Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИСТОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА Ti-6Al-4V

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способу изготовления тонких листов из высокопрочного титанового сплава Ti-6Al-4V методом рулонной прокатки, которые могут быть использованы в приборостроении, аэрокосмической технике, а также в медицине.

Известен способ изготовления листовых полуфабрикатов из технического титана, включающий предварительную обработку заготовки, холодную прокатку и отжиг, при котором предварительную обработку ведут на структуру с субмикронным размером зерен, прокатку ведут за несколько проходов до получения полуфабриката заданной толщины или твердости, при этом отжиг осуществляют перед прокаткой и/или между проходами при температуре ниже температуры начала рекристаллизации

t_нр, с уменьшением твердости на величину, компенсируемую при последующей прокатке (патент РФ №2224046, МПК C22F 1/18, публ. 2004.02.20).

Особенностью данного способа является то, что он специализирован для изготовления листовых полуфабрикатов из технического титана (а-сплавы), а также требует трудоемкую предварительную обработку для получения в заготовке под прокатку структуры с субмикронным размером зерен.

Известен способ изготовления тонких листов из высокопрочных титановых сплавов, в частности, из двухфазного титанового сплава Ti-6Al-4V, включающий операции подготовки заготовки и горячую деформацию пакета заготовок в оболочке, исходную заготовку с размером зерна α-фазы не более 2 мкм получают методом горячей прокатки кованого или штампованного сляба с относительной толщиной h₃/h_k=8,0-10,0, где h₃ - толщина исходной заготовки перед пакетной прокаткой, мм, h_k - конечная толщина готовых листов, мм, затем охлаждают со скоростью 200-400°С/мин, а последующую термомеханическую обработку проводят в квазиизотермических условиях методом горячей прокатки пакета заготовок, помещенных в стальной кейс, в продольном и поперечном направлениях с разворотом на 90°, причем изменение направления прокатки осуществляют при достижении суммарной степени деформации в одном направлении 60-70% (патент РФ №2250806, МПК F21B 1/83, публ. 2005.04.27) - прототип.

Предлагаемый способ позволяет на существующем промышленном оборудовании без капитальных дополнительных затрат изготавливать тонкие крупногабаритные листы с заданной микрокристаллической структурой и комплексом механических свойств.

Недостатком данного способа является значительное усложнение технологического процесса, обусловленное появлением трудоемких дополнительных технологических операций, связанных с подготовкой заготовки и горячей деформацией пакета заготовок в оболочке, и, как следствие этого, относительно низкий выход годного, высокие трудозатраты и затраты электроэнергии.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является получение качественного листового полуфабриката из высокопрочного титанового сплава марки Ti-6Al-4V с повышенным выходом годного при минимальных трудовых и энергетических затратах.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в приобретении изделиями, изготовленным методом рулонной холодной прокатки из вышеуказанного сплава, микроструктуры, которая обеспечивает им высокий уровень и однородность прочностных и усталостных характеристик.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения листов из титанового сплава Ti-6Al-4V, включающем предварительную обработку слитка, резку листов и отделочные операции, при этом предварительную обработку слитка проводят последовательной ковкой или штамповкой слитка в β или в α+β областях с получением сляба, сляб прокатывают в черновой клети при температуре металла (Tпп+100)^±10°C с суммарной степенью деформации 80-95% и в чистовой клети при температуре металла (Tпп+30)^±10°C с суммарной степенью деформации 60-85% с получением полосы и ее смоткой в рулон, с последующим травлением и отжигом, затем проводят холодную прокатку полосы за несколько циклов до получения полосы заданной толщины и микроструктуры со смоткой ее в рулон с последующим отжигом и травлением, при этом в каждом цикле холодную прокатку ведут с суммарной степенью деформации 10-25%, отжиг проводят при температуре (Тпп 100…170)^±10°C, а на последнем цикле отжиг осуществляют при температуре (Тпп 170…220)^±10°C, где Тпп - температура полиморфного превращения сплава. Суть предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Первая ковка слитка в сляб при температурах β, (α+β)-области разрушает литую структуру и позволяет предварительно подготовить микроструктуру (измельчить зерно) для последующей прокатки сляба в β-области.

Прокатка в β-области и последующий отжиг имеют цель - формирование структуры, в которой исходное β-зерно вытянуто вдоль направления прокатки, а его внутризеренная структура состоит из вторичных α-пластин. При этом вторая горячая прокатка в чистовой клети позволяет сформировать приемлемые геометрические размеры заготовки для последующей холодной прокатки. Термомеханические режимы горячей прокатки подобраны опытным путем.

