Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА МАРКИ ВТ1-0

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к термическим методам обработки, и может быть применено в машиностроении, авиастроении и др.

Известен способ упрочнения металлов и сплавов, включающий увеличение плотности дислокации путем пластической деформации металлов и сплавов, что способствует повышению предела прочности, но приводит к снижению пластичности [Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов, 6-е изд. М.: Металлургия, 1986, с.76-79]. Последующий отпуск приводит к уменьшению прочности на 20-30% с одновременным повышением пластичности. Эффект от применения данного способа происходит при плотности дислокации не ниже 10¹² см^-2, для чего требуются большие деформации металла. Существенным недостатком указанного способа упрочнения является то, что повышение прочности, основанное на увеличении плотности дислокации и уменьшении их подвижности, сопровождается снижением пластичности, вязкости и тем самым надежности. Отпуск приводит к повышению пластичности, но при этом значительно снижается прочность.

Известен способ термической обработки титана ВТ 1-0, заключающийся в нагреве со скоростью 60-80°C/мин до температуры на 260-280°C ниже температуры полиморфного превращения, выдержки при температуре 15-30 мин и охлаждении со скоростью 70-80°C/мин до 20°C опубликован в литературном источнике [Хорев А.И. Современные методы повышения конструкционной прочности титановых сплавов. - М.: Воениздат, 1979, 256 с.]. Этот способ приводит к значительному короблению конструкций, создает высокие термические напряжения в результате неоднородного нагрева по сечению, что усиливается охлаждением с высокой температуры и тем самым не обеспечивает необходимого уровня прочности и пластичности материала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ термической обработки α-титановых сплавов, раскрытый в SU 979523 А [Авторское свидетельство СССР 979523 A, C22F 1/18, дата публикации 07.12.1982 г.]. Данный способ включает нагрев, выдержку и охлаждение, причем заготовку нагревают со скоростью 4-10°C/мин до температуры на 350-440°C ниже температуры полиморфного превращения, выдерживают при этой температуре 35-100 мин, охлаждают со скоростью 2-6°C/мин до температуры на 630-700°C ниже температуры превращения, а затем охлаждают со скоростью 30-50°C/мин до температуры 10-40°C. Этот способ термообработки пригоден для сплавов, имеющих повышенное содержание легирующих элементов, которые, закрепляясь в процессе перемещения на небольшие расстояния по разветвленной сетке субграниц, создают структуру с более высокой прочностью и хорошей пластичностью.

Недостаток выше описанного способа термической обработки заключается в том, что для технически чистых титановых сплавов, каким является титан марки ВТ 1-0, предложенный способ не обеспечивает повышения механических свойств из-за низкого содержания легирующих элементов и примесей.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа обработки титана марки ВТ 1-0, т.е. увеличение прочности титана марки ВТ 1-0 в сочетании с повышенной пластичностью.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности титана марки ВТ 1-0 в сочетании с повышенной пластичностью и тем самым повышения уровня механических свойств изделий из данного титана, в частности упругопластических параметров, термической и термомеханической устойчивости изделий.

Решение задачи обеспечивается предложенным способом обработки титана марки ВТ 1-0, включающим нагрев, выдержку и охлаждение. Причем нагрев проводят до температуры, превышающей температуру полиморфного превращения, выдержку осуществляют при температуре в течении 10-15 минут, охлаждение ведут в хладагенте со скоростью 300°C/с, после чего осуществляют старение под нагрузкой при температуре 18-25°C, напряжении, не превышающем предела текучести при температуре старения, и времени, необходимом для выхода на устойчивую скорость релаксационного процесса.

Способ осуществляется следующим образом.

Образец из титана марки ВТ 1-0 нагревают до температуры, превышающей температуру полиморфного превращения ~1000°C, выдерживают при данной температуре в течении 10-15 минут, проводят охлаждение - закалку в хладагенте со скоростью 300°C/c с последующим старением под нагрузкой при температуре 18-25°C, при напряжении 0,9 σ_0,2, где σ_0,2 - предел текучести - данное напряжение не превышает предела текучести при температуре старения. Продолжительность старения под нагрузкой соответствует времени выхода на устойчивую, т.е. постоянную скорость релаксационного процесса. Тепловое воздействие в указанном интервале температур приводит к увеличению диффузионной подвижности атомов и образованию в этих условиях повышенной концентрации точечных дефектов, т.е. происходит увеличение плотности дефектов. Быстрое охлаждение, т.е. закалка в воду со скоростью 300°C/с не только способствует обратному фазовому «β-α» переходу, но и фиксирует в структуре титанового сплава повышенную концентрацию дефектов [Кимура Г., Маддин Р. Влияние закаленных вакансий на механические свойства металлов и сплавов / В кн. «Дефекты в закаленных металлах» // Под ред. д.т.н. А.А.Цветаева. Перевод с англ. В.Н.Бобенко, И.В.Кирилова - М.: Атомиздат, 1969, с.188-270]. Последующий после закалки процесс старения при комнатной температуре под нагрузкой, не превышающей предела текучести σ_0,2 при температуре старения, способствует упорядочению концентрационного распределения дефектов в сплаве, закреплению ими дислокации и тем самым обеспечивает улучшение прочности и повышение пластичности титана.

Пример.

Для изготовления образцов использовали лист из титана ВТ 1-0 толщиной 2 мм в состоянии поставки и отжигали в течение 1 часа при 700°C.

При этом механические свойства были следующие:

σ_в=278 МПа; δ=56%, где σ_в - статическая прочность, δ - пластичность.

На электроэрозионной установке «Sodick AQ 300 L» вырезали образцы виде лопаток с размерами рабочей части 2×2×12 м. Нагрев образцов осуществляли в муфельной печи до температуры 1000°C и выдерживали при данной температуре в течении 10-15 минут, после чего проводили закалку в воде при 20°C со скоростью 300°C/с.

Механические свойства заготовок после закалки:

σ_в=650 МПа; δ=37%; ψ=68, где σ_в - предел прочности.

Старение закаленных образцов осуществлялось на универсальной напольной электромеханической испытательной машине «INSTRON 5882» при скорости нагружения 1,5 мм/мин при комнатной температуре под нагрузкой σ_н=0,9 σ_0,2. Здесь σ_н - нагрузка на образец; σ_0,2 - предел текучести закаленных образцов при комнатной температуре.

Анализируя результаты исследований, приведенные в таблице 1, можно сделать следующие выводы: предложенный способ обработки позволяет увеличить прочностные характеристики с сохранением пластических характеристик в сравнении с результатами обработки по прототипу.

В таблице 1 приведены технологические режимы осуществления описанных способов обработки и полученные при этом показатели механических свойств.