патент
№ RU 2369661
МПК C22F1/18

СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Авторы:
Каблов Евгений Николаевич Хорев Анатолий Иванович Ночовная Надежда Алексеевна
Все (9)
Правообладатель:
Все (2)
Номер заявки
2007143893/02
Дата подачи заявки
28.11.2007
Опубликовано
10.10.2009
Страна
RU
Дата приоритета
16.06.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Реферат

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в авиакосмической и ракетной технике для изготовления пилонов двигателя и силовых конструкций носовых обтекателей ракет, эксплуатируемых в условиях повышенных температур. Изобретение направлено на повышение предела прочности при повышенных температурах (σв 300), предела длительной прочности (σ50ч 300, σ100ч 300) и уменьшение дисперсии механических свойств поперек, вдоль и по высоте титановых сплавов. Обработку титановых сплавов проводят в десять стадий с нагревом до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацией. На первых трех стадиях деформацию проводят в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки на каждом этапе. Деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° от двух до семи раз. После десятой стадии проводят старение при температуре ! (Тпп-320÷Тпп-520)°С с выдержкой от 2 до 10 часов. Перед старением проводят закалку при температуре ! (Тпп-120÷Тпп-230)°С с охлаждением в воде или на воздухе. Изобретение позволит повысить прочность на 15-20%, уменьшить дисперсию механических свойств в 3-4 раза, снизить массу деталей на 15-20% и повысить эксплуатационную надежность работы конструкций. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Формула изобретения

1. Способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформации, отличающийся тем, что термомеханическую обработку проводят в десять стадий, при этом на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Тпп+250÷Тпп+280)°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
пп+160÷Тпп+230)°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 третьей стадии - нагрев до температуры (Тпп+70÷Тпп+150)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 15-40% на каждом этапе деформации, на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10÷Тпп-30)°С, деформацию со степенью 20-45%, на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+60÷Тпп+120)°С, деформацию со степенью 25-70%, на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10÷Тпп-30)°С, деформацию со степенью 15-40%, на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+40÷Тпп+100)°С, деформацию со степенью 20-60%, на восьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10÷Тпп-30)°С, деформацию со степенью 15-40%, на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+20÷Тпп+80)°С, деформацию со степенью 20-55%, на десятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10÷Тпп-40)°С, деформацию со степенью 15-50%, где Тпп - температура полного полиморфного превращения, при этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформации на 90° от двух до семи раз.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после десятой стадии проводят старение при температуре (Тпп-320÷Тпп-520)°С с выдержкой 2-10 ч.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перед старением проводят закалку при температуре (Tпп-120÷Тпп-230)°C, охлаждение в воде или на воздухе.

Описание

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке титановых сплавов, используемых в авиакосмической и ракетной технике для изготовления пилонов двигателя и силовых конструкций носовых обтекателей ракет, эксплуатируемых в условиях повышенных температур.

Известен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий:

- нагрев до температуры (1050-1200)°С (Тпп+120÷Тпп+270)°С, деформацию в процессе охлаждения до 850°С (Тпп-40)°С;

- нагрев до температуры (880-1050)°С (Тпп-50÷Тпп+120)°C; охлаждение в процессе деформации до температуры 750°С (Тпп-180)°С, где Тпп=920°С (Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. Полуфабрикаты из титановых сплавов. М.: ОНТИ ВИЛС, 1996 г., с.371).

Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств сплавов, обработанных данным способом.

Известен также способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий нагрев в β-области выше температуры полиморфного превращения, деформацию в процессе охлаждения до температуры на (30-70)°С ниже температуры полиморфного превращения, охлаждение, повторный нагрев в двухфазной области, повторную деформацию в этой области в процессе охлаждения, повторное охлаждение, окончательный нагрев в двухфазной области, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что с целью повышения механических свойств деформацию проводят в β- и (α+β)-областях с одинаковой степенью, равной 40-60%, повторный нагрев осуществляют до температуры на 20-40°С ниже температуры полиморфного превращения, повторную деформацию проводят со степенью 25-35% при охлаждении до температуры на 100-130°С ниже температуры полиморфного превращения, повторное охлаждение после деформации осуществляют до температуры на 180-280°С ниже температуры полиморфного превращения; после чего дополнительно повторяют последний цикл нагрева и деформации в процессе охлаждения в тех же условиях, а охлаждение после деформации в этом цикле проводят до комнатной температуры; окончательный нагрев осуществляют до температуры на 100-300°С ниже температуры полиморфного превращения (а.с. СССР 1740487).

Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств сплавов, обработанных данным способом.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформацию в процессе охлаждения до температуры ниже температуры полиморфного превращения, выдержку и охлаждение, в котором термомеханическую обработку проводят в шесть стадий, при этом на первых пяти стадиях осуществляют:

- нагрев до температуры (Тпп+120÷Тпп+270)°С, деформацию со степенью (50-70)% при охлаждении до (Тпп-40÷Тпп-100)°С;

- нагрев до температуры (Тпп+60÷Тпп+160)°С, деформацию со степенью (40-60)% при охлаждении до (Tпп-100÷Tпп-180)°C;

- нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп-40)°С, деформацию со степенью (10-30)% при охлаждении до (Тпп-140÷Тпп-160)°С;

- нагрев до температуры (Тпп+20÷Тпп+50)°С, деформацию со степенью (40-60)% при охлаждении до (Тпп-110÷Тпп-130)°С;

- нагрев до температуры (Тпп+20÷Тпп+50)°С, деформацию со степенью (30-70)% при охлаждении до (Тпп-110÷Tпп-130)°C;

затем, на шестой стадии, проводят нагрев до температуры (Тпп-400÷Тпп-500)°С с выдержкой в течение (5-20) часов, где Тпп - температура полиморфного превращения (патент РФ №2219280).

Недостатками прототипа являются то, что титановые сплавы, обработанные этим способом, обладают пониженными механическими свойствами и повышенной дисперсией механических свойств при повышенных температурах.

Технической задачей изобретения является повышение предела прочности при повышенных температурах (σв300), предела длительной прочности (σ50ч300, σ100ч300) и уменьшение дисперсии механических свойств (поперек, вдоль, по высоте) титановых сплавов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термомеханической обработки титановых сплавов, включающий многократные нагревы до температуры выше и ниже температуры полиморфного превращения и деформации, в которых термомеханическую обработку проводят в десять стадий, при этом:

на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Тпп+250÷Тпп+280)°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 (Тпп+160÷Тпп+230)°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 третьей стадии - нагрев до температуры (Тпп+70÷Тпп+150)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 15÷40% на каждом этапе деформации;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10÷Тпп-30)°С, деформацию со степенью 20-45%;

на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+60÷Тпп+120)°С, деформацию со степенью 25-70%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10÷Тпп-30)°С, деформацию со степенью 15-40%;

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+40÷Тпп+100)°С, деформацию со степенью 20-60%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Tпп-10÷Тпп-30)°С, деформацию со степенью 15-40%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+20÷Тпп+80)°С, деформацию со степенью 20-55%;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10÷Тпп-40)°С, деформацию со степенью 15-50%, где Тпп - температура полного полиморфного превращения;

при этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° от двух до семи раз.

После десятой стадии может проводиться старение при температуре (Тпп-320÷Тпп-520)°С с выдержкой 2-10 часов, или перед старением может проводиться закалка при температуре (Тпп-120÷Тпп-230)°С с охлаждением в воде или на воздухе.

В процессе первых трех стадий обработки проводится всесторонняя ковка с изменением направления деформации, которая в отличие от ковки в одном направлении обеспечивает создание однородного химического состава и структурно-фазового состояния во всем объеме заготовки и формирования мелкозернистой β-структуры. При трех стадиях всесторонней ковки происходит диффузионная сварка под давлением границ различно ориентированных раковин и пустот. При последующих нагревах происходит диффузия повышенной концентрации примесей, образованных на границах сварки, в глубину металла, чем обеспечивается химическая однородность по примесям и легирующим элементам.

При последующих четвертой и пятой стадиях обработки проводится фазовая перекристаллизация, включающая деформацию в (α+β)-области на четвертой стадии и последующий нагрев в β-области с деформацией на пятой стадии. Фазовая перекристаллизация проводится второй (шестая и седьмая стадии) и третий (восьмая и девятая стадии) раз, при этом температура нагрева в β-области снижается от пятой к седьмой и девятой стадиям, что обеспечивает получение сверхмелкозернистой структуры.

