RU2380189C1

RU2380189C1 - Method for plastic working of titanium alloys

Info

Publication number: RU2380189C1
Application number: RU2008116468/02A
Authority: RU
Original assignee: Онищенко Анатолий Кондратьевич
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2010-01-27
Also published as: RU2008116468A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention is related to plastic working and may be used in aviation and power industry to manufacture high-duty items for gas turbine engines, gas turbine plants and airplane structures of titanium alloys. Plastic working of titanium alloys includes processing of billet in β - plane and its further processing for final dimensions. Processing in β - plane is carried out to produce intermediate dimensions of stock with allowance. Further processing for final dimensions of billet is carried out in α+β - plane with extent of deformation of at least 0.2% in the whole volume of billet. Besides cold treatment of billet is carried out.

EFFECT: invention provides for elimination of microcracks formation, improved efficiency of plastic working processes and physical-mechanical properties of items from titanium alloys.

5 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к обработке давлением и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности при изготовлении изделий ответственного назначения для газотурбинных двигателей (ГТД), газотурбинных установок (ГТУ) и самолетных конструкций из титановых сплавов.The invention relates to pressure processing and can be used in the aviation and energy industries in the manufacture of critical products for gas turbine engines (GTE), gas turbine units (GTU) and aircraft structures made of titanium alloys.

Известен способ обработки давлением титановых сплавов, при котором предварительную обработку заготовки - слитка - производят в β и α+β-областях, а окончательную - в α+β-области (см., например, Технология производства титановых самолетных конструкций. / А.Г.Братухин, Б.А.Колачев, В.В.Садков и др. - М.: Машиностроение, 1995. - С.191-199).A known method of pressure treatment of titanium alloys, in which the pre-treatment of the workpiece - ingot - is produced in β and α + β-regions, and the final - in the α + β-region (see, for example, Production technology of titanium aircraft structures. / A.G. .Bratukhin, B.A. Kolachev, V.V. Sadkov and others. - M.: Mechanical Engineering, 1995. - P.191-199).

Недостатком указанного способа является то, что при таких термомеханических условиях обработки готовые изделия имеют низкую ударную вязкость (KCU, Дж/м² 20-40) и низкое сопротивление вязкости разрушения (K_1C МПа^1/2 40-110).The disadvantage of this method is that under such thermomechanical processing conditions, the finished products have low impact strength (KCU, J / m ² 20-40) and low fracture toughness (K _1C MPa ^1/2 40-110).

Известен способ обработки давлением титановых сплавов, при котором нагрев под деформирование проводят до температур ниже α→β превращения. При этом малые обжатия 20-25% допустимы лишь в случае, если металл не перегрет выше температуры α→β перехода (см. кн. Технология создания неразъемных соединений при производстве газотурбинных двигателей. / Ю.С.Елисеев, С.Б.Масленков, В.А.Гейкин, В.А.Поклад. / Под. общ. ред. С.Б.Масленкова. - М.: Наука и технологии, 2001. - С.285-286).A known method of pressure treatment of titanium alloys, in which heating under deformation is carried out to temperatures below the α → β transformation. In this case, small reductions of 20-25% are permissible only if the metal does not overheat above the temperature of the α → β transition (see the book. Technology for the creation of permanent joints in the production of gas turbine engines. / Yu.S. Eliseev, S.B. Maslenkov, V.A. Geikin, V. A. Poklad. / Under the general editorship of S.B. Maslenkov. - M.: Science and Technology, 2001. - P.285-286).

Недостатком данного способа также является низкое значение коэффициента вязкости разрушения сплавов в готовых изделиях.The disadvantage of this method is the low value of the coefficient of fracture toughness of the alloys in the finished product.

Известен способ обработки давлением титановых сплавов, включающий обработку заготовки в β-области и последующую ее обработку на окончательные размеры в α+β-области (патент РФ 2314362, B21J 1/04, опубл. 10.01.2008).A known method of pressure treatment of titanium alloys, including processing the workpiece in the β-region and its subsequent processing to final dimensions in the α + β-region (RF patent 2314362, B21J 1/04, publ. 10.01.2008).

Недостатком способа являются большие скорости (прессование) деформации при обработке на окончательные размеры в α+β-области, вызывающие образование микротрещин по границам зерен и, соответственно, снижающие вязкость разрушения сплава в готовых изделиях.The disadvantage of this method is the high speed (pressing) of deformation during processing to the final dimensions in the α + β region, causing the formation of microcracks along the grain boundaries and, accordingly, reducing the fracture toughness of the alloy in the finished products.

Этот недостаток указанных, а также многих других известных способов обработки давлением титановых сплавов обусловлен тем, что при обработке в двухфазной (α+β-области) даже при малых скоростях и степенях деформации у этих сплавов образуются межзеренные граничные микротрещины, неконтролируемые УЗК и обнаруживаемые только при микроструктурном анализе. Они и являются причиной низкой ударной вязкости и сопротивления вязкости разрушения изделий (см., например, Коллингз Е.В. Физическое металловедение титановых сплавов: Пер. с англ. / Под ред. Веркина Б.И., Москаленко В.А. М.: Металлургия, 1988. - С.165, Сборник докладов 13^th International Forgemasters Meeting. - October 12-16, 1997, Pusan, Korea. - V.I, 1997. - p.247). To есть обработка титановых сплавов при высоких температурах в α+β-области недопустима. О возможности появления таких дефектов еще в 1947 г. предупреждал С.И.Губкин - «во избежания неравномерности деформации и появления значительных дополнительных напряжений не рекомендуется допускать в процессе деформации изменение фазового состояния. Температура окончания деформации должна быть взята на 20-30° выше линии изменения фазового состояния» (см. С.И.Губкин. Теория обработки металлов давлением. - М.: Металлургиздат, 1947. - С.470-471). И кузнецам давно известно, что ковка в двухфазной области не рекомендуется, так как приводит не только к внутренним, но и крупным наружным трещинам (пример, при ковке и прокатке феррито-аустенитных сталей).This drawback of these, as well as many other known methods of pressure treatment of titanium alloys is due to the fact that when processing in the two-phase (α + β-region), even at low speeds and degrees of deformation, these alloys form grain boundary microcracks that are uncontrolled by ultrasonic testing and are detected only at microstructural analysis. They are the cause of low impact strength and fracture toughness resistance (see, for example, Collings E.V. Physical Metallurgy of Titanium Alloys: Transl. From English / Ed. By Verkin B.I., Moskalenko V.A. M. : Metallurgy, 1988. - P.165, Collection of reports 13 ^th International Forgemasters Meeting. - October 12-16, 1997, Pusan, Korea. - VI, 1997. - p.247). That is, the processing of titanium alloys at high temperatures in the α + β region is unacceptable. S.I. Gubkin warned of the possibility of such defects in 1947 - “in order to avoid uneven deformation and the appearance of significant additional stresses, it is not recommended to allow a change in the phase state in the process of deformation. The temperature of the end of deformation should be taken 20-30 ° above the line of phase state change "(see S. I. Gubkin. Theory of metal forming. - M.: Metallurgizdat, 1947. - S. 470-471). And blacksmiths have long known that forging in the two-phase region is not recommended, as it leads not only to internal, but also large external cracks (for example, when forging and rolling ferritic-austenitic steels).

Поэтому применение таких режимов обработки особенно недопустимо для изделий авиакосмической техники длительного использования и наземных ГТУ.Therefore, the use of such processing modes is especially unacceptable for products of aerospace engineering for long-term use and ground-based gas turbines.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является устранение указанных недостатков - образования микротрещин, повышение производительности процессов обработки давлением и физико-механических свойств изделий из титановых сплавов.The technical result, the achievement of which the claimed solution is directed, is to eliminate these drawbacks - the formation of microcracks, increasing the productivity of pressure processing processes and the physicomechanical properties of titanium alloy products.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки давлением титановых сплавов, включающем обработку заготовки в β-области и последующую ее обработку на окончательные размеры в α+β-области, отличающемся тем, что обработку в β-области производят до получения промежуточных размеров заготовки с припуском, обеспечивающим обработку на окончательные размеры в α+β-области со степенью деформации не менее 0,2% во всем объеме заготовки, при этом осуществляют холодную обработку заготовки на окончательные размеры.The specified technical result is achieved in that in the method of pressure treatment of titanium alloys, including processing the workpiece in the β-region and its subsequent processing to the final dimensions in the α + β-region, characterized in that the processing in the β-region is performed until intermediate sizes of the workpiece with an allowance that provides processing for the final dimensions in the α + β region with a degree of deformation of at least 0.2% in the entire volume of the workpiece, while the workpiece is cold-worked for final dimensions.

В способе обработку в β-области осуществляют с обеспечением расположения осей 1-го порядка дендритов вдоль оси заготовки.In the method, the processing in the β-region is carried out with the location of the axes of the 1st order of dendrites along the axis of the workpiece.

В способе после обработки в β-области производят закалку заготовки.In the method, after processing in the β-region, the workpiece is quenched.

В способе после обработки в β-области производят отжиг заготовки.In the method, after processing in the β-region, the preform is annealed.

В способе после окончательной обработки давлением производят термическую обработку поковки.In the method, after the final pressure treatment, the forgings are heat treated.

