Способ обработки литых заэвтектоидных сплавов на основе алюминидов титана -tial и -ti3al
Реферат
Изобретение относится к области обработки металлов давлением, сплавов на основе алюминидов титана и может быть использовано для получения заготовок, полуфабрикатов и изделий с регламентированной структурой. Способ обработки литых заэвтектоидных сплавов на основе алюминидов титана -TiAl и 2TiзAl, заключающийся в нагреве и деформации в две стадии, причем на первой стадии деформацию заготовки проводят в интервале ТеТе+ТoС, где Те - температура эвтектоидного превращения, Т выбирают из условия сохранения глобулярной составляющей структуры, полученной в процессе деформации, при охлаждении после деформации, скорость деформации выбирают в интервале верхний предел которого ограничен деформируемостью сплава, а нижний условием превалирования процессов рекристаллизации/глобуляризации над процессами возврата, степень деформации 1 выбирают, обеспечивающей уменьшение среднего размера зерен/колоний в заготовке до значений, приводящих к снижению температуры хрупковязкого перехода материала Т* заготовки до Т*<Т, при температуре и скорости деформации, выбранных в указанных интервалах; на второй стадии деформацию заготовки проводят в изотермических условиях в интервале температур Tmin-Те oС, где Тmin - минимальная температура, обеспечивающая деформацию без разрушения со степенью деформации 2 и скоростью деформации которые выбирают из условия обеспечения измельчения размера зерен и 2 частиц за счет процессов рекристаллизации/глобуляризации. Техническим результатом изобретения является получение однородной мелкозернистой структуры с размером зерен менее 5 мкм и 2 частиц менее 1 мкм. 19 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области обработки металлов и сплавов давлением, в частности к обработке давлением заэвтектоидных сплавов на основе алюминидов титана -TiAl (сверхструктура L1o- фаза) и Тi3Аl (сверхструктура DO19-2 фаза), полученных литьем. Оно может быть использовано для получения из этих материалов в промышленных масштабах заготовок, полуфабрикатов и изделий с регламентированной структурой.
Заэвтектоидные сплавы на основе алюминидов титана -TiAl и 2-Ti3Al (далее +2 сплавы) - это новый класс материалов, характеризующийся высокой жаропрочностью и жаростойкостью, стойкостью к окислению и горению, высоким модулем упругости, что в сочетании с низким удельным весом делает их перспективными в качестве высокотемпературных конструкционных материалов для аэрокосмической и автомобильной промышленности. Превосходные природные высокотемпературные свойства этих материалов обусловлены упорядоченной атомной структурой благодаря наличию остронаправленной ковалентной связи между атомами титана и алюминия. Она же является и причиной их хрупкости и низкой обрабатываемости в широком интервале температур. Разработанные к настоящему времени +2 сплавы в исходном литом состоянии имеют обычно пластинчатую структуру. Для макроструктуры слитков характерна протяженная грубозернистая зона столбчатых кристаллов, а для микроструктуры - сильная дендритная ликвация, вызванная двойным каскадом перитектических фазовых реакций. Между пластинами возникают различные типы когерентных и полукогерентных границ, которые являются барьерами для распространения сдвиговой деформации через пластины в широком интервале температур. Поэтому для пластинчатой структуры +2 сплавов характерна сильная пластическая анизотропия, наблюдаемая в широком диапазоне температур. В результате, например, температура хрупко-вязкого перехода пластинчатого монокристалла в случае самой неблагоприятной для развития деформации - перпендикулярной ориентации пластин по отношению к оси растяжения - выше температуры эвтектоидного превращения (Те1125oС) даже при низких скоростях деформации. Поэтому наличие в слитках неблагоприятно ориентированных для деформации колоний пластин является одной из главных причин низкой обрабатываемости +2 сплавов ниже температуры эвтектоидного превращения. Текстура литья, большой размер колоний и дендритная ликвация - дополнительные причины, существенно затрудняющие обработку и использование +2 сплавов, особенно в случае крупногабаритных слитков. Как известно, одним из путей снижения температуры хрупко-вязкого перехода и повышения пластичности металлических материалов является их обработка, нацеленная на уменьшение размера зерен. Исследования, выполненные на разных +2 сплавах, показали, что уменьшение размера зерен при переходе от крупнозернистой пластинчатой структуры к дуплексной и затем равноосной мелкозернистой структуре приводит к резкому снижению температуры хрупко-вязкого перехода и нижней температурной границы сверхпластичности. В результате становится возможным формообразование +2 сплавов (путем ковки, прокатки) при относительно низких температурах. Поэтому получение в этих материалах мелкозернистой микроструктуры имеет важное практическое значение. Хрупкость +2 сплавов не позволяет использовать традиционный метод измельчения микроструктуры металлических материалов, включающий в себя холодную деформацию и последующий рекристаллизационный отжиг. Для измельчения микроструктуры не удается также использовать и обычные методы термической обработки. Фазовый наклеп, возникающий при прямых и обратных превращениях - и 2+ (см. диаграмму, фиг.1), оказывается недостаточным для инициирования процесса фазовой перекристаллизации в объеме массивного слитка. Поэтому для измельчения микроструктуры литых +2 сплавов в настоящее время применяют горячую деформацию. Измельчение микроструктуры происходит благодаря развитию при горячей деформации процессов рекристаллизации/глобуляризации. К настоящему времени опробовано несколько методов обработки литых +2 сплавов с использованием горячей деформации. Наиболее эффективного измельчения микроструктуры литых +2 сплавов можно достичь при обработке ниже эвтектоидной температуры [1]. В частности, известен способ обработки литых заготовок из +2 сплавов, заключающийся в многостадийной ковке в интервале температур Те-700oС в изотермических условиях, с использованием низких скоростей деформации, с изменением направления деформирования и постепенным снижением температуры ковки при переходе от одной стадии к другой [1]. В результате такой обработки в сплавах Ti-48Al-2Nb-2Cr, подвергнутом предварительной гомогенизации в фазовой области, и Ti-46A1-2Nb-2Cr-1Ta, подвергнутом предварительной экструзии в области, была получена однородная мелкозернистая микроструктура с субмикрокристаллическим размером зерен/частиц. Этот способ позволяет эффективно использовать микроструктурный ресурс снижения температуры хрупко-вязкого перехода. Однако главным его недостатком является относительно малый объем получаемых заготовок из-за невозможности надежного контроля изменения полей напряжений, деформаций и температур при смене направления деформирования, что, учитывая близость температур обработки к хрупко-вязкому переходу, делает такую деформационную обработку трудновоспроизводимой даже в лабораторных масштабах и невоспроизводимой в большом объеме и в промышленных масштабах. Изотермическая деформация +2 сплавов в высокотемпературной + фазовой области, где фаза сохраняет свое упорядоченное состояние, а 2 фаза претерпевает разупорядочение и превращается в фазу - обычный статистический твердый раствор с относительно низкими скоростями деформации (~10-3 c-1) оказалась малоэффективной с точки зрения измельчения микроструктуры, хотя и воспроизводимой в большом объеме и в промышленных масштабах [2]. В результате такой обработки удельный объем глобуляризованной структуры составлял лишь около 50%, а размер рекристаллизованных зерен и глобуляризованных 2 частиц был существенно крупнее, чем после обработки ниже эвтектоидной температуры [2]. По-видимому, повышенная диффузионная подвижность атомов в разупорядоченной фазе, а возможно и в упорядоченной фазе способствовала быстрому протеканию динамического возврата и тем самым препятствовала развитию процессов рекристаллизации/глобуляризации. Почти полностью глобуляризованная структура была получена в результате изотермической деформации в + фазовой области, когда ей предшествовало быстрое охлаждение в этой же фазовой области, обеспечившее возникновение метастабильной фазы [2]. Однако полученная при этом микроструктура была также грубозернистой. Общим существенным недостатком изотермической деформации в + фазовой области является необходимость использования дорогостоящего штампового инструмента и защитной атмосферы, защищающей от окисления при столь высоких температурах, что сильно повышает стоимость обработки. Наибольшее развитие получили методы, основанные на высокоскоростной деформации +2 сплавов в + фазовой области [2]. С использованием специально разработанной оболочки литые заготовки подвергали однократному сжатию или экструзии на холодном или слегка подогретом инструменте со скоростью деформации ~100 