Способ термической обработки высокопрочных ( + )-титановых сплавов

Способ термической обработки высокопрочных ( + )-титановых сплавов

Реферат

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термической обработке высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической технике при изготовлении силовых деталей конструкций.

Известен способ термической обработки (α+β)-титанового сплава Ti -6%Al - 2%Sn - 2%Zr - 2%Cr - 2%Мо - 0,16%Si, предварительно подвергнутого ковке в (α+β)-области, включающий: нагрев выше температуры полиморфного превращения (Т_пп), а именно до температуры Т_пп+(17-42)°С, выдержку при этой температуре, охлаждение, нагрев до температуры Т_пп-(17-50)°С, выдержку при этой температуре, охлаждение, нагрев до температуры в интервале (482-593)°С и последующую выдержку при этой температуре. Молибденовый эквивалент (Мо_экв.) данного сплава, рассчитанный по формуле: Мо_экв.=Mo+V/1,5+Cr/0,6+Fe/0,35, равен 5,3 (заявка №WO 93/22468).

Недостатком способа является то, что он разработан применительно к сплаву с относительно низким уровнем молибденового эквивалента, обладающему недостаточной прокаливаемостью. Кроме того, этот сплав, обработанный известным способом, имеет недостаточно высокий уровень предела прочности (σ_В≥1030 МПа) и предела текучести (σ_0,2≥930 МПа).

Известен также способ термической обработки (α+β)-титанового сплава Ti - 6%Al - 4%V ELI, включающий: нагрев выше температуры полиморфного превращения, а именно до температуры Т_пп+(28-42)°С, выдержку при этой температуре в течение 30 мин, охлаждение под вентилятором до температуры 746°С, выдержку при этой температуре в течение 3 ч, охлаждение на воздухе / Т.Е.Howson and R.G.Broadwell: «The design, production, and metallurgy of advanced, very large, titanium aerospace forgings», Procs. of the 8^th Intemat. Conf. on Titanium, Titanium ′95, Science and technology, - Birmingham (UK) - 1995, vol.1, p.643 (636-643)/.

Недостатком известного способа является то, что сплав Ti - 6%Al -4%V ELI (Мо_экв.=2,7), обработанный по известному способу, имеет низкий уровень предела прочности (σ_В≥851 МПа) и предела текучести (σ_0,2≥748 МПа).

Наиболее близким по назначению и технической сущности и взятым за прототип является способ термической обработки высокопрочного титанового сплава с номинальным химическим составом Ti - 5%Аl - 5%Мо - 5%V - 3%Cr (Мо_экв.=13,3), включающий: нагрев до температуры Т₁, превышающей температуру полиморфного превращения, выдержку при этой температуре, достаточную для полного перехода из (α+β)- в β-состояние, охлаждение со скоростью 0,56-16,7°С/мин до температуры Т₂, где Т₂ ниже температуры полиморфного превращения и ниже 37,8°С, охлаждение с температуры Т₂ до комнатной температуры - на воздухе, последующий нагрев до температуры старения Т₃=371-593°С, выдержку при этой температуре в течение 1-12 ч (патент США №7785429).

Недостатком известного способа является низкий уровень механических свойств высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, обработанных известным способом.

Технической задачей изобретения является создание способа термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, повышающего уровень механических свойств: предела прочности (σ_В), предела текучести (σ_0,2), сопротивления скорости роста трещины усталости (СРТУ) при 20°С и вязкости разрушения (K_1C) при низких температурах (-70°С).

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, характеризующийся тем, что осуществляют нагрев выше температуры полиморфного превращения, выдержку при этой температуре, охлаждение до температуры 680-630°С со скоростью не менее 18°С/мин с последующей выдержкой в течение 1-3 ч, нагрев до температуры в 720-780°С и выдержку при этой температуре в течение 2-3 ч, охлаждение до температуры 520-480°С со скоростью не менее 12°С/мин, а затем проводят нагрев до температуры старения, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе.

Авторами установлено, что охлаждение с температуры выше температуры полиморфного превращения со скоростью не менее 18°С/мин до температуры 680-630°С предотвращает распад метастабильной β-фазы внутри зерен и образование непрерывной оторочки α-фазы на границах зерен, отрицательно влияющей на характеристики трещиностойкости. В процессе выдержки при температуре 680-630°С образуется большое число центров зарождения α-фазы и формируется тонкоигольчатая внутризеренная структура, характеризующаяся значительной взаимной разориентировкой колоний α-игл. В результате последующих нагрева до температуры 720-780°С и выдержки при этой температуре увеличивается количество метастабильной β-фазы при сохранении морфологии описанной выше тонкоигольчатой внутризеренной микроструктуры. В процессе охлаждения со скоростью не менее 12°С/мин с указанной температуры до температуры 520-480°С фиксируется метастабильная β-фаза, образовавшаяся в процессе выдержки при температуре 720-780°С.

Таким образом предлагаемый способ обеспечивает получение тонкоигольчатой α-фазы в β-матрице, за счет чего достигается повышение уровня механических свойств высокопрочных (α+β)-титановых сплавов: предела прочности (σ_В), предела текучести (σ_0,2), сопротивления скорости роста трещины усталости (СРТУ) при 20°С и вязкости разрушения (K_1C) при низких температурах (-70°С).

Примеры осуществления

Были изготовлены поковки из титановых сплавов ВТ22 (Ti - 5%Al - 5%Мо - 5%V - 1%Cr - 1%Fe; Мо_экв.=12,9; Т_пп=870°С) и ВТ23 (Ti - 5,5%Al - 2,2%Мо - 4,5%V - 1,2%Cr - 0,6% Fe; Мо_экв.=8,9; Т_пп=900°С) и Ti 5-5-5-3 (Ti - 5%Al - 5%Мо - 5%V - 3%Cr; Мо_экв.=13,3; Т_пп=860°С), обработанные предлагаемым способом (1-3) и способом-прототипом (4), которые были подвергнуты механическим испытаниям.

Пример 1.

Нагрев до температуры Т₁=Тпп+20°С, выдержка при этой температуре τ₁=0,25 ч, охлаждение со скоростью V₁=18°С/мин до температуры Т₂=630°С, выдержка при этой температуре τ₂=1 ч, подогрев до температуры Т₃=720°С, выдержка при этой температуре τ₃=2 ч, охлаждение со скоростью V₃=12°С/мин до температуры Т₄=480°С, далее охлаждение с нерегламентированной скоростью до температуры Т₅=20°С.

Пример 2.

Нагрев до температуры T₁=Т_пп+40°С, выдержка при этой температуре τ₁=0,5 ч, охлаждение со скоростью V₁=60°С/мин до температуры Т₂=680°С, выдержка при этой температуре τ₂=3 ч, нагрев до температуры Т₃=780°С, выдержка при этой температуре τ₃=3 ч, охлаждение со средней скоростью V₃=20°С/мин до температуры Т₄=520°С, далее охлаждение с нерегламентированной скоростью до температуры Т₅=20°С.

Пример 3.

Нагрев до температуры Т₁=Т_пп+30°С, выдержка при этой температуре τ₁=0,4 ч, охлаждение со скоростью V₁=40°С/мин до температуры Т₂=660°С, выдержка при этой температуре τ₂=2 ч, подогрев до температуры Т₃=750°С, выдержка при этой температуре τ₃=2,5 ч, охлаждение со скоростью V₃=36°С/мин до температуры Т₄=500°С, далее охлаждение с нерегламентированной скоростью до температуры Т₅=20°С.

Пример 4 (прототип).

Нагрев до температуры Т₁=Т_пп+30°С, выдержка при этой температуре, τ₁=0,4 ч, охлаждение со скоростью 8,6°С/мин до температуры Т₂=35°С, охлаждение с температуры Т₂ до комнатной температуры - на воздухе. Нагрев до температуры Т₃=480°С, выдержка при этой температуре продолжительностью 6 ч.

В таблице представлены механические свойства титановых сплавов, обработанных предлагаемым способом (примеры 1-3) и способом-прототипом (пример 4).

Предлагаемый способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов позволит повысить уровень их механических свойств: предела прочности (σ_В) на 7-12%, предела текучести (σ_0,2) на 8-11%, вязкости разрушения (K_1C) (при температуре испытания -70°С) на 22-24% и снизить скорость роста трещины усталости (СПТУ) на 22-37%.

Применение предлагаемого способа термической обработки позволит повысить надежность изделий авиакосмической техники за счет достижения более высокого уровня механических свойств.

Таблица
№ п/п	Механические свойства
σВ, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	СРТУ (dl/dN), мм/кц при ΔК=31 МПа·м1/2	K1c, МПа·м1/2
20°С	-70°С
Сплав ВТ22
1	1230-1250	1180-1190	8-9	0,5-0,6	72,4-76,0
2	1260-1290	1200-1230	8-9	0,5-0,6	71,8-75,4
3	1280-1310	1210-1240	7-8	0,6-0,7	71,1-74,9
Сплав ВТ23
1	1210-1240	1150-1180	8-10	0,5-0,6	74,0-77,2
2	1250-1280	1180-1210	8-9	0,5-0,6	73,6-76,3
3	1260-1300	1190-1230	7-8	0,6-0,65	73,0-75,9
Сплав Ti 5-5-5-3
1	1220-1260	1170-1210	8-9	0,55-0,65	71,6-75,1
2	1240-1270	1180-1220	7-9	0,55-0,65	70,5-74,0
3	1270-1300	1210-1240	7-8	0,6-0,7	70,2-73,3
	1140-1180	1070-1120	8-9	0,8-0,9	58,3-62,5

Способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов, характеризующийся тем, что осуществляют нагрев выше температуры полиморфного превращения, выдержку при этой температуре, охлаждение до температуры 680-630°С со скоростью не менее 18°С/мин с последующей выдержкой в течение 1-3 ч, нагрев до температуры 720-780°С и выдержку при этой температуре в течение 2-3 ч, охлаждение до температуры 520-480°С со скоростью не менее 12°С/мин, а затем проводят нагрев до температуры старения, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе.