способ изготовления плит из двухфазных титановых сплавов
Классы МПК: | C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов B21B3/00 Прокатка специальных сплавов, поскольку состав сплава требует особых способов или технологии прокатки |
Автор(ы): | Водолазский Валерий Федорович (RU), Водолазский Федор Валерьевич (RU), Козлов Александр Николаевич (RU), Чащин Михаил Викторович (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое Акционерное Общество "Корпорация ВСМПО-АВИСМА" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-01-11 публикация патента:
10.09.2013 |
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к термомеханической обработке двухфазных титановых сплавов в процессе получения толстых листов и плит. Способ включает горячее деформирование слитка в сляб, горячую прокатку и последующую термическую обработку плит, где горячее деформирование слитка в сляб производят в один этап и сразу после достижения конечной толщины, в процессе деформации сляба, его быстро охлаждают на глубину от поверхности от 20 до 30 мм со скоростью не менее 50°С/мин, а последующую горячую продольную прокатку ведут на первой стадии в + -области частными обжатиями со степенью деформации i от 3% до 5%, до суммарной степени деформации =25 30%, с паузами между проходами продолжительностью от 8 до 12 с, на второй стадии - в -области от температуры нагрева, определяемой по определенной формуле, а на последующих стадиях прокатку ведут в + -области с прерываниями и нагревами в продольных или поперечных направлениях с суммарной степенью деформации после каждого прерывания до 60%. Полученные плиты характеризуются однородной мелкозернистой макроструктурой, повышенным уровнем и стабильностью механических свойств, а также высокой точностью геометрических размеров и отсутствием поверхностных дефектов. 2 табл.
Формула изобретения
Способ изготовления плит из двухфазных титановых сплавов, включающий горячее деформирование слитка в сляб, горячую прокатку и последующую термическую обработку плит, отличающийся тем, что производят одноэтапное горячее деформирование слитка в сляб и сразу после достижения в процессе деформации конечной толщины сляба осуществляют быстрое охлаждение на глубину сляба от поверхности от 20 мм до 30 мм со скоростью не менее 50°С/мин, затем ведут последующую горячую продольную прокатку, причем на первой стадии - в + -области от температуры нагрева ТН=(TПП -20 40)°C частными обжатиями со степенью деформации i, от 3% до 5% до суммарной степени деформации =25 30% и с паузами между проходами продолжительностью от 8 с до 12 с, а на второй стадии - в -области от температуры нагрева, определяемой по формуле:
ТН (ТПП+(10×МоЭК+80))°С,
где ТН - температура нагрева сляба, °С;
ТПП - температура полиморфного превращения, °С;
MoЭК - молибденовый эквивалент, рассчитываемый по формуле:
МоЭК=[Mo]+[V]/1,5+[Cr]·1,25+[Fe]·2,5+[Ni]/0,8, мас.%,
на последующих стадиях прокатку ведут в + -области с прерываниями и нагревами в продольных или в поперечных направлениях с суммарной степенью деформации после каждого прерывания до 60%.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к термомеханической обработке двухфазных титановых сплавов в процессе получения толстых листов и плит
Известно, что структура и ее однородность оказывают решающее влияние на уровень и стабильность механических свойств толстых листов и плит (далее плит). Поэтому при разработке технологического процесса изготовления плит критичным является подбор условий формирования структуры при горячем деформировании псевдо -, ( + )-титановых сплавов.
Известна типовая схема технологии производства горячекатаных плит, включающая нагрев сляба, горячую прокатку, резку на мерную длину, отжиг и отделочные операции (Титановые сплавы. Полуфабрикаты из титановых сплавов. Ответств. редакторы: Н.Ф. Аношкин, М.З. Ерманок. М., ОНТИ ВИЛС, 1996, с.207-210).
Известен способ изготовления плит из титановых сплавов (Патент РФ № 2169791, МПК C22F 1/18), включающий нагрев сляба до температуры прокатки, предварительную прокатку в две стадии, нагрев раската до температуры прокатки и окончательную прокатку, при этом прокатка производится с регламентированными температурными и деформационными режимами
Использование патента ( № 2169791, МПК C22F 1/18) при изготовления плит из + -сплавов типа ВТ23, ВТ22 с более высоким коэффициентом -фазы (сплавы так называемого «критического» состава), чем у сплава ВТ6, приводит к получению неоднородной структуры, выпадам по свойствам, повышенной отбраковке металла.
В данных схемах изготовления горячекатаных плит не регламентируются временные факторы технологического процесса, влияние химического состава титановых сплавов, что приводит к неоднородности структуры, нестабильности и анизотропии механических свойств.