c-1 [2]. Было установлено, что обработка +2 сплавов этими методами приводит к заметному снижению температуры хрупко-вязкого перехода, позволяет деформировать без образования трещин слитки различных сплавов, различных размеров и с разным размером исходных колоний/зерен, является высокопроизводительной. На основе этого был сделан вывод о возможности применения указанных методов в промышленных масштабах. Однако анализ микроструктур различных +2 сплавов [2], полученных в результате указанной обработки, показал высокую степень их неоднородности: в структуре присутствовали остатки литой пластинчатой составляющей, размер рекристаллизованных зерен изменялся в интервале 3-50 мкм, а 2 частиц от 1 до 10 мкм. Сплавы с такой микроструктурой проявляли сильную склонность к порообразованию при испытаниях на растяжение при повышенных температурах, а высокую пластичность, необходимую, например, для прокатки, имели только при очень высоких температурах, соответствующих середине + фазовой области. Лист, прокатанный в таких условиях, имел необходимую для последующего формообразования пластичность только при температурах + фазовой области, когда в материале следует ожидать развития сильного порообразования. Таким образом, разработанные к настоящему времени методы деформационной обработки литых +2 сплавов или могут быть реализованы только в лабораторных масштабах [1], или малоэффективны с точки зрения измельчения микроструктуры и, соответственно, снижения температуры хрупко-вязкого перехода [2] . Последнее влечет за собой при последующих формообразующих операциях необходимость использования высоких температур, дорогостоящей штамповой оснастки, при этом формообразование может вызывать повышенное порообразование в материале, не допустимое в конечном изделии или полуфабрикате. За прототип предлагаемого решения принято известное техническое решение [2], основанное на высокоскоростной деформации в + фазовой области. Для широкого внедрения +2 сплавов, получаемых в виде крупногабаритных слитков, представляется важной разработка способа их обработки, который мог бы быть использован в промышленных условиях и обеспечивал более эффективное снижение температуры хрупко-вязкого перехода в сравнении с предлагаемым решением [2] за счет получения более однородной и мелкозернистой микроструктуры с размером зерен до 1 мкм и 2 частиц до 0,1 мкм. Таким образом, задача изобретения заключается в разработке способа обработки литых заготовок из заэвтектоидных +2 сплавов, который мог бы быть реализован в промышленных масштабах, для получения в них посредством горячей деформации однородной мелкозернистой микроструктуры с размером зерен менее 5 мкм и 2 частиц менее 1 мкм. Дополнительной задачей изобретения является разработка +2 сплавов, специально ориентированных на получение в них методами горячей деформации мелкозернистой микроструктуры для последующей формовки их в сверхпластических условиях. Поставленная задача решается, если использовать: Способ обработки литых заэвтектоидных сплавов на основе алюминидов титана -TiAl и 2-Ti3Al, заключающийся в нагреве и деформации, отличающийся тем, что деформацию заготовки осуществляют в две стадии, причем на первой стадии деформацию заготовки проводят в интервале еТе+ТoС, где Те - температура эвтектоидного превращения, Т выбирают из условия сохранения глобулярной составляющей структуры, полученной в процессе деформации, при охлаждении после деформации, скорость деформации выбирают в интервале верхний предел которого ограничен деформируемостью сплава, а нижний - условием превалирования процессов рекристаллизации/глобуляризации над процессами возврата, степень деформации 1 выбирают, обеспечивающей уменьшение среднего размера зерен/колоний в заготовке до значений, приводящих к снижению температуры хрупко-вязкого перехода материала Т* заготовки до Т*<Т, при температуре и скорости деформации, выбранных в указанных интервалах; на второй стадии деформацию заготовки проводят в изотермических условиях в интервале температур ТminТе oС, где Тmin - минимальная температура, обеспечивающая деформацию без разрушения со степенью деформации 2 и скоростью деформации которые выбирают из условия обеспечения измельчения размера зерен и 2 частиц за счет процессов рекристаллизации/глобуляризации. Поставленная задача решается также, если: Перед первой стадией деформационной обработки заготовку подвергают горячему изостатическому прессованию при температурах + фазовой области при давлении 100-300 МПа и времени 2-10 часов. Перед первой стадией деформационной обработки заготовку подвергают гомогенизирующему отжигу при температуре T+(10-50C), в течение 30-300 минут, где T- температура начала превращения. Деформацию заготовки на первой стадии обработки осуществляют сразу после охлаждения с температуры гомогенизирующего отжига до температур деформации. В качестве исходной используют заготовку из -затвердевающего +2 сплава, содержащего равномерно распределенные частицы, бориды и другие, закрепляющие дислокации. В качестве исходной используют заготовку из -затвердевающего сплава состава Ti-4445,5Al-0,52,5Nb-0,52,5Cr-0,150,5 B (ат.