На десятой стадии при деформациях в (α+β)-области измельчается пластинчатая структура внутри зерна, деформируется граница β-зерен, что формирует структуру, обеспечивающую получение высокого уровня механических свойств, особенно при повышенных температурах.

Проведение всех десяти стадий термомеханической обработки обеспечивает создание сплава с высоким уровнем механических свойств и уменьшенной дисперсией свойств при повышенных температурах.

Примеры осуществления

Были изготовлены образцы из титановых сплавов, например ВТ23 и ВТ43, обработанные предлагаемым способом термомеханической обработки (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям.

Пример 1

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Тпп+250)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Тпп+160)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 20% на каждом этапе деформации;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Тпп+70)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 15% на каждом этапе деформации;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 20% (первое изменение направления);

на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+60)°С, деформацию со степенью 25%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10)°С, деформацию с изменением направления деформирования на 90° со степенью 15%(второе изменение направления);

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+40)°С, деформацию со степенью 20%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10)°С, деформацию со степенью 15%;

на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+20)°С, деформацию со степенью 20%;

на десятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-10)°С, деформацию со степенью 15%.

При этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° на четвертой и шестой стадиях (два раза).

Пример 2

На первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Тпп+280)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Тпп+230)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 50% на каждом этапе деформации;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Тпп+150)°С, деформацию в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 40% на каждом этапе деформации;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп-30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 45% (первое изменение направления);

на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+120)°С, деформация со степенью 70%;

на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп-30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% (второе изменение направления);

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+100)°С, деформация со степенью 60%;

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп-30)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% (третье изменение направления);

на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+80)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 55%(четвертое изменение направления);

на десятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-40)°С, деформация со степенью 50%;

затем проводят старение при температуре (Тпп-420)°С с выдержкой 6 часов.

При этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° на четвертой, шестой, восьмой и девятой стадиях (4 раза).

Пример 3

На первой стадии - нагрев до температуры (Тпп+270)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 35% на каждом этапе деформации;

на второй стадии - нагрев до температуры (Тпп+200)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 40% на каждом этапе деформации;

на третьей стадии - нагрев до температуры (Тпп+100)°С, деформация в четыре этапа с изменением направления на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30% на каждом этапе деформации;

на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% (первое изменение направления);

на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+90)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 50% (второе изменение направления);

на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% (третье изменение направления);

на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+70)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 40% (четвертое изменение направления);

на восьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 25% (пятое изменение направления);

на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+50)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 35% (шестое изменение направления);

на десятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20)°С, деформация с изменением направления деформирования на 90° со степенью 30% (седьмое изменение направления);

затем проводят закалку при температуре (Тпп-170)°С (охлаждение в воде или на воздухе) и старение при температуре (Тпп-420)°С с выдержкой 6 часов.

При этом деформацию на стадиях с четвертой по десятую осуществляют в один этап с изменением направления деформирования на 90° на четвертой, пятой, шестой, седьмой, восьмой, девятой и десятой стадиях (7 раз).

В таблице приведены механические свойства образцов из титановых сплавов, обработанных по предлагаемому способу (1-3) и способу-прототипу (4).

Предлагаемый способ термомеханической обработки титановых сплавов позволит повысить предел прочности при 300°С (σв300), предел длительной прочности (σ50ч300, σ100ч300) и уменьшит дисперсию механических свойств (поперек, вдоль, по высоте) изделий из титановых сплавов.

Использование предлагаемого способа термомеханической обработки позволит повысить прочность на 15-20%, уменьшить дисперсию механических свойств в 3-4 раза, снизить массу деталей на 15-20% и повысить эксплуатационную надежность работы конструкций.

Таблица
ВТ23 (Тпп=920°С)
попереквдольпо высоте
σв300σ50ч300σ100ч300σв300σ50ч300σ100ч300σв300σ50ч300σ100ч300
1125011401100124711371097125211421102
2125511501115125211411102125711481107
3125311541105125011391101125411521106
4108090287010459408101087961924
ВТ43 (Тпп=910°С)
1129011951162125211701165125911591117
2130212071178125811751174127211721103
3130012021171125611681162126711651156
4108593190710699638771120982926

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты