Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛИТ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке двухфазных титановых сплавов с повышенной вязкостью разрушения, и может найти применение в авиационной промышленности, а также машиностроении.

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на разработку технологии и выбор обработки титановых сплавов, является полиморфное α↔β превращение, кроме сплавов с термически стабильной β-фазой, когда при нагреве до определенной температуры сплав полностью переходит в однофазное β-состояние. Температура полного полиморфного превращения α+β→β у большинства промышленных титановых сплавов находится в интервале 850-1020°С и зависит от содержания легирующих компонентов и примесей. Нагрев до температур, соответствующих β-области, и дальнейшее повышение температуры сопровождается значительным повышением пластичности, особенно при деформировании литого металла, снижением сопротивления деформации. Однако в большинстве случаев деформация в β-области не дает возможности получить структуру с высокими эксплуатационными свойствами. Оптимальная структура может быть получена при деформации в α+β-области, но пластичность металла в этом интервале температур значительно ниже, сопротивление деформированию резко возрастает. В практике промышленного производства это противоречие преодолевается при осуществлении деформации в две стадии: деформации на первом этапе в β-области и последующая деформация α+β-области. Степени деформации на этих стадиях подбирают исходя из заданного общего формоизменения металла при изготовлении изделия, однако минимальные их значения на первой стадии определяются необходимостью получения потребной макроструктуры, на второй стадии - получением оптимальной микроструктуры. Применительно к различным видам сплавов этот принцип реализуется в различных вариантах по степеням и температурам деформации.

Предельными типами структур α и α+β-сплавов являются глобулярная и пластинчатая. Именно эти структуры определяют возможный диапазон изменения различных показателей механических свойств этих сплавов. При глобулярной структуре указанные сплавы, особенно двухфазные, обычно имеют максимальную пластичность, кратковременную прочность, ударную вязкость и сопротивление усталости. Пластинчатая структура в основном обеспечивает наиболее высокую жаропрочность, вязкость разрушения и сопротивления развитию трещин.

Диапазоны изменения различных механических свойств, в зависимости от изменения каждого типа структуры титановых сплавов весьма, значительны (В.К.Александров и др., Полуфабрикаты из титановых сплавов. - М., ОНТИ ВИЛС, 1996 г., стр.68-76).

В связи с применением титановых сплавов для изготовления крупных и тяжело нагруженных деталей и элементов конструкций, например в авиации, резко возросло значение коэффициента вязкости разрушения К1с (характеризует сопротивляемость распространению трещин) как расчетной и контрольной характеристики. При этом необходимо сохранить высокое сочетание данного коэффициента и механических свойств (предел текучести, предел прочности, относительное удлинение, относительное сужение и пр.) в конечном получаемом изделии.

Известен способ обработки двухфазных титановых сплавов, включающий нагрев до температуры β-области, охлаждение до комнатной температуры, нагрев и изотермическую деформацию при температуре α+β-области охлаждение и последующее старение (А.С. №956610, C22F 1/18, публ. 07.09.1982 г.).

Недостатком данного способа является то, что способ предназначен для изготовления штампованных изделий, и его трудно реализовать при изготовлении плит.

Известен способ изготовления плит из титановых сплавов, нагрев слябов до температуры прокатки, предварительную прокатку, которую осуществляют в две стадии, на первой из которой сляб нагревают до температуры на 30-40°С ниже температуры полиморфного превращения и прокатывают с обжатиями 3-6% до суммарной степени деформации 20-30%, на второй стадии прокатку проводят до суммарной степени деформации 15-90%, нагревая раскат перед началом деформации до температуры на 60-130°С выше температуры полиморфного превращения, а окончательную прокатку осуществляют в α+β-области за 2-4 приема с суммарной степенью деформации в одном направлении не более 75% при температуре раската перед каждой прокаткой на 30-200°С ниже температуры полиморфного превращения, а перед окончательной прокаткой проводят отжиг раската при температуре на 30-50°С ниже температуры полиморфного превращения (патент РФ №2169791, МПК С22F 1/18, публ. 27.06.2001 г.) - прототип. Изготовленные плиты имеют однородную мелкозернистую макро- и микроструктуру, обеспечивающую высокие стабильные показатели механических свойств, а также их минимальную анизотропию.

