RU2574160C1

RU2574160C1 - Method of parts manufacturing from titanium alloys

Info

Publication number: RU2574160C1
Application number: RU2014138218/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Маслов; Артемий Владимирович Молоканов; Яков Алексеевич Соболев; Сергей Владимирович Шалыга; Александр Владимирович Шишурин
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2016-02-10

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: hot gas forming of blanks out of the titanium alloy BT22 is performed using superplastic deformation at a temperature from 870 to 960°C and the deformation rate of 10^-3 s^-1. The ready parts are additionally heat treated in the (α+β)-area at a temperature from 860 to 880°C.

EFFECT: improved strength characteristics of the product out of the titanium alloy BT22, in particular crack strength.

Description

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам получения деталей или изделий с гарантированными функциональными свойствами, и может быть использовано для оптимизации технологического процесса сверхпластической формовки.The invention relates to the field of metallurgy, mainly to methods for producing parts or products with guaranteed functional properties, and can be used to optimize the process of superplastic molding.

Материаловедческий подход к решению задачи о получении изделий с заданными функциональными свойствами состоит в том, чтобы создать регламентированную «подходящую» структуру в материале изделия. Этот подход основан на многочисленных систематических исследованиях связи между состоянием структуры и механическими свойствами металлов и сплавов [Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. - М.: Металлургия, 1984. - 264 с.; Аношкин Н.Ф., Белов А.Ф., Глазунов С.Г. Полуфабрикаты из титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1979. - 512 с.; Вишняков Я.Д. Материаловедение и теория технологии материалов в контексте наук о рисках и безопасности. Часть 1. Материаловедение. - 1998. - №4. - с. 36…48; №5. - с. 51…56].The material science approach to solving the problem of obtaining products with predetermined functional properties is to create a regulated “suitable” structure in the product material. This approach is based on numerous systematic studies of the relationship between the state of the structure and the mechanical properties of metals and alloys [Kaybyshev OA Superplasticity of industrial alloys. - M .: Metallurgy, 1984. - 264 p .; Anoshkin N.F., Belov A.F., Glazunov S.G. Semi-finished products from titanium alloys. - M.: Metallurgy, 1979. - 512 p .; Vishnyakov Y.D. Material science and theory of material technology in the context of risk and safety sciences. Part 1. Material science. - 1998. - No. 4. - from. 36 ... 48; No. 5. - from. 51 ... 56].

Таким образом, на языке материаловедения и технологии проблема получения изделий повышенной надежности состоит в том, чтобы:Thus, in the language of materials science and technology, the problem of obtaining products of high reliability is that:

1) выделить (установить) те механические свойства материала, от которых главным образом зависит повышенная надежность изделия;1) highlight (establish) those mechanical properties of the material, on which the increased reliability of the product mainly depends;

2) установить вид структуры материала, обеспечивающий наибольшие значения характеристик именно этих механических свойств;2) establish the type of structure of the material that provides the highest values of the characteristics of these particular mechanical properties;

3) получить в материале изделия структуру именно этого вида (или в определенных частях изделия структуру определенного типа);3) to obtain in the material of the product a structure of this particular type (or in certain parts of the product a structure of a certain type);

4) в изделиях массового производства обеспечить стабильное получение структуры требуемого типа.4) in products of mass production to ensure stable receipt of the structure of the required type.

По типу микроструктуры все промышленные сверхпластичные сплавы можно разделить на две группы. Одна группа - сплавы с матричной структурой, в которых рост зерен основной фазы (матрицы) сдерживается частицами второй фазы, распределенными в матричной фазе. Примером сплавов этой группы являются алюминиевые сплавы 1201, 1420, В95 и др. Другая группа - сплавы с микродуплексной структурой, у которых зерна двух фаз перемещаются в пространстве и объемное соотношение фаз близко к 50%:50%. У этих сплавов максимально развита поверхность раздела двух фаз с разным типом кристаллической решетки и разным химическим составом и поэтому максимально взаимное торможение роста зерен этих фаз. Примером сплавов с микродуплексной структурой являются (α+β)-титановые сплавы ВТ1-3, ВТ6, ВТ14, ВТ22, ВТ23 и другие.By the type of microstructure, all industrial superplastic alloys can be divided into two groups. One group is alloys with a matrix structure, in which the growth of grains of the main phase (matrix) is restrained by particles of the second phase distributed in the matrix phase. An example of alloys of this group are aluminum alloys 1201, 1420, B95, etc. Another group is alloys with a micro duplex structure, in which grains of two phases move in space and the volume ratio of phases is close to 50%: 50%. These alloys have a maximally developed interface between two phases with a different type of crystal lattice and a different chemical composition, and therefore the mutual inhibition of grain growth of these phases is maximized. An example of alloys with a micro duplex structure are (α + β) -titanium alloys VT1-3, VT6, VT14, VT22, VT23 and others.

Титановые сплавы подвергают термической обработке всех видов, применяемых для сплавов на основе других металлов: отжигу разного назначения, закалке, старению и в меньшей степени, химико-термической обработке. Возможность эффективного влияния режимов термообработке на механические свойства титановых сплавов обусловлена тем обстоятельством, что полиморфное превращение β→α может происходить по двум схемам:Titanium alloys are subjected to heat treatment of all types used for alloys based on other metals: annealing for various purposes, quenching, aging, and to a lesser extent, chemical-thermal treatment. The possibility of an effective influence of heat treatment on the mechanical properties of titanium alloys is due to the fact that the polymorphic β → α transformation can occur according to two schemes:

а) путем зарождения новых частиц α-фазы в β-матрице, что приводит к упрочнению;a) by nucleation of new particles of the α-phase in the β-matrix, which leads to hardening;

б) путем роста уже существующих на первой ступени отжига части α-фазы; при этом укрупнение частиц α-фазы вызывает разупрочнение сплава.b) by growing the part of the α phase already existing in the first stage of annealing; wherein coarsening of the particles of the α phase causes softening of the alloy.

Эти два β→α превращения могут происходить одновременно или с некоторым смещением по времени.These two β → α transformations can occur simultaneously or with some time shift.

Температурные интервалы всех видов отжига снижаются с увеличением содержания β-стабилизаторов при неизменном содержании алюминия. При увеличении содержания алюминия температуру всех видов отжига приходится повышать, поскольку алюминий повышает температуру начала интенсивного развития возврата и рекристаллизации.The temperature ranges of all types of annealing decrease with increasing content of β-stabilizers with a constant aluminum content. With an increase in the aluminum content, the temperature of all types of annealing has to be increased, since aluminum increases the temperature of the beginning of the intensive development of return and recrystallization.

Указанные изменения формы структурных составляющих происходят под влиянием ряда последовательно протекающих процессов. В каждой из фаз при этом происходят те же процессы, что и в соответствующей однофазной области, однако присутствие второй фазы вносит в процесс формирования черты, свойственные только двухфазному состоянию.These changes in the form of structural components occur under the influence of a number of sequentially occurring processes. In each phase, the same processes occur as in the corresponding single-phase region, however, the presence of the second phase introduces features characteristic of only the two-phase state into the formation process.

Известны способы изготовления крупногабаритных штамповок из титановых сплавов (ВТ3-1, ВТ6, ВТ-22, ВТ-23 и др.) методом сверхпластической деформации (А.С. СССР №1577378, C22F 1/04, 1988; А.С. СССР 1759583, В23К 20/14, 1990; патент Великобритании №1301987, 1978; патент США №3927817, 1975).Known methods for the manufacture of large stampings from titanium alloys (VT3-1, VT6, VT-22, VT-23, etc.) by superplastic deformation (AS USSR No. 1577378, C22F 1/04, 1988; AS USSR 1759583, B23K 20/14, 1990; UK patent No. 1301987, 1978; US patent No. 3927817, 1975).

Наиболее близким по набору существенных признаков является техническое решение по патенту США №3920175, 1977 г., которое было принято авторами за ближайший аналог.The closest set of essential features is the technical solution for US patent No. 3920175, 1977, which was adopted by the authors for the closest analogue.

Недостатком данного способа является то, что при использовании титановых заготовок из сплава ВТ22 применяемая технология изготовления особо ответственных силовых деталей (шпангоуты, силовые нервюры, балки шассийные и т.д.) не позволяет добиться необходимой прочности готовых изделий (ударная вязкость, вязкость разрушения). Это связано с тем, что динамическая полигонизация и динамическая рекристаллизация в β-фазе при температурах (α+β)-области происходит легче, чем в α-фазе при тех же условиях. Внутризеренные α-пластины расчленяют объем крупных исходных β-зерен на сравнительно мелкие и очень разные. Формирующая в таких условиях субструктура очень неоднородна.The disadvantage of this method is that when using titanium billets from VT22 alloy, the applied technology for the manufacture of especially critical power parts (frames, power ribs, chassis beams, etc.) does not allow to achieve the necessary strength of the finished products (impact strength, fracture toughness). This is due to the fact that dynamic polygonization and dynamic recrystallization in the β phase at temperatures of the (α + β) region are easier than in the α phase under the same conditions. Intragranular α-plates divide the volume of large initial β-grains into relatively small and very different ones. The substructure forming under such conditions is very heterogeneous.

