Метод получения полуфабрикатов из металлов и сплавов псевдопорошковой металлургией

Метод получения полуфабрикатов из металлов и сплавов псевдопорошковой металлургией

Реферат

 

Изобретение относится к металлургии, к получению полуфабрикатов. В предложенном способе получения полуфабрикатов из металлов и сплавов, включающем неразъемное соединение по совмещаемым поверхностям заготовок с подготовленной микроструктурой и/или свойствами и твердофазное перемешивание посредством деформирования за несколько этапов в температурно-скоростных условиях, выбираемых с учетом заданной микроструктуры и/или свойств полуфабрикатов, а также исходной микроструктуры заготовок, причем при деформировании изменяют направление приложения деформирующей нагрузки, и/или вид нагружения, и/или используют нагружение, включающее кручение со степенью деформации на каждом этапе, обеспечивающем изменение формы и/или ориентации в пространстве поверхности соединения и/или увеличение площади соединения по сравнению с исходным состоянием или полученным на предыдущем этапе, согласно изобретению деформирование осуществляют в три этапа, при этом на первом этапе заготовки сжимают, на втором осуществляют протяжку до получения прутка, а на третьем пруток деформируют кручением. Обеспечивается однородная структура и свойства полученных полуфабрикатов. 21 з.п.ф-лы, 1 табл., 11 ил.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к методам получения полуфабрикатов с заданными микроструктурой и свойствами, в том числе регламентировано распределенными по объему из отдельных однородных или разнородных заготовок с применением интенсивной пластической деформации.

Полученные полуфабрикаты могут быть использованы при изготовлении деталей и узлов в машиностроительной, авиационной и космической промышленностях.

Интенсивное развитие научно-технического прогресса ставит сегодня задачу создания материалов с новыми свойствами и вместе с тем дальнейшего повышения технологических и эксплуатационных характеристик известных и широко используемых в производстве металлов и сплавов. Обеспечение надежности заданных свойств в материалах - другая задача, которая сегодня становится достаточно актуальной.

В последние годы появился интерес к методам ультразвукового контроля (УЗК) за состоянием изделий, отработавших определенный ресурс. Анализ результатов ультразвукового контроля показывает, что чем мельче микроструктура в полуфабрикате, тем он становится "прозрачнее" для звукового сигнала. Следовательно, дефекты, которые формируются в деталях как на этапе изготовления, так и в процессе эксплуатации, могут быть обнаружены методом УЗК еще задолго до начала разрушения деталей.

Таким образом, повышение технологических и эксплуатационных характеристик конструкционных материалов, а также возможность применения надежных неразрушающих методов контроля за состоянием деталей достигается в результате создания в материале определенного микроструктурного состояния.

Интенсивная пластическая деформация в сочетании с термической обработкой является наиболее эффективным средством формирования требуемой микроструктуры, а следовательно, и всего комплекса свойств в полуфабрикатах из различных материалов.

К наиболее известным методам подготовки структуры в металлах и их сплавах, в основе которых лежит интенсивная пластическая деформация, можно отнести: а) метод получения полуфабрикатов с нанокристаллической (НК) структурой, основанный на интенсивной холодной пластической деформации, реализуемый в условиях квазигидростатического сдвига на наковальне "Бриджмена"; б) метод получения полуфабрикатов с субмикрокристаллической (СМК) структурой, основанный на интенсивной пластической деформации заготовок, реализуемый в условиях всестороннего сдвига при равноканальном угловом прессовании; в) метод получения полуфабрикатов с субмикрокристаллической (СМК) структурой, основанный на всесторонней, со сменой осей нагружения, горячей деформации сжатием заготовок, подвергнутых водородному пластифицированию; г) метод получения полуфабрикатов с микрокристаллической (МК) структурой, основанный на горячей деформации и термической обработке; д) метод получения полуфабрикатов, и прежде всего крупногабаритных, с микрокристаллической структурой, основанный на горячей деформации в условиях сложного нагружения.

Как правило, полуфабрикаты, подвергаемые интенсивной пластической деформации, имеют ограниченные габариты. Увеличение габаритов связано с решением физических, технических и экономических проблем.

Физические проблемы определяются физическими свойствами материалов и зачастую трудно решаемы. Одними из важных физических характеристик материала являются теплопроводность и коэффициент линейного расширения. От теплопроводности и коэффициента линейного расширения зависят скорости нагрева и охлаждения заготовки. Чем больше ее поперечные размеры, тем значительнее зависимость скорости нагрева заготовки от скорости ее прогрева. Для повышения эффективности процесса обработки обычно принято понижать время выхода температуры в заготовке до заданной величины, что достигается путем перегрева заготовки за счет увеличения разницы температуры по объему заготовки при нагреве, например в центре заготовки и на ее периферии. Повышение степени перегрева приводит к образованию в заготовке термических трещин или к появлению разнозернистости.

Примером технической проблемы, которая возникает в случае получения микрокристаллической структуры деформационно-термической обработкой, является проблема обеспечения равномерности температурного поля в рабочей зоне деформирующего устройства и точности ее поддержания. Невыполнение этих условий при горячей деформации приводит к неоднородному развитию пластической деформации, появлению зон интенсивного течения материала, а также застойных зон. Итог - образование неисправимой впоследствии разнозернистости во всем объеме обрабатываемого полуфабриката.

Экономические проблемы, возникающие при подготовке микрокристаллической структуры в крупногабаритных полуфабрикатах, связаны с дополнительными расходами на увеличение мощности используемого оборудования, на нагрев рабочего инструмента, а также на применение специальных вспомогательных устройств, таких как манипуляторы и т. д. Низкая стойкость деформирующего инструмента - еще одна статья расходов, которая появляется при подготовке микроструктуры в крупногабаритных полуфабрикатах.

Уменьшение размеров обрабатываемых заготовок упрощает процесс получения микроструктуры заданного типа, повышает равномерность ее распределения во всем объеме и позволяет достичь средних размеров зерен менее 0,1 мкм, открывая возможность для получения полуфабрикатов с СМК и даже НК структурами.

Материалы с подобным типом микроструктуры обладают высокими конструкционными и технологическими свойствами. Однако удельные затраты, расходуемые на получение в материале такого типа микроструктуры, значительно растут с увеличением размеров.

Необходимо отметить, что достигаемый средний размер зерен в обрабатываемой заготовке пропорционален ее габаритам. Иными словами, чем мельче требуемый размер зерен, тем меньшими должны быть размеры заготовки.

Например, на наковальне "Бриджмена" можно получать НК структуру в шайбах с размерами 20,0-25,0 мм в диаметре и высотой 2,0-5,0 мм. Используя метод равноканального углового прессования, можно получать СМК структуру в прутках диаметром 20,0-30,0 мм и длиной 100,0-200,0 мм. Всесторонняя ковка водородно-пластифицированных прутков позволяет получать в них СМК структуру. При этом размеры поперечного сечения прутков влияют на равномерное распределение водорода во всем объеме, а следовательно, и на равномерность распределения трансформированной микроструктуры. Обычные размеры прутков: 20,0-30,0 мм - диаметр и 60,0-90,0 мм - длина.

Таким образом, проведенный анализ показал существование проблемы получения крупногабаритных полуфабрикатов с заданной микроструктурой и свойствами из известных и наиболее часто используемых в промышленности металлов и сплавов.

Известен метод получения полуфабрикатов, в том числе крупногабаритных из различных металлических и неметаллических материалов с заданными микрокристаллической структурой и свойствами, основанный на технологии порошковой металлургии. Метод включает получение отдельных элементов - порошинок с заданной микроструктурой и свойствами. При этом реализуется возможность значительного переохлаждения порошинок и получения высокой степени гомогенности по химическому составу на этапе производства порошка. В качестве исходного материала для производства порошинок может служить либо сплав с заданным химическим составом, либо чистый металл. На этапе длительного и интенсивного перемешивания порошинок получают однородную массу, которую далее подвергают компактированию. Процесс компактирования может сопровождаться механическим закреплением частиц друг с другом, а также частичным, либо полным образованием твердофазного соединения между частичками по поверхности контакта. После компактирования производят диффузионное спекание методом высокотемпературного газостатического прессования, добиваясь повышения плотности обрабатываемых полуфабрикатов за счет залечивания пор и несплошностей в результате развития процессов диффузионной ползучести.

