Спосіб термічної обробки титанових сплавів

Винахід відноситься до металургії та металознавства титанових сплавів, а саме до термообробки литих і деформованих переважно великогабаритних напівфабрикатів з a- та a+b - титанових сплавів і може бути використаний в машинобудівній, ракетній, суднобудівній, хімічній промисловості, тощо. Відомий спосіб подрібнення зеренної структури зливків з титанового сплаву /1/, в якому заготовку кують при температурі b-перетворення або вищій, охолоджують, потім відпалюють при температурі, нижче на 10-20°С за температуру b-перетворення протягом 4-36 годин, охолоджують у повітрі. До недоліків способу відноситься наявність операції гарячої обробки тиском, що робить неможливим його застосування до литих де талей; окрім того тривалий відпал (до 36 годин) при високій температурі, вищій за 900°С для більшості титанових сплавів, потребує великих витрат енергії, може викликати суттєве газонасичення і, відповідно, втрати металу та зниження його властивостей. Відомий спосіб термічної обробки титанових b-сплавів /2/ в якому з метою зменшення розміру зерна та усунення текстури метал нагрівають при 950-1050°С протягом часу, необхідного для первинної рекристалізації (0,25-5,0 годин у залежності від температури нагріву), охолоджують у воді. Недоліком способу є його обмежена застосовність. Спосіб не може бути використано для a- та a+b - титанових сплавів, тому що охолодження у воді в цьому випадку викликає формування великоголчастих мартенситних фаз, які окрихчують метал. Окрім того, витримка при температурах вище за 1000°С може привести до початку збиральної рекристалізації, тобто до росту зерна. Найбільш близьким по технічній суті до способу, що заявляється, є спосіб термічної обробки титанових сплавів /3/, переважно тонкостінних напівфабрикатів, який складається з нагріву до температури на 10-20°С вище за температуру закінчення поліморфного перетворення, витримки протягом 5-90 хвилин, охолодження у повітрі. Недоліком способу є нерегламентованість швидкості нагріву, що може викликати неодночасне поліморфне перетворення в об'ємі напівфабрикату та виникнення різнозернистості. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу термічної обробки, що забезпечить підвищення міцності і ударної в'язкості за рахунок подрібнення зерна, підвищення ступеню дисперсності та однорідності структури. Поставлена задача вирішується тим, що в способі термічної обробки, який включає нагрів до температури на 10-20°С вище за температуру закінчення поліморфного перетворення та витримку в межах від 5 до 90 хвилин, сплав нагрівають до температури витримки зі швидкістю 3,5-4,5град/хв., та після витримки охолоджують до температури на 250-350°С нижче за температуру закінчення поліморфного перетворення, витримують 10-60 хвилин, о холоджують у повітрі. Регламентування швидкості охолодження забезпечує одночасність досягнення сплавом температури витримки і перебігу a+b®b-перетворення у всьому об'ємі напівфабрикату, що дозволяє уникнути формування різнозернистості під час обробки в однофазній області. В процесі витримки при температурі двофазної області границі дрібних b-зерен, що утворилися, фіксуються тонкими прошарками a-фази. Суттєвий ступінь переохолодження (250-350°С) викликає зародження a-фази водночас на великій кількості центрів, у відповідності до принципу розмірної та структурної відповідності колонії a-пластин ростуть під певними кутами одна до одної, формується дрібнозерниста однорідна дисперсна структура типу корзинового переплетіння. Все це забезпечує підвищення міцності та ударної в'язкості як ливарних, так і деформованих титанових сплавів. Приклад 1 Зразки сплаву ВТЗ-1 (Ті-6,5 Al-2Mo-l,5Cr-0,5Fe-0,3Si), вирізані з великогабаритного напівфабрикату, нагрівали зі швидкістю (Vн) 4град/хв.., до температури 980°С (температура закінчення поліморфного перетворення для цього сплаву - 970°С), витримували 15 хвилин, охолоджували до температури 670°С, витримували 30 хвилин, охолоджували у повітрі. Дані механічних випробувань після термічної обробки за оптимальним режимом та для порівняння за режимами з іншими параметрами наведено у таблиці 1. Таблиця 1 Режим термообробки 1 Вихідний Т/о за прототипом Vн=4град/хв., 980°С, 15хв.®670°С, 30хв. Vн=4,5 град/хв., 980°С, 15хв.®720°С, 60хв. Vн=3,5 град/хв., 980°С, 15хв.®620°С, 10хв. Vн=5град/хв., 980°С, 15хв.®730°С, 70хв. Vн=3град/хв., 980°С, 15хв.®600°С, 5хв. Ме ханічні властивості KCU, МДж/м 2 sв , МПа 2 3 1020-1040 0,2-0,25 1080-1100 0,21-0,28 1150-1180 0,35-0,40 1090-1120 0,26-0,3 1100-1150 0,28-0,31 1030-1060 0,25-0,29 1070-1090 0,22-0,25 Приклад 2 Зразки ливарного сплаву ЛТС (Ti-5Al-2Mo-16,5Zr), вирізані з великогабаритної відливки, нагрівали зі швидкістю 4град/хв. до температури 950°С (температура завершення поліморфного перетворення 930°С), витримували 30хв., о холоджували до 630°С, витримували 30хв., охолоджували у повітрі. Дані механічних випробувань після термічної обробки за оптимальним режимом та для порівняння за режимами з іншими параметрами наведено у таблиці 2. Таблиця 2 Режим термообробки Ме ханічні властивості KCU, МДж/м 2 sв , МПа Вихідний Т/о за прототипом Vн=4град/хв., 950°С, 30хв.®630°С, 30хв. Vн=4,5 град/хв., 950°С, 30хв.®680°С, 60хв. Vн=3,5 град/хв., 980°С, 15хв.®580°С, 10хв. Vн=5град/хв., 980°С, 15хв.®700°С, 70хв. Vн=3град/хв., 980°С, 15хв.®560°С, 5хв. 1030-1060 1060-1100 1130-1160 1130-1150 1100-1130 1070-1100 1080-1100 0,22-0,25 0,23-0,27 0,34-4,0 0,28-0,32 0,30-0,35 0,25-0,27 0,23-0,27 Запропонований спосіб забезпечує подрібнення зерна, підвищення ступеню дисперсності та однорідності структури та, в кінцевому результаті , підвищення міцності та ударної в'язкості. Джерела інформації: 1. Патент США 5032189 МКИ С22F1/18. /Способ измельчения зернистой структура слитка из титанового сплава, обработанного на b-фазу// Опубл. ИЗР №3, вып.48, 1993. 1. А.с. СССР 529869 МКИ С22F1/18. /Петров В.А. Способ термообработки титановых b-сплавов. // Опубл. 15.02.1978. 3. Деклараційний патент України 53076 А МКВ С22F1/18. /Шаповалова О.М., Маркова І.А., С усленкова С.В. Спосіб термічної обробки титанових сплавів. /Опубл. 15.01.2003.