Расширение интервала нагрева и обработки давлением заготовки в β-области, практически до готовых размеров поковки, обеспечивает повышение производительности процесса, значительно снижает мощность обрабатывающего оборудования и позволяет формовать изделия самой сложной формы за счет «сверхпластичности» титановых сплавов в β-области.The extension of the heating and pressure treatment interval of the workpiece in the β-region, almost to the finished forging sizes, provides an increase in the process productivity, significantly reduces the power of the processing equipment and allows the molding of products of the most complex shape due to the "superplasticity" of titanium alloys in the β-region.

Обработка на окончательные размеры поковки «в холодную» в α+β-области позволяет избежать появления межзеренных граничных трещин, так как основным механизмом пластической деформации при этих температурах является дислокационный внутризеренный, а не межзеренное проскальзывание, являющееся основным механизмом при горячей деформации.Processing to the final forgings dimensions “cold” in the α + β-region avoids the appearance of intergranular boundary cracks, since the main mechanism of plastic deformation at these temperatures is dislocation intragranular rather than intergranular slippage, which is the main mechanism during hot deformation.

Формирование волокна поковки в направлении максимальных рабочих напряжений в детали позволяет достичь оптимального комплекса физико-механических свойств сплава в наиболее опасном при работе изделия направлении.The formation of the forging fiber in the direction of maximum working stresses in the part allows to achieve the optimal set of physicomechanical properties of the alloy in the direction most dangerous during operation of the product.

Закалку или отжиг заготовки соответственно для термически упрочняемых и не упрочняемых сплавов перед окончательной обработкой «в холодную» производят для повышения технологической пластичности сплава при последующей окончательной обработке давлением.Quenching or annealing of the workpiece, respectively, for thermally hardened and non-hardenable alloys before final processing "in the cold" is performed to increase the technological plasticity of the alloy during subsequent final processing by pressure.

Проведение термической обработки поковки позволяет получить уровень физико-механических свойств, превышающий ТУ и оптимальную микроструктуру в поковке, при существующих режимах обработки недостижимую ввиду неизбежной температурной неоднородности по сечению заготовки (особенно крупной - диаметром более 500 мм).Carrying out heat treatment of the forgings makes it possible to obtain a level of physicomechanical properties that exceeds TU and the optimal microstructure in the forgings, which is unattainable under existing processing conditions due to the inevitable temperature inhomogeneity over the billet cross section (especially large - with a diameter of more than 500 mm).

На фиг.1 и 2 представлены фотографии микроструктуры различных титановых сплавов с межзеренными трещинами, образововшимися при горячей обработке сплавов в двухфазной α+β-области при ковке на прессе, а также после раскатки на стане (собственные исследования автора и японских ученых).Figures 1 and 2 show photographs of the microstructure of various titanium alloys with intergranular cracks formed during the hot processing of alloys in the two-phase α + β region during forging on the press, and also after rolling on the mill (own studies of the author and Japanese scientists).

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Заготовку - слиток из титанового сплава, нагревают до температуры 1250-1150°С (на 300-200°С выше А₃) и проводят протяжкуслитка на F молоте или прессе с уковом (У) не менее 10-12

,The workpiece is an ingot of titanium alloy, heated to a temperature of 1250–1150 ° C (300–200 ° C higher than A ₃ ) and drawn in a F hammer or press with an uk (U) of at least 10-12

,

где F₀, F_k - соответственно начальная и конечная площади сечения заготовки) для полного перевода литой дендритной структуры слитка в волокнистую, образованную осями 1-го порядка дендритов. После такой протяжки волокно в заготовке будет направлено вдоль оси последней. При этом, в случае получения передельной круглой заготовки протяжку проводят до диаметра D+Δd, где Δd - припуск по диаметру, обеспечивающий проведение последующей холодной обработки давлением со степенью деформации не менее 0, 2% или 0, 002

, где ε - относительная степень деформации), откуда для применимой для практики точностью Δd составляет 0,002 D. Заканчивают протяжку при температуре на 10-20°С выше А₃. Затем заготовку охлаждают (в воде, на воздухе или с печью - в зависимости от марки сплава), проводят зачистку поверхностных дефектов (по необходимости) и холодную прокатку в калибрах на окончательные размеры прутка.where F ₀ , F _k are, respectively, the initial and final cross-sectional areas of the workpiece) for the complete transfer of the cast dendritic structure of the ingot into a fibrous one, formed by the axes of the 1st order of dendrites. After such a pull, the fiber in the preform will be directed along the axis of the latter. In this case, in the case of obtaining a round billet, broaching is carried out to a diameter of D + Δd, where Δd is the allowance in diameter, which ensures subsequent cold processing with a degree of deformation of at least 0, 2% or 0, 002

, where ε is the relative degree of deformation), whence, for practical accuracy, Δd is 0.002 D. The broaching is completed at a temperature of 10-20 ° C above A ₃ . Then the billet is cooled (in water, in air or with a furnace, depending on the alloy grade), surface defects are cleaned up (if necessary) and cold-rolled in gauges for the final bar sizes.