Для повышения экономической эффективности метода порошковой металлургии этап компактирования обычно совмещают с процессом формообразования, выполняя компактирование в матрицу, которая имеет форму, близкую к форме готового изделия.

Одним из очевидных достоинств метода порошковой металлургии при получении массивных полуфабрикатов из различных материалов, в том числе из чистых металлов и их сплавов, является решение одной из основных металлургических проблем - устранение зональной и дендритной ликвации в слитке в процессе его выплавки.

При получении порошинок из слитка решается и другая не менее важная материаловедческая задача - формирование в порошинках метастабильной микроструктуры. Высокая степень неравновесности микроструктурного состояния в порошинках, а также дисперсность порошка определяют дисперсность микрокристаллической структуры в получаемых полуфабрикатах.

Наряду с перечисленными достоинствами порошковой металлургии как метода получения материалов с заданными микроструктурой и свойствами существуют и серьезные недостатки.

Одним из них является необходимость соблюдения высоких требований по культуре производства, аналогичные тем, которые предъявляются к производству микрочипов и микросхем в электронной промышленности.

Отклонение от этих норм неизбежно приводит к загрязнению материала различными неконтролируемыми примесями, которые абсорбируются поверхностью порошинок на многочисленных этапах их производства. Причем, чем выше дисперсность порошка, тем выше совокупная поверхность порошинок и выше процент загрязнения неконтролируемыми примесями в готовом полуфабрикате.

Действительно, процесс производства порошка основан на распылении жидкого металла либо в струе инертного газа (аргон, гелий и т.д.), либо в вакууме. В зависимости от требуемой дисперсности получаемой микроструктуры, например, при производстве СМК микроструктуры дополнительно вводят операцию размалывания порошка на шаровых мельницах. Как видим, на всех основных этапах производства исходного материала - порошка порошинки находятся в контакте либо с инертным газом, либо с газами остаточного давления при вакуумировании, либо с поверхностью деформирующего инструмента шаровых мельниц. Только повышением чистоты используемого нейтрального газа, а также степени разрежения при создании вакуума невозможно полностью избавиться от таких примесей, как кислород, водород, азот, окись и двуокись углерода и т.д.

Известно, что самая высокая степень очистки такого нейтрального газа, как аргон, по количеству примесей, в том числе кислорода, соответствует вакууму глубиной 10^-1 Па. Из кинетической теории газов известно, что число молекул n, ударяющихся об 1 см² поверхности в одну секунду, определяется выражением где P_b - остаточное давление газа; М - относительная молекулярная масса; Т - температура. Нетрудно заметить, что при атмосферном давлении при комнатной температуре об 1 см² поверхности каждую секунду ударяется 510²² молекул кислорода, что примерно в 10⁸ раз больше, чем необходимо для мономолекулярного покрытия поверхности. Следовательно, даже если ювенильно чистую поверхность металлического материала, свободную от окисной пленки, поместить в вакуумную среду с остаточным парциальным давлением 1,310^-3 Па, то на поверхности уже через 0,18 секунд образуется моноатомный слой окисла данного металла. Понижение остаточного парциально давления на один порядок увеличивает время образования моноатомного слоя также на порядок.

Как видим, в реальных условиях производства порошка на поверхности порошинок неизбежно формируется, как минимум, моноатомная окисная пленка, которая становится элементом легирования в получаемом массивном полуфабрикате. И чем выше дисперсность порошка, тем выше степень неконтролируемого легирования.

