способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана на основе орто-фазы

Классы МПК:B21K1/32 дисков, например дисков колес 
C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов 
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2013-02-21
публикация патента:

Изобретение относится к обработке металлов и может быть использовано при изготовлении поковок дисков горячим деформированием слитков из сплава на основе алюминида титана, основанного на орторомбической фазе Ti2NbAl. Слиток подвергают осадке-протяжке на восьмигранник с суммарным уковом 1,6-1,7. Окончательное деформирование осуществляют на рельефных бойках с 4-5 перемещениями по плоскости бойков, а затем в закрытом калибровочном штампе. Суммарный уков при окончательном деформировании составляет 3-5. В результате обеспечивается получение поковок дисков повышенной точности с однородной мелкозернистой структурой, обладающих высокими характеристиками удельной прочности и пластичности. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

Формула изобретения

1. Способ изготовления поковок дисков горячей деформацией слитков из сплава на основе алюминида титана, основанного на орторомбической фазе Ti2NbAl, включающий многократное обеспечение деформации слитка с подогревами при температурах выше и ниже температуры полиморфного превращения (Тпп ) и последующую термическую обработку, отличающийся тем, что сначала деформацию обеспечивают по схеме осадка-протяжка на восьмигранник с суммарным уковом 1,6-1,7, а окончательную деформацию с суммарным уковом 3-5 обеспечивают на рельефных бойках с 4-5 перемещениями по ним слитка и далее в закрытом калибровочном штампе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед обеспечением деформации слитка проводят его высокотемпературную газостатическую обработку при давлении 900-1300 атм и температуре выше Т пп.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов и сплавов давлением, а именно к способам изготовления поковок дисков горячей деформацией из слитков сплавов на основе алюминидов титана (интерметаллидных титановых сплавов), основанных на орторомбической фазе Ti 2NbAl. Изобретение может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности при производстве заготовок дисков газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок.

Известны три основные группы сплавов на основе алюминидов титана, обладающие различным фазовым составом: способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 -сплавы (TiAl), способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 2-сплавы (Ti3Al) и орто-сплавы (Ti 2NbAl), которые обладают уникальным комплексом физических и механических свойств (высокой прочностью, низкой плотностью, жаростойкостью, высокими антикоррозионными свойствами, высоким сопротивлением усталостному разрушению и ползучести).

Однако основным препятствием для масштабного применения интерметаллидных сплавов на основе способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 2- и способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 -фазы является их низкая пластичность (относительное удлинение, сужение и ударная вязкость при комнатной температуре). В то же время орторомбические сплавы имеют несколько более высокую плотность, чем сплавы TiAl и Тi3Al, но несмотря на это обладают высокими характеристиками низкотемпературной и высокотемпературной удельной прочности и пластичности, что позволяет рассматривать их как весьма перспективный материал для изготовления ответственных деталей аэрокосмической техники.

Известен способ получения кованых полуфабрикатов из литых сплавов системы Ti-Al, который включает предварительное деформирование в заданном интервале скоростей и температур за несколько этапов в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Техническим результатом изобретения является повышение технологической пластичности литого материала за счет реализации более благоприятной схемы деформации, в результате которой в объеме поковки формируется однородная и мелкозернистая структура (патент РФ № 203417, МКП B21J 5/00, В21J 1/04). Недостатком этого способа является то, что способ адаптирован для получения только лабораторных образцов из сплавов на основе способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 -алюминидов титана и не позволяет гарантированно получать качественные полуфабрикаты ответственного назначения прежде всего из-за возможного наличия литейной пористости в объеме полуфабриката. Указанный способ не пригоден для производства полуфабрикатов заготовок дисков в промышленных условиях.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения жаропрочных титановых сплавов на основе орто-фазы, который включает получение промежуточного материала путем ковки в способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 2+В2 или В2 области и последующий отжиг при температуре В2 области, в результате чего в материале формируется пластинчатая (O+В2) структура, позволяющая повысить ковкость и пластичность (патент JP 2011-52239 A, 2011.3.17, МКП C22F 1/18, С22С 14/00, C22F 1/00). Недостатком этого способа является то, что в предложенной технологии не предусмотрена операция по устранению литейной пористости перед деформацией, что снижает прочностные характеристики изделия. Также недостатком данного способа является низкий КИМ поковок вследствие отсутствия окончательной деформации и использования плоских бойков и калибровочного штампа. Существенным недостатком данного способа являются низкая прочность и пластичность полуфабриката при комнатной температуре вследствие плохой деформационной переработки исходной литой заготовки, что делает невозможным применение данного способа для изготовления деталей ответственного назначения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение в промышленных условиях поковок дисков повышенной точности с однородной мелкозернистой структурой, обеспечивающей получение высоких характеристик низкотемпературной и высокотемпературной удельной прочности и пластичности за счет применения высокотемпературной газостатической обработки (ВГО) с последующей деформацией.