Недостатком данного способа является то, что данный процесс нацелен только на получение высокого уровня прочностных свойств и, как следствие этого, формирует однородную мелкозернистую глобулярную структуру плит. Напротив известно, что сплавы с крупнозернистой пластинчатой микроструктурой создают наибольшую безопасность при эксплуатации изделий массивного сечения, в частности элементов конструкции планеров самолета, так как обеспечивают более высокие показатели критерия К1с.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение в производимых плитах высокого уровня вязкости разрушения (К1с) при сохранении высокого комплекса других механических свойств.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении оптимального размера зерен при деформировании сплава в β-области (D), получении однородной глобулярно-пластинчатой микроструктуры при его последующем деформировании в α+β-области и термической обработке в β-области, при которой образуется вторичная β-превращенная структура, внутризеренное строение которой характеризуется наличием пластин α-фазы, имеющих одинаковую ориентировку в пределах отдельных фрагментов-колоний.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления плит из двухфазных титановых сплавов, включающем нагрев сляба до температуры прокатки, предварительную прокатку, нагрев раската до температуры прокатки, окончательную прокатку и отжиг, предварительную прокатку осуществляют в β-области, нагревая заготовку до температуры на 60-120°С выше температуры полиморфного превращения с суммарной степенью деформации 30-90%, а окончательную прокатку осуществляют в две стадии в α+β-области с суммарной степенью деформации 60-75% при температуре раската на 30-50°С ниже температуры полиморфного превращения, после чего проводят два отжига: первый в β-области при температуре на 20-40°С выше температуры полиморфного превращения в течение 0,5-1 часа и окончательный отжиг при температуре 710-750°С.

В процессе предварительной прокатки в β-области при начальной температуре заготовки на 60-120°С выше температуры полиморфного превращения с суммарной степенью деформации 30-90% происходит формоизменение изделия, при котором сохраняется первоначальная макроструктура, свойственная слябу, деформированному в β-области с размером β-зерен (D) в пределах 0,5-10 мм.

Нагрев сляба до температуры ниже чем (Т_ПП-60)°С приводит к снижению пластических характеристик сплава и появлению трещин при последующей прокатке.

Нагрев сляба до температуры выше чем (Т_ПП+120)°С приводит к большей величине газонасыщенного слоя и, как следствие, образованию поверхностных трещин в процессе охлаждения полосы при прокатке.

Величина степени деформации при первой прокатке определяется из условия обеспечения суммарной степени деформации 60-75% при последующих двух прокатках в α+β-области.

В процессе окончательной двухстадийной деформации в α+β-области с суммарной степенью деформации, равной 60-75%, при температуре раската на 30-50°С ниже температуры полиморфного превращения происходит формирование глобулярно-пластинчатой микроструктуры, и металлу сообщается достаточное количество скрытой энергии полугорячего наклепа, являющейся движущей силой процесса рекристаллизации β-фазы при окончательном отжиге в β-области на 20-40°С выше Т_ПП.

Нагрев раската до температуры ниже (Т_ПП-50)°С перед второй и третьей прокаткой и прокатка с этих температур приводит к росту сопротивления деформации и появлению трещин.

Нагрев раската до температур выше чем (Т_ПП-30)°С приводит к огрублению структуры с возможными случаями перегрева металла. Последующая деформация с этой температуры не обеспечивает достаточного наклепа. Суммарная степень деформации больше 75% приводит к снижению показателей механических свойств в одном направлении и, как следствие, к увеличению анизотропии. Суммарная степень деформации менее 60% приводит к появлению неоднородной структуры и нестабильности механических свойств.

Отжиг в β-области при температуре на 20-40°С выше Т_ПП изменяет внутрезеренное строение, при этом формируется пластинчатая структура, одинаково ориентированная в пределах отдельных фрагментов-колоний с размером β-зерна не более 2 мм.

Отжиг в интервале температур 20-40°С выше Т_ПП и время продолжительностью 0,5-1 часа обеспечивает оптимальное сочетание механических и эксплуатационных свойств сплава (статистические данные).

Окончательный отжиг при температуре 710-750°С обеспечивает снятие внутренних напряжений.

Предлагаемый способ был опробован в условиях листопрокатного цеха предприятия-заявителя при изготовлении опытной партии плит размерами 26×90×3290 мм из титанового сплава Ti-6Al-4V. Температура полного полиморфного превращения сплава Т_ПП=1000°С.

Сляб нагревали в электрической печи до температуры 1080°С (на 80°С выше Т_ПП), прокатку проводили на стане кварто 2000 с суммарной степенью деформации 62%. Вторую и третью прокатку осуществляли с температуры нагрева 960°С (на 40°С ниже Т_ПП) с суммарной степенью деформации 71%. После окончательной прокатки произвели отжиг раската в β-области при температуре 1040°С в течение 0,5 часа и вторую ступень отжига при температуре 730°С.

На фиг.1 показана типичная микроструктура плит сплава Ti6A14V:

- а, б - вдоль прокатки;

- в, г - поперек прокатки.

На фиг.2 показана типичная макроструктура (х1) плит сплава Ti6A14V в поперечном направлении

Механические и служебные свойства плит приведены в таблице.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления плит из двухфазных титановых сплавов позволяет получать плиты, которые обеспечивают высокие стабильные показатели механических и служебных свойств.