Кроме того, возможности использования метода порошковой металлургии в производстве полуфабрикатов, предназначенных для изготовления деталей ответственного назначения, ограничены для тех материалов, у которых распад окислов на поверхности происходит по механизму растворения кислорода в объеме материала, например для таких материалов, как титан и его сплавы.

Другим достаточно серьезным недостатком метода порошковой металлургии является остаточная пористость. Эта проблема вытекает из особенностей метода порошковой металлургии. Неслучайно в технологическую цепочку получения материала встроена операция высокотемпературного газостатического прессования. Данная операция направлена, прежде всего, на залечивание пор и несплошностей посредством развития процессов диффузионной ползучести под воздействием на полуфабрикат всесторонней сжимающей нагрузки при высокой (>0,4 Тпл.) температуре обработки. В основе физической сущности процесса высокотемпературного газостатического прессования лежат процессы диффузионного массопереноса. Причем, чем выше температура, тем в большей степени активизируются диффузионные процессы. Отсюда следует, что в случае использования в качестве исходного материала порошка с СМК и НК структурой на этапе высокотемпературного газостатического прессования, практическая возможность сохранения микроструктуры в полуфабрикате на уровне микроструктуры исходного порошка теряется. Иными словами, достаточно трудно избежать резкого роста зерен на этапе высокотемпературного газостатического прессования, не прибегая к подавлению процесса их роста путем снижения рабочей температуры и увеличения давления всестороннего сжатия (гидростатической компоненты тензора напряжения).

С другой стороны, повышение гидростатического давления подавляет активность диффузионных процессов, понижая равновесную концентрацию вакансий, замедляет скорость ползучести, увеличивая длительность процесса спекания в целом.

Таким образом, получение полуфабрикатов с СМК и НК структурой методом порошковой металлургии наталкивается на решение двух очень серьезных проблем - неконтролируемое загрязнение материала различными примесями, в первую очередь кислородом, а также остаточная пористость. Эти две проблемы являются серьезным препятствием на пути широкого внедрения порошковой металлургии в производстве ответственных деталей в машиностроительной и авиационной промышленности.

С экономической точки зрения, метод высокотемпературного газостатического прессования обладает значительной трудоемкостью, энергоемкостью и основан на применении высоких давлений при высоких температурах. К тому же, при его осуществлении встает необходимость соблюдения дополнительных требований по технике безопасности, которые предъявляются к выполнению работ с использованием высоких давлений.

Известен метод получения полуфабрикатов из отдельных заготовок с подготовленной в них микроструктурой [2] путем соединения заготовок друг с другом посредством твердофазного соединения (ТФС) [3] в температурно-скоростных условиях, соответствующих условиям сверхпластической деформации материала заготовок.

Отличительная особенность данного метода по сравнению с методом порошковой металлургии заключается в том, что в качестве исходных заготовок используют относительно массивные заготовки, которые совмещают по соединяемым поверхностям и осуществляют их твердофазное соединение. Соединяемые поверхности выполняют, как правило, плоскими. Непосредственно перед соединением поверхность подвергают специальной, механической, химической или электрохимической обработке. Заготовки собирают, сборку помещают в вакуумную печь, где осуществляют нагрев до температуры сварки (~0,4 от Тпл.). Вместо вакуумной среды возможно использование защитной или восстановительной сред. Заготовки деформируют сжатием, прикладывая сжимающее усилие перпендикулярно соединяемой поверхности. В зависимости от задач в процессе сжатия допускается макропластическая деформация заготовок в условиях соответствующих оптимальным условиям проявления сверхпластичности в материале соединяемых заготовках. Максимальная степень обжатия заготовок по высоте, как правило, не превышает значения 50-70%.

Основным достоинством метода твердофазного соединения при получении полуфабрикатов с заданной микроструктурой и свойствами по сравнению с методом порошковой металлургии является то, что при получении полуфабрикатов из массивных заготовок, условия загрязнения полуфабриката примесями существенно снижены за счет уменьшения совокупной площади поверхности соединения.

