измерений и прецизионный контроль всех параметров процедуры, включая скорость нагрева, время выдержки при соответствующей температуре и скорость охлаждения. Совокупность данных параметров характеризуется очень малой допустимой погрешностью в значениях этих параметров, что значительно снижает вероятность получения ожидаемого уровня механических свойств.

Наиболее близким к предложенному является способ термомеханической обработки бета-титановых сплавов, включающий горячую деформацию экструзией при температуре 880°С со степенью деформации 98% с последующей неполной закалкой материала, нагретых на температуру (Т_пп-40°…Т_пп-60°), и последующим старением при температуре 500°С в течение 1000 мин. [Т.Nishimura, M.Nishigaki, Y.Moriguchi, Characteristics of Beta Titanium alloy Ti-15Mo-5Zr-3Al // R&D. Vol.32, No.1].

Бета-титановый сплав, обработанный по данному способу, обладает высокими значениями предела прочности и пластичности, но не дает необходимого уровня предела выносливости. Кроме этого, данный способ характеризуется большой продолжительностью и низкой производительностью.

Предложенное изобретение направлено на разработку бета-титанового сплава с ультрамелкозернистой структурой и способа его обработки, обеспечивающего повышенный уровень прочности и предела выносливости материала, превышающие традиционный уровень свойств бета-титановых сплавов.

Поставленная задача решается бета-титановым сплавом, характеризующимся ультрамелкозернистой структурой, состоящей из зерен бета-фазы средним размером не более 0.5 мкм, выделений вторичной альфа-фазы сфероидальной формы средним размером не более 0.5 мкм и их объемной долей в структуре не менее 40%.

Поставленная задача решается также способом термомеханической обработки, включающим интенсивную пластическую деформацию и термическую обработку, в котором, в отличие от прототипа, термическую обработку проводят перед деформацией путем нагрева до температуры выше температуры полиморфного превращения на 5…15°С продолжительностью не менее 1 мин на 1 мм диаметра сечения и закалки в воду, а интенсивную пластическую деформацию осуществляют методом равноканального углового прессования с поворотом направления деформации на 90° после каждого цикла деформирования при температуре (T_пп - 200…Т_пп - 150)°С с суммарной накопленной деформацией е≥3.5 с последующей закалкой в воду.

Указанный в изобретении технический результат достигается следующим образом.

Закалка с температуры Т_пп+(5…15)° позволяет получить однофазную бета-структуру, которая состоит из равноосных зерен бета-фазы с объемно-центрированной кристаллической (ОЦК) - решеткой размером 40…60 мкм. Полученная однофазная бета - структура сплава в заготовке обеспечивает хорошую деформационную способность материала [Е.В.Коллинз. Физическое металловедение титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1988. 224 с.; Титановые сплавы. Металловедение титана и его сплавов. / Под ред. Б.А.Колачева, С.Г.Глазунова. - М.: Металлургия, 1992. - 352 с]. В ходе интенсивной пластической деформации при температуре (Т_пп - 250…Т_пп - 150)°С протекают процессы фрагментации бета-зерен и внутрифазовой рекристаллизации с образованием новых зерен и субзерен размером не более 0.5 мкм. При этом деформация при температуре ниже указанного интервала приведет к значительному снижению деформационной способности материала за счет подавления термоактивируемых процессов возврата и рекристаллизации. Деформация при температуре выше указанного интервала приведет к неконтролируемому росту зерен и, как следствие, к неоднородному измельчению структуры.

Средний размер бета-зерен определяется с помощью просвечивающего электронного микроскопа стандартным методом: средний диаметр рассчитывается, исходя из половины суммы значений длинной и короткой сторон зерна. Значительное измельчение бета-фазы сопровождается однородным выделением дисперсной вторичной альфа-фазы средним размером не более 0.5 мкм преимущественно сфероидальной формы (соотношение длинной и короткой сторон частицы не более 2) на границах/субграницах и дефектах структуры. Однородность распределения вторичной фазы оценивалась путем определения количества частиц на нескольких произвольных прямых секущих на любом из двух поперечных сечений, при этом фаза должна занимать более 50% изображения. Преимущественно сфероидальная форма частиц альфа-фазы обусловлена конкурирующими процессами их выделения, растворения и коагуляции в ходе повторного воздействия интенсивной деформации в пересекающихся каналах при повышенной температуре. В повышение прочности сплава значительный вклад вносят механизм зернограничного упрочнения за счет уменьшения размера бета-зерен в соответствии известным соотношением Холла-Петча для предела текучести и механизм дисперсионного упрочнения, связанного с выделением вторичной альфа-фазы [Кокс Ю.В. Физика прочности и пластичности. Пер. с англ., сборник. - М.: Металлургия, 1972. 304 с.]. Достаточная пластичность УМЗ сплава обеспечивается формированием относительно равновесных границ зерен бета-фазы в результате процессов возврата, протекающих при повышенных температурах деформации, а также сфероидальной формой вторичной альфа-фазы, способствующей снижению концентрации напряжений на межфазных границах в ходе деформации растяжением.

Зависимость предела выносливости от размера зерна часто описывают формулой, аналогичной зависимости Холла-Петча для предела текучести. При этом в большинстве случаев при уменьшении размера зерна до ультрамелкого диапазона (менее 1 мкм) усталостные свойства металлических материалов повышаются [A.Vinogradov, S.Hashimoto, Multiscale phenomena in fatigue of ultra-fine grain materials - an overview. // Materials Transactions. 2001. V.42(1). pp.74-84]. Однако формирование в металлах и сплавах ультрамелкозернистой структуры не всегда приводит к увеличению усталостной долговечности, что может быть связано с их ограниченной пластичностью, которая зависит не только от размеров зерен, но и от таких особенностей структуры, как состояние границ, морфология и распределение вторичных фаз [Semenova I.P., Yakushina Е.В., Nurgaleeva V.V., Valiev R.Z. Nanostructuring of Ti-alloys by SPD processing to achieve superior fatigue properties. // International Joint Materials Research (formerly Z. Metallk.), Vol.100(2009), 12. P.1691-1696].

Использование предложенного способа обработки бета-титанового сплава позволило сформировать ультрамелкозернистую структуру, характеризующуюся размером зерен бета-фазы менее 0.5 мкм, имеющих преимущественно равноосную форму, с равномерно распределенными выделениями альфа-фазы сфероидальной формы размером менее 0.5 мкм с объемной долей примерно 45%. Формирование такого типа УМЗ структуры позволило обеспечить не только высокую прочность, но и повышенную пластичность, и, как следствие, повышенный уровень усталостной долговечности.

Таким образом, сочетание термической обработки и интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования с поворотом на 90° в указанных режимах позволяет получить высокие показатели прочности (σ_в>1500 МПа) и выносливости (σ_-1>700 МПа) за счет формирования ультрамелких зерен в бета-фазной матрице, выделения дисперсной вторичной альфа-фазы, обеспечивающих в совокупности действие зернограничного и дисперсионного механизмов упрочнения.

Способ осуществляют следующим образом.

Заготовку из бета-титанового сплава подвергают нагреву на температуру Т_пп+(5…15)° продолжительностью не менее 1 мин на 1 мм сечения, закаливают в воду, после чего структура материала представляет собой однофазную бета-матрицу. Полученная структура с ОЦК решеткой обладает большей пластичностью и деформируемостью по сравнению с гексагональной плотноупакованной структурой альфа-титана, поэтому в данном состоянии материал может накопить большую степень деформации. Далее заготовки подвергают интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования при температуре (Т_пп-250…Т_пп-150)°C с поворотом направления деформации на 90° после каждого цикла деформации. Количество циклов определяется достижением суммарной накопленной деформации, равной e≥3.5. Далее осуществляют резкое охлаждение заготовки в воде при комнатной температуре, в результате чего фиксируется состояние, достигнутое за счет применения интенсивной пластической деформации. После данной обработки в заготовках без изменения их исходных размеров формируется ультрамелкозернистая структура, которая состоит преимущественно из бета-зерен средним размером не более 0.5 мкм и равномерно распределенной в УМ3-матрице вторичной альфа-фазы средним размером не более 0.5 мкм, имеющей преимущественно сфероидальную форму и объемную долю в микроструктуре не менее 40%, что обеспечивает комплекс свойств: высокие прочностные и усталостные характеристики при сохранении пластичности. После окончания обработки проводят контроль механических свойств на растяжение при комнатной температуре и контроль микроструктуры.

Пример конкретного применения

Брали пруток из псевдо-бета-титанового сплава Ti-15Mo-5Zr-3Al диаметром 20 мм и длиной 100 мм. Температура полиморфного превращения сплава Ti-15Mo-5Zr-3Al составляла 785°С. Пруток закаливали в воду с температуры 800°С (нагрев осуществляли в течение 20 мин). После этого пруток подвергали интенсивной пластической деформации по описанному выше способу. Температура деформации и заготовки составляла 600°С. Число последовательных проходов n=5, в результате была достигнута суммарная накопленная деформация, равная e=3.5.

После этого выполнялся контроль однородности микроструктуры по сечению заготовки. В результате обработки в заготовках сформировалась ультрамелкозернистая структура, которая характеризовалась преимущественно бета-зернами размером в диапазоне 0,3…0,5 мкм и равномерно распределенными выделениями вторичной альфа-фазы размером в интервале 0,1…0,5 мкм, с объемной долей альфа и бета-фаз примерно 45 и 55%, соответственно. Контроль механических свойств на растяжение при комнатной температуре показал значения, приведенные в таблице. Для сравнения в таблице приведены механические свойства сплава Ti-15Mo-5Zr-ЗА1 после термомеханической обработки в соответствии с прототипом [Т. Nishimura, M.Nishigaki, Y.Moriguchi, Characteristics of Beta Titanium alloy Ti-15Mo-5Zr-3Al. // R&D. Vol.32, No.1].

Данные, приведенные в таблице, показывают, что в результате обработки по предлагаемому способу достигаются более высокие показатели предела выносливости по сравнению с обработкой в соответствии с прототипом, при обеспечении удовлетворительного уровня пластичности.

Таким образом, предложенный способ термомеханической обработки бета-титановых сплавов позволяет существенно повысить уровень и однородность прочностных и усталостных характеристик обрабатываемого материала при сохранении пластичности.