Проводят визуальный контроль поверхности прутка, зачистку поверхностных дефектов (по необходимости) и окончательную термическую обработку в соответствии с ТУ.Visual inspection of the surface of the bar, cleaning of surface defects (if necessary) and final heat treatment in accordance with TU are carried out.

Конкретная реализация способа рассмотрена на примере изготовления кольца - фланца для ГТД из сплава ВТ 20.A specific implementation of the method is considered on the example of the manufacture of a ring-flange for gas turbine engines from VT 20 alloy.

Мерную кованную заготовку диаметром 140 мм и длиной 170 мм с расположением волокна вдоль оси заготовки нагревали в электропечи до температуры 1150°С с выдержкой при этой температуре в течение 3 часов, после чего передали на молот с массой падающих частей 3 т, провели плющение заготовки до толщины 80 мм, обкатали на круг и прошили центральное отверстие диаметром 100 мм, провели правку торцов. Ковку закончили при температуре 990°С. Затем полученную заготовку вновь нагрели до температуры 1150°С и провели окончательную раскатку кольца на оправке до окончательных размеров по диаметру (D_нар=300 мм и D_вн=230 мм), при этом высота кольца (Н) после раскатки, из-за уширения, составила 85 мм (при окончательном размере поковки 80 мм). То есть после горячей раскатки образовался припуск по высоте кольца в 5 мм, превышающий необходимые 0,002Н. После окончания раскатки при температуре 980°С поковку охладили водовоздушной струей до температуры цеха.Measured forged billet with a diameter of 140 mm and a length of 170 mm with the fiber along the axis of the billet was heated in an electric furnace to a temperature of 1150 ° C with holding at this temperature for 3 hours, after which it was transferred to a hammer with a mass of falling parts of 3 tons, the workpiece was flattened to thickness 80 mm, run into a circle and stitched a central hole with a diameter of 100 mm, straightened the ends. Forging was completed at a temperature of 990 ° C. Then, the obtained billet was again heated to a temperature of 1150 ° C and the final rolling of the ring on the mandrel was carried out to the final diameter (D _nar = 300 mm and D _ext = 230 mm), while the height of the ring (N) after rolling, due to broadening , amounted to 85 mm (with a final forging size of 80 mm). That is, after hot rolling, an allowance was formed along the height of the ring of 5 mm, exceeding the required 0.002N. After rolling at a temperature of 980 ° C, the forging was cooled by a water-air jet to the temperature of the workshop.

После визуального осмотра поковку кольца установили на плоскую нижнюю плиту и на молоте 3т за один удар выровняли торцы кольца и провели его высотную деформацию до размера 80 мм. То есть с относительной деформацией 6% (0,06).After visual inspection, the forging of the ring was installed on a flat bottom plate and on the 3t hammer, the ends of the ring were aligned in one stroke and its height deformation was carried out to a size of 80 mm. That is, with a relative strain of 6% (0.06).

После проведения отжига при температуре 950°С (А₃=980°С) на кольце были получены следующие свойства: σ_в=99,6 кгс/мм², δ=13,4%, ψ=34,8%, KCU=9,7 кгс м/см². При требованиях СТП КМЗ (кольцо катанное), соответственно, 90 кгс/мм², 7%, 20% и 2,5 кгс м/см².After annealing at 950 ° C (A ₃ = 980 ° C) on the ring following properties they were obtained: σ _in = 99.6 kgf / mm ^2, δ = 13,4%, ψ = 34,8%, KCU = 9.7 kgf m / cm ² . Under the requirements of STP KMZ (rolled ring), respectively, 90 kgf / mm ² , 7%, 20% and 2.5 kgf m / cm ² .

Claims

1. The method of pressure treatment of titanium alloys, including processing the workpiece in the β-region and its subsequent processing to the final dimensions in the α + β-region, characterized in that the processing in the β-region is carried out until intermediate sizes of the workpiece with an allowance for processing on final dimensions in the α + β-region with a degree of deformation of at least 0.2% in the entire volume of the workpiece, while the workpiece is cold-worked for the final dimensions.

2. The method according to claim 1, characterized in that the processing in the β-region is carried out with the provision of the location of the axes of the 1st order of dendrites along the axis of the workpiece.

3. The method according to claim 1, characterized in that after processing in the β-region, the workpiece is quenched.

4. The method according to claim 1, characterized in that after processing in the β-region, the workpiece is annealed.

5. The method according to claim 1, characterized in that after processing to the final dimensions, the resulting forgings are heat treated.