К другим достоинствам метода можно отнести менее энергоемкое по сравнению с порошковой металлургией оборудование, менее жесткие требования по культуре производства и технике безопасности ввиду меньших значений потребных усилий, температуры обработки и уменьшения протяженности свободных поверхностей.

Однако методу твердофазного соединения также присущи недостатки.

Главный из них - это нестабильность механических свойств соединения и необходимость в этой связи применения жестких и надежных методов неразрушающего контроля за качеством формируемого твердофазного соединения.

Известно, что основными дефектами при образовании твердофазного соединения являются микропоры, а также зоны соединения, не прошедшие завершающей, третьей стадии его образования. Появление микропор связано с тем, что результатом образования ТФС является исчезновение двух контактных поверхностей. Очевидно, что исчезновение контактных поверхностей должно сопровождаться высвобождением свободной энергии. Поэтому поры, по одной из существующих сегодня гипотез, есть форма рассеяния высвобождаемой при исчезновении двух поверхностей свободной энергии. Морфология дефектов твердофазного соединения на начальных этапах его формирования, а также плотность их распределения зависят от характера рельефа совмещаемых поверхностей, от режимов соединения, а также от исходной микроструктуры заготовок. В то же время на завершающих стадиях образования соединения произвольная форма дефектов в результате развития процессов поверхностной диффузии трансформируются в равновесную, т.е. стабильную, сферическую форму. Как показывает анализ результатов изучения процесса образования твердофазного соединения, большая часть времени и из необходимого для формирования равнопрочного основному материалу соединения затрачивается на залечивание микродефектов соединения, прежде всего таких, как микропоры.

Как и в случае с методом порошковой металлургии, при твердофазном соединении наиболее эффективными условиями для устранения пор являются условия всестороннего сжатия. Пластическая деформация в общем случае не приводит к залечиванию пор, если она не сопровождается развитием зернограничного проскальзывания и разворотом зерен. Как показывают исследования, в процессе ТФС соединяемая поверхность находится именно в этих условиях.

Выше было отмечено, что соединяемые поверхности перед сваркой подвергают специальной химической, электрохимической и другим видам обработки с целью удаления всякого рода загрязнения. Другим методом получения чистой поверхности является высокотемпературный вакуумный отжиг. В процессе вакуумного отжига, непосредственно перед сваркой, соединяемая поверхность, соприкасаясь с молекулами газа, по качеству и по количеству соответствующими остаточному парциальному давлению, определяемому средствами откачки воздуха, освобождается от всевозможных примесей, грязи и окислов по различным механизмам, например растворением, сублимацией и испарением. Разумеется, что химический состав приповерхностных слоев при этом меняется. Поэтому при последующем твердофазном соединении заготовок происходит образование другого структурного дефекта - химической неоднородности в зоне соединения. Восстановление химической однородности возможно и даже частично происходит в результате развития процесса диффузионного массопереноса. Поэтому для его полного завершения требуется применение высоких температур, а также значительное время.

Осуществление процесса образования твердофазного соединения в условиях соответствующих оптимальным условиям сверхпластичности частично решает проблему удаления микропор и химической неоднородности посредством повышения однородности развития деформации в зоне соединения. Однако для полного и гарантированного устранения дефектов необходима интенсивная пластическая деформация в зоне соединения заготовок. Это возможно только в том случае, когда степень деформации превышает реально достижимый при формировании твердофазного соединения (как, например, в рассматриваемом примере) уровень деформации на порядок.

Другим недостатком метода ТФС является ориентированность совокупности дефектов соединения, которая определяется формой соединяемой поверхности. В реальности подготовить под сварку плоскую поверхность проще. Поэтому после соединения микропоры, микронесплошности, химическая неоднородность располагаются в сварном полуфабрикате также в плоскости, нарушая, таким образом, условие изотропности свойств материала во всем объеме полученного полуфабриката. Последнее обстоятельство ограничивает применение данного метода в производстве ответственных изделий.