Прототипом выбран способ изготовления плит двухфазных титановых сплавов (Патент РФ № 2378410, МПК C22F 1/18), включающий горячее деформирование слитка в сляб в три этапа, горячую прокатку плит в несколько стадий с промежуточным охлаждением между стадиями до комнатной температуры и последующую термическую обработку плит. Длительность процесса деформации слитка в сляб обусловлено необходимостью уже на этом этапе придать металлу необходимые структурные и пластические свойства для последующей прокатки. Полученные плиты характеризуются однородной мелкозернистой макроструктурой, повышенным уровнем и стабильностью механических свойств.
Недостатками прототипа является то, что процесс деформации слитка в сляб осуществляется в три этапа, что связано со значительными временными и материальными затратами на проведение нагревов, основных и вспомогательных технологических операций, а также большими потерями металла, связанными с угаром и возникающими поверхностными дефектами.
Попытки снизить трудоемкость деформирования слитка, а именно - ограничиться прессованием сляба за один этап, при сохранении качества плит, не дали положительных результатов из-за неоднородной структуры сплава по сечению, так как в дальнейшем это приводит к тому, что:
- при деформировании слитка в один этап на границе крупных -зерен, которые сохраняются в поверхностных слоях, происходит интенсивное развитие оторочки -фазы, которая может превысить критические размеры, и служить причиной интенсивного развития трещин при последующей прокатке;
- при недостаточности проработки структуры сплава (недостаточности пластичности) при первой операции прокатки нерегламентируемый ритм прокатки приводит к недопустимому захоложиванию поверхности сляба, контактирующей с холодными валками (из-за низкой теплопроводности титановых сплавов температура поверхностных слоев не успевает восстанавливаться за счет прихода тепла из центральных областей) и наблюдается дефицит их пластичности.
Оба фактора снижают ресурс пластичности и приводят к появлению глубоких поверхностных трещин, которые могут классифицироваться как исправимый, а при неблагоприятном стечении обстоятельств, так и неисправимый брак. Плиты с исправимым браком требуют дополнительной механической обработки поверхности плит до удаления трещин. Эта операция трудоемкая, приводящая к большим потерям металла, а также к дополнительным временным и материальным затратам.
Задачей изобретения является повышение показателей конкурентоспособности толстых листов и плит за счет снижения себестоимости при сохранении высокого уровня и стабильности механических свойств, а также качества поверхности.
Техническим результатом при реализации данного изобретения является снижение трудоемкости процесса, повышение выхода годного, предотвращение появления поверхностных трещин в процессе термодеформационной обработки плит, при гарантированном обеспечении получения однородной макро- и микроструктуры.
Данный технический результат обеспечивается тем, что в способе изготовления плит из двухфазных титановых сплавов, включающем горячее деформирование слитка в сляб, горячую прокатку и последующую термическую обработку плит, горячее деформирование слитка в сляб производят в один этап и сразу же после достижения конечной толщины в процессе деформации сляба, его быстро охлаждают на глубину от поверхности от 20 до 30 мм со скоростью не менее 50°С/мин, последующую горячую продольную прокатку ведут на первой стадии в + -области от температуры нагрева ТН=(ТПП -20 40)°С малыми частными обжатиями со степенью деформации i от 3% до 5%, до суммарной степени деформации =25 30%, при этом выдерживают паузы между проходами продолжительностью от 8 до 12 с, а вторую стадию продольной прокатки проводят в -области от температуры нагрева, которую определяют по формуле:
где ТН - температура нагрева сляба, °С;
ТПП - температура полиморфного превращения, °С;
МоЭК - молибденовый эквивалент, который рассчитывается по формуле:
последующие стадии прокатки производят в + -области с прерываниями и нагревами в продольных или в поперечных направлениях с суммарной степенью деформации после каждого прерывания до 60%.
В процессе охлаждения деформированных за один этап слябов на границе -зерен происходит развитие оторочки -фазы, что снижает ресурс пластичности металла и приводит образованию поверхностных трещин при последующей прокатке в + -области. Это становится критичным фактором для предложенного изобретения, так как слиток деформируется в сляб за один этап и структура сляба еще в значительной мере наследует недостаточно пластичную литую структуру слитка, особенно это заметно в приповерхностных слоях. Купировать этот процесс, а именно образование приемлемой толщины оторочки -фазы на границе зерен, возможно при обеспечении необходимой скорости охлаждения слитка после финишной стадии деформации слитка в сляб, при этом скорость охлаждения должна быть не менее 50°С/мин и распространятся на глубину от 20 до 30 мм. Как показала практика для этого во многих случаях вполне достаточно сохранять контакт между поверхностями сляба и инструмента после деформации или охлаждать сляб в воде, при этом время контакта, нахождения сляба в воде определяются опытным путем.
На первой стадии прокатки из-за того, что структура сляба, деформированного за один этап, еще не достаточно проработана и его ресурс пластичности ограничен, поэтому нерегламентируемый ритм прокатки приводит к критичному захоложиванию поверхности сляба, контактирующей с холодными валками. Это вызвано тем, что с целью увеличения производительности процесса прокатки, операторов прокатных станов, традиционно ориентируют на сокращение продолжительности пауз между проходами до 3-5 с.Из-за низкой теплопроводности титановых сплавов температура поверхностных слоев не успевает восстанавливаться за счет прихода тепла из центральных областей, что приводит к появлению на захоложенной поверхности сляба трещин, зарождающихся на тройных стыках -зерен. Интервал между проходами продолжительностью от 8 до 12 с позволяет выровнять температурное поле по сечению сляба до приемлемого уровня, не провоцирующего образование поверхностных трещин.
При выборе температуры первой + -прокатки учитывали, что достаточная степень "полугорячего наклепа" сообщается металлу лишь при наличии и соответствующей устойчивости межфазных границ. Чтобы не допустить на первой стадии прокатки в + -области развития процессов динамической и спонтанной рекристаллизации, прокатку осуществляли малыми частными обжатиями i=3 5% до суммарной степени деформации от 20% до 30% при температуре ТПП-20 40°С, при этом металлу сообщается достаточная степень "полугорячего наклепа", что обеспечивает в металле повышенный энергетический уровень для обеспечения эффекта рекристаллизации -зеренной структуры в последующей второй стадии прокатки в -области. Температура нагрева последующей второй стадии прокатки в -области определяется по формуле (1), которая получена на основании экспериментальных данных.
Температура нагрева сляба на второй стадии прокатки, обеспечивающая требуемый эффект рекристаллизации -фазы, зависит от химического состава сплава, а именно от его молибденового эквивалента МоЭК, формула (2).
Для обеспечения заданного уровня механических свойств последующие стадии прокатки производят в + -области с прерываниями и нагревами в продольных или в поперечных направлениях с суммарной степенью деформации после каждого прерывания 8 до 60%. Металл на этом этапе и приданных режимах имеет запас пластичности, который не требует строгой регламентации ритма прокатки.
В последующих примерах конкретного выполнения, температура нагрева перед второй прокаткой была определена в соответствии с формулами 1 и 2.
Пример 1
Предлагаемый способ был опробован при изготовлении плит размерами 16×900×2000 мм из двухфазного титанового сплава Ti-6Al4V. Температура полиморфного превращения сплава Тпп=980°С. Изготовление сляба производили из слитка диаметром 740 мм. Слиток нагревали до температуры 1180°С (на 210°С выше Тпп), прессовали в замкнутом штампе на размеры 276×1080×1600 мм и выдерживали полученный сляб в штампе, не поднимая верхней гравюры, в течение 3 мин, что обеспечило скорость охлаждения поверхностного слоя на глубину 20 мм не менее 50°С/мин. Дальнейшее охлаждение сляба осуществлялось на адъюстаже раздельно без соприкосновения с другими горячими слябами. Механически обработанный до размеров 266×1080×1700 мм сляб нагревали до температуры 940°С (на 40°С ниже Тпп) и прокатывали на стане кварто-2000 малыми обжатиями i=3-4% с интервалом между проходами продолжительностью от 8 до 12 с до суммарной степени деформации =25% с последующим охлаждением до температуры цеха. При визуальном осмотре поверхностных трещин не обнаружено. Далее раскат нагревали до температуры 1090°С, прокатывали со степенью деформации =55% и охлаждали до температуры цеха. Затем раскат нагревали до температуры 940°С (на 40°С ниже Тпп) и проводили прокатку со степенью деформации =50%. После охлаждения полосу раскраивали на краты и окончательную прокатку со степенью деформации =50% проводили в поперечном направлении.
Полученные плиты подвергали термообработке обработке, а также последующим испытаниям механических свойств и контролю структуры.
Результаты испытаний соответствовали требованиям отечественных ТУ-1-805-391-79 и международных стандартов А3304, AMS4911H.
