Способ изготовления прутковых заготовок из сплавов на основе интерметаллида титана с орто-фазой

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам изготовления промежуточных заготовок из интерметаллидных титановых сплавов, основанных на орторомбической фазе Ti₂AlNd, которые предназначены для дальнейших операций формоизменения, например для изготовления лопаток компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.

Пожаробезопасные сплавы на основе орторомбического алюминида титана Ti₂AlNb обладают высокими удельными прочностными характеристиками, жаропрочностью и жаростойкостью, сопротивлением ползучести и, в отличие от сплавов на основе алюминидов титана TiAl и Ti₃Al, обладают лучшей технологической пластичностью, что позволяет изготавливать из них различные виды полуфабрикатов. Однако для достижения заданного уровня механических свойств полуфабрикатов на основе орто-фазы необходима тщательная проработка структуры на этапе деформации заготовок.

Известен способ производства жаропрочного орто-сплава состава Ti-12Al-11Nb-2Mo-1Fe (ат. %) + 0,1 (масс. %) В (патент JP 2011052239), который включает получение полуфабриката путем ковки в (α₂+В2)- или В2-области и последующий отжиг при температуре В2-области, в результате чего в материале формируется пластинчатая (O+В2)-структура. Недостатком этого способа является низкая прочность (σ_в=845 МПа) и пластичность (δ=4,3%) полуфабриката при комнатной температуре вследствие плохой деформационной проработки исходной литой структуры, что делает невозможным применение данного полуфабриката для изготовления деталей ответственного назначения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Способ изготовления поковок дисков из сплава алюминида титана на основе орто-фазы» (патент РФ 2520924), который включает нагревы, предварительную деформацию слитка, окончательную деформацию заготовки и заключительную термообработку. Однако этот способ не всегда обеспечивает получение однородной структуры по сечению полуфабриката вследствие небольших степеней деформации, которые в первую очередь влияют на преобразование структуры в приповерхностных слоях, оставляя практически неизмененную (литую) структуру в центре полуфабриката.

Задачей изобретения является обеспечения стабильных характеристик прочности и пластичности при комнатной и повышенной температурах в прутковых заготовках из сплава на основе орторомбического алюминида титана Ti₂AlNb за счет создания однородной по сечению мелкодисперсной структуры.

Техническим результатом является получение в промышленных условиях прутковых заготовок с однородной дисперсной структурой и требуемым уровнем свойств.

Решение поставленной задачи достигается тем, что способ изготовления прутковых заготовок из сплавов на основе интерметаллида титана с орто-фазой, включающий нагрев и предварительную деформацию слитка с получением заготовки, промежуточную и окончательную деформацию заготовки и заключительную термообработку, причем промежуточную деформацию заготовки осуществляют осадкой со степенью 25-40% проведением от 2 до 5 деформаций, совмещенных с прессованием со степенью 55-70%, при этом нагрев заготовки перед первой их промежуточных деформаций проводят ступенчато до температуры Тпп+(100-200)°С с выдержкой 2-3 часа, а каждую последующую из промежуточных деформаций проводят при температуре на 50-100°С ниже предыдущей с выдержкой на 0,5-1 час меньше, чем на предыдущей, а последнюю из промежуточных деформаций проводят при температуре Тпп-(20-50)°С, причем окончательную деформацию заготовки осуществляют ковкой с суммарной степенью не более 30% при температуре Тпп-(80-120)°С.

Предварительную деформацию слитка проводят, преимущественно, осадкой и ковкой с суммарной степенью деформации 70-80% при температуре Тпп+(100-200)°С.

Проведение от 2 до 5 промежуточных деформаций осадкой со степенью 25-40%, совмещенных с прессованием со степенью 55-70% после ступенчатого нагрева заготовки до температуры Тпп+(100-200)°С и выдержки 2-3 часа, позволяет преобразовать структуру во всем объеме полуфабриката.

Нагрев до температуры деформации необходимо проводить ступенчато, т.к. сплавы на основе алюминида титана Ti₂AlNb чувствительны к скорости нагрева вследствие низкой теплопроводности. При ускоренном нагреве в материале могут возникать большие термические напряжения, приводящие к короблению и даже растрескиванию заготовок.

Сплавы на основе интерметаллида титана Ti₂AlNb с высоким содержанием ниобия обладают более высокой технологической пластичностью по сравнению со сплавами на основе алюминидов титана TiAl и Ti₃Al, но более низкой по сравнению с промышленными жаропрочными сплавами на основе титана (ВТ18У, ВТ25У, ВТ8 и т.д.). Низкая технологичность обусловливает применение небольших степеней деформации в процессе ковки при повышенных температурах, чтобы не происходило растрескивание материала. Однако малые степень деформации в основном сосредотачиваются в приповерхностных слоях, в которых, вследствие накопления дефектов кристаллического строения, протекает динамическая рекристаллизации, что приводит к измельчению структуры за счет образования и роста рекристаллизованных β-зерен. В то же время структура внутренних областей полуфабриката остается практически не преобразованной (крупные исходные β-зерна и крупнопластинчатые выделения О-фазы). Использование в едином цикле осадки и прессования с заявленными степенями деформации обеспечивает лучшую проработку структуры по всему объему полуфабриката.

Каждая последующая промежуточная деформация проводится при температуре на 50-100°С ниже предыдущей с выдержкой на 0,5-1 час меньше предыдущей, что обеспечивает получение более мелкого β-зерна за счет протекания процессов динамической рекристаллизации. Однако в процессе охлаждения до комнатной температуры происходит выделение α₂ и О-фаз, имеющих пластинчатую морфологию вследствие больших объемных эффектов превращения, кроме того, выделение данных фаз вначале происходит по границе исходного β-зерна, образуя так называемую «оторочку», что существенно снижает пластичность материала и ударную вязкость. Заявленное понижение температуры каждой последующей промежуточной деформации с заявленной выдержкой, определенными экспериментально, приводит к сохранению в структуре α₂ и О-фаз, в которых в процессе деформации происходит накопление дефектов кристаллического строения, что вызывает протекание процессов полигонизации и начальных стадий деления пластин, что способствует «разбиению оторочки» по границе исходного β-зерна.

Экспериментально установленные параметры окончательной деформации - ковки с суммарной степенью не более 30% при температуре Тпп-(80-120)°С - обеспечивают накопление дефектов кристаллического строения в пластинах О-фазы, в которых при последующей термической обработке, предпочтительно при двухступенчатом отжиге, протекают процессы полигонизации и глобуляризации, что способствует формированию однородной по объему полуфабриката дисперсной структуры, не содержащей «оторочки».

Предварительную деформацию слитка проводят осадкой в торец со степенью 20-25% (коэффициент осадки 1,35-1,45) и ковкой по образующей с суммарной степенью 70-80% (коэффициент укова 4,7-4,9) при температуре Тпп+(100-200)°С, что обеспечивает первичное объемное преобразование структуры и устранение литейной микропористости.

Результат осуществления изобретения поясняется графическим изображением, на котором показана микроструктура образцов из сплава на основе интерметаллида титана Ti₂AlNb после деформации (а) и термической обработки (б).

Пример.

Тройным вакуумно-дуговым переплавом был получен слиток ∅340×810 мм следующего химического состава, масс. %:

Предварительную деформацию слитка в контейнере ∅385×1050 мм проводили осадкой при температуре 1180°C со степенью 23% (коэффициент осадки 1,4) до ∅450 мм, а затем ковкой при температуре 1180°C с суммарной степенью деформации 76% (уков 4,2) до ∅220 мм.

Нагрев под первую промежуточную деформацию заготовки проводили ступенчато от 300°C с печью до температуры 550°C с выдержкой 1 час, далее нагрев с печью до 850°C с выдержкой 1 час, затем нагрев с печью до 1150°C. После изотермической выдержки при температуре 1150°C в течение 2,5 часов первую промежуточную деформацию заготовки проводили осадкой (распрессовкой) кованой заготовки ∅200 мм со степенью 30% (коэффициент осадки 1,45) до ∅240 мм, совмещенной с прессованием заготовки со степенью 58% (коэффициент вытяжки 2,4) до ∅155 мм.

Нагрев под вторую промежуточную деформацию заготовки проводили до 1070°C. Вторую промежуточную деформацию заготовки ∅155 мм проводили осадкой (распрессовкой) со степенью 30% (коэффициент осадки 1,4) до ∅180 мм, совмещенной с прессованием прутка со степенью 65% (коэффициент вытяжки 2,9) до ∅105 мм.

Нагрев под третью промежуточную деформацию заготовки проводили до 1010°C. Третью промежуточную деформацию заготовки ∅105 мм проводили осадкой (распрессовкой) со степенью 35% (коэффициент осадки 1,4) до ∅130 мм, совмещенной с прессованием прутка со степенью 68% (коэффициент вытяжки 3,0) до ∅75 мм.

Окончательную деформацию ковкой заготовки ∅75 мм проводили со степенью 25% (коэффициент укова 1,3) при температуре 980°C до ∅65 мм.

После деформации заготовку подвергали двухступенчатой термической обработке - сначала при температуре 900°C, с выдержкой 2,5 часа, охлаждение на воздухе до комнатной температуры, затем - нагрев до температуры 850°C, с выдержкой 12 часов и охлаждением на воздухе до комнатной температуры.

Деформация по предложенному способу и заключительная термическая обработка обеспечивают в заготовке формирование однородной дисперсной структуры (показано на фиг.), которая позволила получить высокий уровень прочностных и пластических характеристик прутковой заготовки при комнатной и повышенной температурах (табл.).

Таким образом, предлагаемый способ деформационной обработки прутковых заготовок из сплава на основе орторомбического алюминида титана Ti₂AlNb и последующая термическая обработка позволяют получить стабильные характеристики прочности и пластичности при комнатной и повышенной температурах за счет создания однородной по сечению мелкодисперсной структуры.