Известен экспериментально доказанный факт позитивного влияния на залечивание дефектов твердофазного соединения интенсивной пластической деформации образцов в оптимальных условиях сверхпластичности деформируемого материала [4] . На примере титанового сплава ВТ14 (Ti - 3,5-6,3Аl - 2,5-3,8Мо - 0,9-1,9V) с микрокристаллической структурой (средний размер зерен d=2,0-3,0 мкм) был проведен специальный эксперимент, в процессе которого осуществляли наблюдение за изменением размеров и формы, выбранного дефекта твердофазного соединения - поры произвольного размера в процессе одноосной горячей деформации образца вдоль поверхности соединения. Образец представлял собой пакет из предварительно сваренных друг с другом посредством твердофазного соединения заготовок.

При выполнении прицельного наблюдения было установлено, что исчезновение исходной поры (фиг.1) происходит путем ее захлопывания (фиг.2). Уменьшение размеров поры происходит в результате разворота окружающих пору зерен уже после деформации образца до степени деформации е ~18-20%. Основным механизмом разворота зерен является зернограничное проскальзывание, активизированное в результате деформирования образца в условиях, соответствующих оптимальным условиям развития сверхпластической деформации для сплава ВТ 14 с микрокристаллической структурой.

Данный эксперимент является прямым доказательством того, что для формирования свободного от дефектов твердофазного соединения, необходимо обеспечить развитие в зоне соединения процессов интенсивного перемешивания зерен. Вместе с тем ни метод порошковой металлургии, ни метод твердофазного соединения не позволяет в полной мере реализовать условие интенсивного перемешивания зерен в зоне соединения, поскольку не обеспечивает необходимого уровня степени деформации непосредственно в зоне соединения.

Анализ рассмотренных выше методов получения полуфабрикатов с заданным микроструктурным состоянием и другими специальными свойствами, позволяет сделать вывод о том, что ни один из них не может быть использован для производства качественных полуфабрикатов, которые имели бы достаточные размеры, необходимую микроструктуру и свойства, для изготовления из них ответственных деталей, таких, например, как валы, диски, лопатки газотурбинных двигателей в авиационной промышленности и др.

Ближайшим аналогом для предложенного способа является способ получения полуфабрикатов из металлов и сплавов, включающий неразъемное соединение по совмещаемым поверхностям заготовок с подготовленной микроструктурой и/или свойствами и твердофазное перемешивание посредством деформирования за несколько этапов в температурно-скоростных условиях, выбираемых с учетом заданной микроструктуры и/или свойств полуфабрикатов, а также исходной микроструктуры заготовок, причем при деформировании изменяют направление приложения деформирующей нагрузки и/или вид нагружения и/или используют нагружение, включающее кручение, со степенью деформации на каждом этапе, обеспечивающем изменение формы и/или ориентации в пространстве поверхности соединения и/или увеличение площади соединения по сравнению с исходным состоянием или полученным на предыдущем этапе [2].

Задачей предлагаемого изобретения является создание нового способа получения полуфабрикатов из отдельных однородных или разнородных заготовок с заданной микроструктурой и свойствами, при котором равнопрочное основному материалу соединение, требуемая химическая и структурная однородность в полуфабрикатах достигаются благодаря реализации возможности интенсивного перемешивания предварительно соединенных с образованием контакта, препятствующего взаимному проскальзыванию, заготовок (т.е. препятствующего смещению заготовок друг относительно друга с нарушением сплошности, полученного соединения) при их интенсивной пластической деформации в условиях сложного нагружения в результате многократного увеличения площади и преобразованием формы соединяемой поверхности по сравнению с исходной.

В том числе задачей изобретения является получение крупногабаритных заготовок из материала с заданными микроструктурой и свойствами.

В том числе задачей изобретения является получение композиционных материалов.

В том числе задачей изобретения является синтез сложных материалов из элементарных в объеме полуфабрикатов.