Пример 2
Предлагаемый способ был опробован при изготовлении плит размерами 50×1000×2000 мм из двухфазного титанового сплава ВТ 23. Температура полиморфного превращения сплава Тпп=890°С. Изготовление сляба производили из слитка диаметром 740 мм массой 3200 кг. Слиток нагревали до температуры 1150°С (на 260°С выше Тпп), проводили ковку за один этап до размеров 300×1100×1700 мм и охлаждали полученный сляб в баке с водой в течение 3 мин, чтобы обеспечить скорость охлаждения поверхностного слоя на глубину 20 мм не менее 50°С /мин. Дальнейшее охлаждение сляба осуществлялось на адьюстаже раздельно без соприкосновения с другими горячими слябами. Механически обработанный на размеры 280×1080×1730 мм сляб нагревали до температуры 860°С прокатывали на стане кварто2000 малыми обжатиями i=3-4% с интервалом между проходами продолжительностью от 8 до 12 с до суммарной степени деформации 8=25% с последующим охлаждением до температуры цеха. При визуальном осмотре поверхностных трещин не обнаружено. Далее раскат нагревали до температуры 1050°С, прокатывали со степенью деформации =65% и охлаждали до температуры цеха. Затем раскат нагревали до температуры 860°С (на 30°С ниже ТПП) и проводили окончательную прокатку со степенью деформации =50%.
Полученные плиты подвергали термообработке обработке, а также последующим испытаниям механических свойств и контролю структуры.
Результаты испытаний соответствовали требованиям отечественных TY1-805-103-8L
Механические свойства приведены в табл.1.
Таблица 1 | |||||
Механические свойства | |||||
Способ изготовл ения плит | Состояние испытываемых образцов | временное сопротивление , кг/мм2 | относительное удлинение , % | относительное сужение , % | ударная вязкость KCU, МДж/м 2 |
Состаренное | 132 | 9,6 | 28,0 | 0,35 | |
Предлагаемое | Закаленное и состаренное | 130,5 | 10,6 | 31,0 | 0,33 |
Состаренное | 124,3 | 7,8 | 13,9 | 0,34 | |
Известное | Закаленное и состаренное | 128,4 | 8,4 | 18,4 | 0,31 |
ТУ1-805-103-81 | Термоупрочненное | 110-130 | 8,0 | 11,0 | 0,30 |
Пример 3
Предлагаемый способ применяли при изготовлении плит размерами 45×1000×2000 мм из двухфазного титанового сплава ВТ 22. Температура полиморфного превращения сплава ТПП =870°С. Изготовление сляба производили из слитка диаметром 740 мм. Слиток нагревали до температуры 1200°С (на 330°С выше ТПП) и производили ковку за один этап до размеров 300×1100×1700 мм и охлаждали полученный сляб в баке с водой в течение 3 мин, чтобы обеспечить скорость охлаждения поверхностного слоя на глубину 20 мм не менее 50°С/мин. Дальнейшее охлаждение сляба осуществлялось на адьюстаже раздельно без соприкосновения с другими горячими слябами. Механически обработанный до размеров 280×1080×1700 мм сляб нагревали до температуры 840°С (на 30°С ниже ТПП) и проводили прокатку на стане кварто 2000 малыми обжатиями i=3-4% до суммарной степени деформации =25%, с интервалами между проходами продолжительностью 8-12 с и с последующим охлаждением до температуры цеха. При визуальном осмотре поверхностных трещин не обнаружено. Далее раскат нагревали до температуры 1075°С, прокатывали со степенью деформации =58% и охлаждали до температуры цеха. Затем раскат нагревали до температуры 900°С (на 30°С ниже ТПП) и проводили окончательную прокатку со степенью деформации =50%.
Полученные плиты подвергали термообработке, а также последующим испытаниям механических свойств и контролю структуры. Результаты испытаний механических свойств приведены в табл.2.
Макроструктура плит 5-6 баллов, участки 7 баллов, допускаемые в ТУ 1-92-31-74 и И1054-76 для серийных плит отсутствуют.
Микроструктура плит 1-3 типа, участки 4 типа, допускаемые в ТУ 1-92-31-74 и И1054-76 для серийных плит отсутствуют.
Таблица 2 | |||||
Способ изготовле ния плит | Состояние испытываемых образцов | Механические свойства | |||
временное сопротивление , кг/мм2 | относительное удлинение , % | относительное сужение , % | ударная вязкость KCU, МДж/м 2 | ||
Предлагае мый | отожженное | 120,1 | 12,8 | 30,9 | 0,30 |
отожженное | 122,8 | 12,5 | 29,1 | 0,32 | |
Известный | отожженное | 124,3 | 7,2 | 12,4 | 0,34 |
отожженное | 118,4 | 8,0 | 18,4 | 0,31 | |
ТУ1-92-31-74 | отожженное | 110-130 | 6 | 16,0 | 0,25 |
Полученные плиты характеризуются однородной мелкозернистой макроструктурой, повышенным уровнем и стабильностью механических свойств, а также высокой точностью геометрических размеров и отсутствием поверхностных дефектов.
Класс C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов
Класс B21B3/00 Прокатка специальных сплавов, поскольку состав сплава требует особых способов или технологии прокатки