%). При обработке заготовки из -затвердевающего +2 сплава, содержащего равномерно распределенные частицы, бориды и другие, закрепляющие дислокации, перед первой стадией деформационной обработки ее деформируют сжатием в изотермических условиях в 2+ фазовой области с истинной степенью деформации е= 0,1-0,2 и скоростью деформации 10-4-10-2 с-1, затем подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре T+(10-30C) в течение 2-60 минут. При обработке заготовки из -затвердевающего +2 сплава после первой стадии деформационной обработки проводят промежуточный рекристаллизационный отжиг при температуре 900Те+20oС в течение времени 0,5-100 часов, которое выбирают в указанном диапазоне тем большим, чем ниже температура рекристаллизационного отжига. При обработке крупногабаритной заготовки с грубозернистой структурой перед первой стадией деформационной обработки ее подвергают предварительной квазиизотермической деформации экструзией в оболочке при температуре T+(10-50C) на истинную степень деформации е не менее 3 со скоростью 10-1-101 с-1, с использованием инструмента, имеющего комнатную температуру. Деформацию заготовки на первой стадии обработки осуществляют в интервале температур ТеТе+ТoС, где Т составляет преимущественно 20...120oС, когда (T-Te)>120C или в интервале температур Te-T°αC, когда (T-Te)120C. Деформацию заготовки на первой стадии обработки осуществляют в оболочке в квазиизотермических условиях с истинной степенью деформации е не менее 0,7 и скоростью деформации 10-2-101 c-1. Деформацию заготовки на первой стадии обработки осуществляют сжатием. Деформацию заготовки на первой стадии осуществляют экструзией. Деформацию заготовки на второй стадии обработки осуществляют при температуре деформации преимущественно 800-Те oС, со скоростью деформации 10-4-10-2 c-1 и истинной степенью деформации е не менее 0,7. Деформацию заготовки на второй стадии осуществляют с использованием смазки. Деформацию заготовки на второй стадии совмещают с формообразующей операцией. Деформацию заготовки на второй стадии обработки осуществляют сжатием в том же направлении, что и на первой стадии. При обработке заготовки из -затвердевающего +2 сплава после второй стадии деформационной обработки проводят дополнительный рекристаллизационный отжиг при температуре 800Те в течение времени 0,5-100 часов, которое выбирают в указанном диапазоне тем большим, чем ниже температура рекристаллизационного отжига. После второй стадии деформационной обработки заготовку подвергают формообразующим операциям в изотермических или квазиизотермических условиях при температурах и скоростях, обеспечивающих сверхпластические или близкие к ним условия. После формообразования в качестве окончательной термообработки заготовку отжигают при температуре T+10-50C в течение 2-300 минут с последующим ее охлаждением со скоростью 0,5-50oС/с до температуры 700-1000oС и старением при этой температуре в течение 2-100 часов, причем с уменьшением температуры старения время старения увеличивают. Задача изобретения решается следующим образом: На первой стадии деформационную обработку +2 сплавов проводят в + фазовой области (см. диаграмму, фиг.1), где благодаря пластичной, разупорядоченной фазе эти сплавы хорошо поддаются обработке. Для того чтобы инициировать развитие рекристаллизационных/глобуляризационных процессов в сплаве, а также подавить процессы возврата, скорость деформации на первой стадии выбирают как можно больше. Верхний предел скорости деформации на первой стадии обработки ограничивается деформируемостью слитка и возможностями деформирующего оборудования, учитывая возможную необходимость контролирования степени деформации на первой стадии обработки (например, при использовании в качестве схемы деформации одностороннего сжатия). Чем больше скорость деформации в указанных пределах, тем больше запасенная энергия деформации, необходимая для развития процессов рекристаллизации/глобуляризации. При этом возможно существенное снижение температуры заготовки в процессе деформационной обработки (например, при использовании квазиизотермических условий), что ведет к возникновению неравновесной фазы. В результате, в ходе деформации одновременно протекает и фазовое превращение (см. диаграмму, фиг. 1), которое ускоряет развитие процессов рекристаллизации/глобуляризации структуры слитка. Нижний предел скорости деформации на первой стадии обработки определяется из условия превалирования процессов рекристаллизации/глобуляризации над процессами возврата. Последние интенсивно развиваются в + фазовой области при низких скоростях деформации, подавляя развитие процессов рекристаллизации/глобуляризации. Более точно определить скоростной интервал деформационной обработки на первой стадии можно экспериментально для каждого конкретного сплава, учитывая температуру нагрева заготовки и штамповой оснастки. Температуру деформации на первой стадии выбирают так, чтобы она не опускалась ниже Те, поскольку, как отмечалось выше, высокая деформируемость сплава достигается прежде всего за счет пластичной фазы. Поэтому нижняя температурная граница указанного интервала выше или равна Те. При повышении температуры деформации в пределах + фазовой области возрастает удельное количество фазы и, соответственно, деформируемость сплава. Однако, чтобы не вызвать обратного превращения из глобулярной структуры в пластинчатую структуру при охлаждении из + фазовой области, температуру на первой стадии выбирают не слишком высокой. В противном случае обработка на первой стадии будет противоречить своей цели - измельчению микроструктуры и снижению температуры хрупко-вязкого перехода. При выбранных температурно-скоростных условиях степень деформации выбирают из условия развития процессов рекристаллизации/глобуляризации, которые обеспечивают снижение температуры хрупко-вязкого перехода ниже Те. В результате первой стадии обработки, проведенной при указанных режимах, микроструктура частично или полностью рекристаллизуется и глобуляризуется. Размеры областей сохранивших пластинчатую морфологию существенно уменьшаются. Уменьшение среднего размера кристаллитов в заготовке обеспечивает снижение температуры хрупко-вязкого перехода в материале и позволяет осуществить вторую стадию обработки заготовки при более низкой температуре - в 2+ фазовой области (см. диаграмму, фиг.1). В этой фазовой области температура хрупко-вязкого перехода в +2 сплавах существенно более чувствительна к скорости деформации, чем в + области. Поэтому деформационная обработка на второй стадии проводится в изотермических условиях и при относительно низких скоростях деформации. Ее цель - измельчить структуру в объеме заготовки и достичь требуемого размера зерен и 2 частиц. Это означает, что на второй стадии обработки происходит рекристаллизация/глобуляризация областей, сохранивших после первой стадии пластинчатую морфологию, а также еще большее измельчение уже имеющейся глобулярной составляющей микроструктуры. Температуру, скорость и степень деформации выбирают экспериментально таким образом, чтобы обеспечить одновременно сохранение сплошности материала и эффективное измельчение микроструктуры в объеме заготовки за счет процессов рекристаллизации/глобуляризации. Чем эффективнее структура глобуляризуется на первой стадии, тем более эффективной оказывается вторая стадия деформационной обработки и тем более малого среднего размера зерен/частиц удается достичь. Предлагаемая обработка в две стадии может быть использована по отношению к литым заэвтектоидным +2 сплавам (фиг.1) в промышленных условиях, обеспечивая эффективное измельчение размера зерен и 2 частиц в объеме заготовки до 1 мкм и 0,1 мкм соответственно. Размер зерен и 2 частиц, полученных в результате двухстадийной обработки, зависит от конкретных условий обработки, а также от сплава и, в частности, от количественного соотношения между и 2 фазами. С увеличением удельного количества 2 фазы размер рекристаллизованных зерен уменьшается, приближаясь к размеру глобуляризованных 2 частиц. Благодаря обработке в две стадии размер зерен и 2 частиц в заготовке оказывается существенно меньше, чем после обычно применяемой одностадийной обработки в + фазовой области. Это существенно снижает температуру хрупко-вязкого перехода и нижнюю температурную