Технический результат достигается тем, что в способе получения полуфабрикатов из металлов и сплавов, включающий неразъемное соединение по совмещаемым поверхностям заготовок с подготовленной микроструктурой и/или свойствами и твердофазное перемешивание посредством деформирования за несколько этапов в температурно-скоростных условиях, выбираемых с учетом заданной микроструктуры и/или свойств полуфабрикатов, а также исходной микроструктуры заготовок, причем при деформировании изменяют направление приложения деформирующей нагрузки и/или вид нагружения и/или используют нагружение, включающее кручение, со степенью деформации на каждом этапе, обеспечивающем изменение формы и/или ориентации в пространстве поверхности соединения и/или увеличение площади соединения по сравнению с исходным состоянием или полученным на предыдущем этапе, согласно изобретению деформирование осуществляют в три этапа, при этом на первом этапе заготовки сжимают, на втором осуществляют протяжку до получения прутка, а на третьем пруток деформируют кручением.

Кроме того, поставленная задача решается за счет того, что: - выбирают заготовки с подготовленной микроструктурой, обеспечивающей твердофазное перемешивание, в температурно-скоростных условиях, соответствующих оптимальному интервалу проявления сверхпластичности в материале обрабатываемых заготовок; - выбирают заготовки с подготовленной микрокристаллической структурой со средним размером зерен 1,0-50,0 мкм; - выбирают заготовки с подготовленной субмикрокристаллической структурой со средним размером зерен 0,5-1,0 мкм; - выбирают заготовки из разнородных материалов, образующих интерметаллидные соединения, твердофазное перемешивание осуществляют на всех этапах кроме последнего в температурно-скоростных условиях, предотвращающих образование хрупких прослоек, а на последнем этапе температуру поднимают до начала образования интерметаллидного соединения во всем объеме полуфабриката; - заготовку из материала, имеющего более высокую температуру плавления, выбирают с меньшим размером зерен; - при изготовлении композиционных полуфабрикатов заготовки выбирают из материалов с различными свойствами, а при соединении их чередуют; - чередующиеся заготовки выбирают из материалов с различными значениями коэффициента линейного расширения таким образом, что коэффициент линейного расширения заготовки из материала с высокими прочностными свойствами больше коэффициента линейного расширения заготовки из материала с более низкими прочностными свойствами; - чередующиеся заготовки выбирают из материалов с различными характеристиками пластичности; - выбирают по крайней мере две заготовки в виде прутка, которые совмещают по торцевым поверхностям, изготовление полуфабриката осуществляют за три этапа, при этом на первом этапе заготовки сжимают, прикладывая усилие вдоль оси симметрии заготовок до получения шайбы, на втором этапе осуществляют протяжку шайбы вдоль оси перпендикулярной оси симметрии шайбы до получения прутка, на третьем выполняют деформирование заготовок кручением, прикладывая крутящий момент к противоположным концевым участкам прутка в плоскости, перпендикулярной оси симметрии прутка; - на первом этапе сжатие совмещают с кручением, - выполняют реверсивное кручение; - выбирают по крайней мере две трубчатые заготовки, которые устанавливают аксиально, изготовление полуфабриката осуществляют за три этапа: на первом этапе заготовки деформируют сжатием до получения полосы, прикладывая усилие сжатия перпендикулярно оси симметрии исходных заготовок, на втором этапе осуществляют протяжку полосы до получения прутка, на третьем этапе выполняют деформирование кручением, прикладывая крутящий момент к противоположным концевым участкам прутка в плоскости, перпендикулярной оси симметрии прутка; - выбирают трубчатую заготовку и заготовку в виде прутка, заготовки устанавливают одна в другую, изготовление полуфабриката осуществляют за три этапа, при этом на первом этапе заготовки деформируют сжатием до получения полосы, прикладывая деформирующее усилие перпендикулярно оси симметрии заготовок, на втором этапе осуществляют протяжку полосы до получения прутка, на третьем этапе выполняют деформирование кручением, прикладывая крутящий момент к противоположным концевым участкам прутка в плоскости, перпендикулярной оси симметрии прутка; - выбирают трубчатую заготовку и заготовку в виде прутка, заготовки устанавливают одна в другую, изготовление полуфабриката осуществляют за три этапа, при этом на первом этапе заготовки деформируют сжатием до получения шайбы, прикладывая деформирующее усилие к торцам заготовок, вдоль оси симметрии заготовок, на втором этапе осуществляют протяжку полученной шайбы вдоль направления, перпендикулярного оси симметрии шайбы до получения прутка; - выбирают заготовки в виде прутков, имеющих в поперечном сечении равносторонний многоугольник с плоской гранью, которые совмещают по боковым поверхностям вдоль их образующей, соединяют, а изготовление полуфабриката осуществляют за два этапа, при этом на первом этапе заготовку деформируют сжатием до получения прутка, прикладывая усилие сжатия перпендикулярно оси симметрии исходных заготовок, на втором этапе выполняют деформирование кручением, прикладывая крутящий момент к противоположным концевым участкам прутка в плоскости, перпендикулярной оси симметрии прутка; - выбирают заготовки в виде пластин, которые соединяют, а изготовление полуфабриката осуществляют за три этапа, при этом на первом этапе заготовку деформируют сжатием до получения полосы, прикладывая усилие сжатия к противоположным соединяемым поверхностям заготовок, вдоль нормали к этим поверхностям, на втором этапе полосу протягивают до образования прутка, а на третьем этапе выполняют деформирование прутка кручением, прикладывая крутящий момент к противоположным концевым его участкам в плоскости, перпендикулярной образующей прутка; - на третьем этапе кручение совмещают с растяжением; - на третьем этапе кручение совмещают со сжатием; - вводят дополнительную операцию - получение твердофазного соединения обрабатываемых заготовок по совмещаемым поверхностям, которую выполняют перед первым этапом обработки заготовок; - вводят дополнительную операцию - получение твердофазного соединения обрабатываемых заготовок по совмещаемым поверхностям, которую совмещают по крайней мере с частью первого этапа; - получение полуфабрикатов осуществляют за N циклов, каждый из которых включает указанные этапы.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в получении полуфабрикатов с заданными микроструктурой и свойствами методом псевдопорошковой металлургии посредством твердофазного перемешивания, который имеет принципиальные отличия по сравнению с известными методами.