Холодная прокатка с последующим отжигом при температуре (Тпп 100…220)^±10°C за несколько циклов позволяет трансформировать грубую крупнозернистую пластинчатую структуру в мелкозернистую глобулярную, представляющую округлые частицы α-фазы размером 2-5 мкм в β-матрице. Холодная прокатка в рулоне производится с суммарной степенью деформации за одну прокатку 10-25%, что является необходимым для завершения преобразования крупнозернистой пластинчатой структуры в глобулярную мелкозернистую. При деформации выше 25% возможно образование трещин по краям заготовки. Последний отжиг производится при температуре (Тпп 170…220)^±10°C с целью предотвращения роста зерен.

Изобретение иллюстрируется следующими материалами.

Фиг.1 - показана микроструктура заготовки после горячей прокатки в чистовой клети из титанового сплава Ti-6Al-4V.

Фиг.2 - микроструктура листов из титанового сплава Ti-6Al-4V, изготовленных методом рулонной прокатки.

Возможность осуществления изобретения поясняется примером изготовления листов из титанового сплава Ti-6Al-4V габаритами 1,524×914×2438, изготовленных методом рулонной холодной прокатки.

Сляб был изготовлен штамповкой слитка в β-области из сплава Ti-6Al-4V, размерами 270×1070×1600, Тпп=980°С.

В печи СРЗ 20.80 сляб нагрели на температуру 1080°С. На стане 2000 горячей прокатки (черновая клеть) сляб был выкатан на полосу толщиной 14 мм и длиной 30 м. После обрезки переднего и заднего конца полосу нагрели в проходной рольганговой газовой печи на температуру 1010°С и на чистовой клети стана 2000 (с моталками в печах) выкатали на толщину 4,0 мм и смотали в рулон, протравили и отожгли при температуре 850°С, далее рулон подвергли двойному травлению в агрегате непрерывного травления со съемом 0,1-0,15 мм.

Полученная микроструктура после горячей прокатки и последующего отжига - анизотропная, исходное β-зерно вытянуто вдоль направления прокатки, а внутризеренная структура состоит из вторичных α-пластин (фиг.1).

Далее были последовательно проведены две операции холодной рулонной прокатки, включающие:

- холодную прокатку рулона на стане 2000 холодной прокатки со степенью деформации 20%;

- отжиг рулона в агрегате непрерывного отжига при температуре 850°С после первой прокатки и 780°С - после второй;

- двойное травление в агрегате непрерывного травления со съемом 0,1-0,15 мм.

На этом этапе была сформирована микроструктура листов, а затем проводились адьюстажные отделочные операции по известным схемам,

включающие:

- холодную прогладку рулона на стане 2000 со степенью деформации 2% и травление;

- раскрой рулона на листы и травление в агрегате листового травления;

- обезводораживающий вакуумный отжиг листов;

- прогладка, шлифование, осветление листов и окончательная приемка. Микроструктура полученных листов приведена на фиг.2, где:

а - продольное сечение (×500);

б - продольное сечение (×1000);

в - поперечное сечение (×500);

г - поперечное сечение (×1000).

Результаты исследования микроструктуры приведены в таблице 1.

В таблице 2 приведены механические свойства листов из сплава Ti-6Al-4V, изготовленных по заявленному способу и в соответствии с прототипом (патент РФ №2250806).

Угол изгиба был испытан согласно требованиям AMS-T9046 на оправке диаметром 9t 20,0 мм и составил 180° в продольном и поперечном направлениях.

Материал рулона пригоден для суперпластичной деформации (SPF).

Как видно из таблицы 2 и приведенных данных, тонкие листы, изготовленные из титанового сплава класса Ti-6Al-4V по заявленному способу, имеют близкие прочностные и технологические свойства с аналогичными листами, изготовленными по прототипу.

В таблице 3 приведены выходы годного, трудо- и энергозатраты при производстве 1 тонны листового проката, изготовленного 2 способами: 1 - в соответствии с прототипом, 2 - по заявленному способу.

По сравнению с прототипом при реализации заявленного способа:

- выход годного увеличился в 1,43 раза;

- трудозатраты уменьшились в 3,3 раза;

- затраты электроэнергии уменьшились в 3 раза.