Целью настоящего изобретения является улучшение механических свойств силовых деталей из сплава ВТ22, для которых приоритетной характеристикой материала является трещиностойкость (K_1с) за счет улучшения морфологии микроструктуры исходного материла.The aim of the present invention is to improve the mechanical properties of power parts made of VT22 alloy, for which the priority characteristic of the material is fracture toughness (K _1c ) by improving the morphology of the microstructure of the starting material.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Для изготовления силовых деталей по разработанной ранее технологии изготавливают заготовки из высокопрочного титанового сплава ВТ22. Далее проводят горячую сверхпластическую деформацию (газовая формовка на основе сверхпластичности титановых сплавов) при температуре от 870°С до 960°С и скорости деформации 10^-3с^-1. Затем проводят термическую обработку готовых изделий по экспериментальным режимам в (α+β)-области. С целью оптимизации параметров температура варьировалась от 860°С до 880°С.For the manufacture of power parts according to the previously developed technology, billets are made of high-strength titanium alloy VT22. Next, hot superplastic deformation (gas molding based on the superplasticity of titanium alloys) is carried out at a temperature of from 870 ° C to 960 ° C and a strain rate of 10 ^-3 s ^-1 . Then, the finished products are heat treated according to the experimental regimes in the (α + β) region. In order to optimize the parameters, the temperature ranged from 860 ° C to 880 ° C.

Как и при обработке в α-области, деформация α-фазы происходит путем скольжения и двойникования. При температурах (α+β)-области каждая α-пластина изолирована от других пластин межфазной границей и имеет толщину обычно не более 2…4 мкм, что соизмеримо или даже меньше равновесного размера α-субзерна и рекристаллизированного зерна.As with processing in the α region, deformation of the α phase occurs by sliding and twinning. At temperatures of the (α + β) region, each α-plate is isolated from other plates by an interphase boundary and usually has a thickness of no more than 2 ... 4 μm, which is comparable or even smaller than the equilibrium size of the α-subgrain and recrystallized grain.

Чем ниже температура и выше скорость деформации, тем больше в структуре формированного сплава участков с высокой плотностью двойников деформации и нерегулярных дислокаций. При снижении скорости деформации в высокотемпературном интервале (α+β)-области успевает формироваться субзеренная структура.The lower the temperature and the higher the strain rate, the more in the structure of the formed alloy there are sections with a high density of deformation twins and irregular dislocations. With a decrease in the strain rate in the high temperature range of the (α + β) region, a subgrain structure has time to form.

Особенность деформации при температурах (α+β)-области - трансформация пластинчатой исходной структуры в глобулярную.The peculiarity of deformation at temperatures of the (α + β) region is the transformation of the lamellar initial structure into a globular one.

Проведенное металлографическое исследование микроструктуры сплава показало, что микроструктура глобулярного типа в сочетании частиц первичной α-фазы образцов, термообработанных в (α+β)-области, обеспечивают максимальный уровень пластичности и ударной вязкости, а также достаточно высокий уровень вязкости разрушения. Такая морфология микроструктуры обеспечивает максимально высокий уровень трещиностойкости K_1c, значительно превышающий уровень трещиностойкости деталей без дополнительной термообработки в (α+β)-области.A metallographic study of the alloy microstructure showed that the globular-type microstructure in combination of particles of the primary α-phase of the samples heat-treated in the (α + β) region provides the maximum level of ductility and impact strength, as well as a fairly high level of fracture toughness. Such a morphology of the microstructure provides the highest level of crack resistance K _1c , significantly exceeding the level of crack resistance of parts without additional heat treatment in the (α + β) region.

Claims

A method of manufacturing parts from VT22 titanium alloy, including hot gas molding of blanks using superplastic deformation, characterized in that said molding is carried out at a temperature of from 870 to 960 ° C and a strain rate of 10 ^-3 s ^-1 , and the finished parts are additionally subjected to thermal processing in the (α + β) region at a temperature of from 860 to 880 ° C.