Твердофазное перемешивание - это равномерное перераспределение соединенных заготовок с предварительно подготовленной в них микроструктурой и имеющих заданные свойства с увеличением площади поверхности контакта и изменением ее конфигурации. Необходимо отметить, что перемешиванию подвергают соединенные заготовки, в которых имеется контакт по всей поверхности соединения, обеспечивающий их совместную деформацию, а также деформацию зоны соединения при твердофазном перемешивании. Твердофазное перемешивание реализуется в процессе интенсивного пластического деформирования, в условиях простого и сложного нагружения, которое осуществляют при высоких (>0,4 Тпл.) температурах деформации со скоростью деформации, лежащей в интервале скоростей сверхпластической деформации материала заготовок, до значительных (в несколько сот и даже тысяч процентов) величин степени деформации. Возможность реализации указанных режимов нагружения обусловлена применением заготовок с подготовленной микроструктурой.

Такое нагружение гарантирует: - протекание зернограничного проскальзывания в зоне соединения равномерно по всей поверхности контакта заготовок; - перераспределение структурных дефектов, таких как неоднородность химического и фазового состава в зоне образования соединения; - исчезновение микропор и несплошностей за счет развития сдвиговых деформаций, определяемых сложным, сдвиговым характером нагружения.

Рассмотрим и сравним основные операции, которые присущи порошковой металлургии и заявляемому способу.

В отличие от порошковой металлургии, где роль заготовок играют порошинки, в предлагаемом методе используют относительно массивные заготовки, которые имеют конечные размеры. Заготовки перемешивают в процессе интенсивной пластической деформации в температурно-скоростных условиях, которые определяются микроструктурой заготовок, что позволяет получить полуфабрикат с заданной микроструктурой и химическим составом, однородно распределенными в объеме полуфабриката. Кроме того, значительное уменьшение первоначальной поверхности соединения заготовок приводит к существенному снижению степени загрязнения материала полу