границу сверхпластичности. В результате при растяжении в сверхпластических или близких к ним условиях обеспечивается высокое сопротивление порообразованию, что имеет значение для последующего формообразования. Как известно, сопротивление порообразованию зависит от размера зерен и в еще большей степени от размера частиц сплава. Известно, что вероятность образования пор обратно пропорциональна 1/dD2, где d - размер зерен, D - размер частиц. Поэтому меньший размер зерен и особенно частиц после двустадийной обработки в сравнении с получаемыми размерами после одностадийной обработки, по видимому, имеет ключевое значение в снижении порообразования при деформации. Кроме того, равноосная форма 2 частиц после двустадийной обработки, в отличие от неравноосной формы, получаемой после одностадийной обработки [2], вероятнее всего также способствует повышению сопротивления порообразованию при деформации. Решению основной и дополнительной задач способствуют следующие приемы: Горячее изостатическое прессование (ГИП) - технологическая операция, эффективно снижающая литейную пористость, присущую слиткам +2 сплавов, и способствующая снижению температуры вязкого-хрупкого перехода в этих материалах. ГИП позволяет повысить скорость деформации на первой стадии обработки и таким образом способствует развитию процессов рекристаллизации/глобуляризации. Гомогенизирующий отжиг существенно улучшает химическую, фазовую и микроструктурную однородность литых +2 сплавов. Благодаря этому он, также как и ГИП, позволяет повысить скорость деформации на первой стадии обработки и ускорить процессы рекристаллизации/глобуляризации. При гомогенизирующем отжиге желательно избегать чрезмерного роста зерен в заготовке. Поэтому температура отжига заготовки должна быть лишь немного выше а время отжига не слишком продолжительно. Деформацию заготовки на первой стадии обработки целесообразно проводить сразу после охлаждения с температуры гомогенизирующего отжига до температур деформации. В этом случае возникает неравновесная фаза и фазовое превращение накладывается на процессы рекристаллизации/глобуляризации структуры, что способствует их развитию в более полном объеме слитка. Таким образом, обеспечивается наиболее эффективное снижение температуры хрупко-вязкого перехода после первой стадии обработки. В качестве исходного сплава целесообразно использовать -затвердевающие +2 сплавы, содержащие равномерно распределенные частицы, бориды и другие, закрепляющие дислокации. -затвердевание обеспечивает отсутствие дендритной ликвации, вызванной двойным каскадом перитектических реакций, что способствует формированию более однородных структурных состояний, улучшению обрабатываемости сплава, повышению механических свойств сплава и их стабильности. В частности, -затвердевание способствует достижению наиболее высоких сверхпластических свойств в сплаве в случае мелкозернистой структуры, что необходимо для операций прокатки, формовки и др. Присутствие частиц ведет к измельчению структуры слитка, способствует развитию процессов рекристаллизации/глобуляризации и эффективному измельчению структуры слитка в процессе деформационной обработки, обеспечивает достижение наиболее стабильных микроструктурных состояний и механических свойств. Основываясь на II и III генерациях +2 сплавов, разработанных к настоящему времени, экспериментально разработаны -затвердевающие сплавы состава Ti-4445,5Al-0,52,5Nb-0,52,5Сг-0,150,5В, ориентированные на получение в них предлагаемым методом мелкозернистой микроструктуры для последующего формообразования в сверхпластических условиях. При меньшем содержании алюминия обрабатываемость сплава ухудшается. В этом случае, чтобы измельчить микроструктуру слитка требуются большие степени деформации. Кроме того, увеличивается размер глобуляризованных 2 частиц по сравнению с размером рекристаллизованных зерен, что неблагоприятно с точки зрения развития порообразования при последующем формообразовании заготовки. При большем содержании алюминия меняются условия затвердевания сплава - он претерпевает двойной каскад перитектических реакций. Это ведет к дендритной ликвации в слитке - появлению областей, обогащенных и обедненных алюминием, и, в конечном итоге, ухудшению пластических свойств в получаемой для последующего формообразования мелкозернистой заготовке. Содержание ниобия и хрома было выбрано, исходя из хорошо известных представлений о положительном влиянии небольших добавок этих элементов на харак