Для решения поставленной задачи предложен способ изготовления поковок из сплавов алюминида титана на основе орто-фазы, включающий следующие этапы:

1. ВГО слитка при давлении 900-1300 атм и температуре выше температуры полиморфного превращения (Тпп) с выдержкой 2-6 ч.

2. Деформацию проводят по схеме:

- осадка-протяжка на восьмигранник вдоль первоначальной оси слитка и обкатка при температуре {(Тпп+100)÷(Тпп +200)}°C с суммарным уковом 1,6-1,7. Деформация включает осадку слитка в торец на высоту, равную диаметру, установку осаженного слитка на образующую поверхность и протяжку на квадрат, а затем, после поочередной установки на ребра, протяжку на восьмигранник длиной, равной исходной длине слитка, и обкатку;

- деформация по указанной схеме при температуре {Тпп ÷(Тпп+100)}°C с суммарным уковом 1,5-1,6;

- деформация методом многократной осадки с подогревами со степенью деформации 20-25% на каждом этапе при температуре {Тпп÷(Тпп-50)}°C с суммарным уковом 3-5. При этом осадки выполняются вначале на рельефных бойках с 4-5 перемещениями по плоскости бойков, а затем в калибровочном штампе.

3. Термическая обработка поковок дисков предусматривает двухступенчатый отжиг при температурах ниже температуры полиморфного превращения.

ВГО слитка позволяет устранить литейную пористость в слитке, отсутствие которой является одним из важнейших условий повышения прочностных характеристик дисков.

Деформация по схеме осадка-протяжка на восьмигранник при температуре {(Тпп+100)÷(Т пп+200)}°C с суммарным уковом 1,6-1,7 способствует измельчению первичных литых способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 -зерен во всем объеме полуфабриката за счет устранения зон затрудненной деформации в углах «квадрата». Дальнейшая деформация по указанной схеме при температуре {Тпп ÷(Тпп+100)}°C с суммарным уковом 1,5-1,6 обеспечивает формирование регламентированной однородной мелкозернистой макроструктуры. Окончательная деформация, предусматривающая многократную осадку с суммарным уковом 3-5 при температуре {Тпп ÷(Тпп-50)}°C вначале на рельефных бойках с 4-5 перемещениями по плоскости бойков, а затем в калибровочном штампе, обеспечивает формирование мелкозернистой внутризеренной структуры.

Двухступенчатая термическая обработка обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств в поковках дисков из сплава алюминида титана на основе орто-фазы.

Технический результат - повышение эксплуатационных свойств: низкотемпературной и высокотемпературной удельной прочности и пластичности за счет получения поковки повышенной точности с однородной мелкозернистой структурой.

Пример осуществления.

Слиток способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 190×400 мм из сплава на основе орто-фазы алюминида титана, химический состав (патент № 2375484 РФ) приведен в таблице 1, был выплавлен методом двойного вакуумно-дугового переплава.

Таблица 1
Химический состав сплава
Содержание химических элементов, % масс.
TiNbAl ТаSiFe
основа43,9-45,00 9,00-11,000,02-0,30 0,04-0,200,15

Далее слиток (Тпп=990°C) был подвергнут деформации по схеме:

На первом этапе: ВГО в газостате при давлении 1210 атм и температуре 1140°C с выдержкой 4 часа.

На втором этапе:

- нагрев до температуры 1140°C и осадка на высоту 250 мм при диаметре 250 мм с уковом 1,4;

- подогрев до температуры 1140°C и протяжка на квадрат со стороной, равной 200 мм. Протяжка на восьмигранник размером 200 мм с высотой 400, с уковом 1,6 и обкатка на способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 190 мм. Суммарный уков при температуре 1140°C составил 2,2;

- нагрев до температуры 1080°C и осадка на высоту 300 мм при диаметре 220 с уковом 1,2;

- подогрев до температуры 1080°C и протяжка на квадрат со стороной, равной 200 мм. Протяжка на восьмигранник размером 200 мм с высотой 400, с уковом 1,4 и обкатка на способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 190 мм. Суммарный уков при температуре 1080°C составил 1,7;

- осадка на рельефных бойках с 4-мя перемещениями по плоскости бойка, со степенью деформации 25% на первых 4х подэтапах и 20% на последних 2х подэтапах;

- нагрев до температуры 960°C и осадка на высоту 300 мм;

- подогрев до температуры 960°C и осадка на высоту 225 мм;

- подогрев до температуры 960°C и осадка на высоту 180 мм;

- подогрев до температуры 960°C и осадка на высоту 130 мм;

- подогрев до температуры 960°C и осадка на высоту 100 мм;

- подогрев до температуры 960°C и осадка в калибровочном штампе на высоту 80 мм.

Суммарный уков при температуре 960°C составил 3,75.

Поковка диска ТНД способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 500 мм из слитка сплава алюминида титана на основе орто-фазы, полученная предлагаемым способом, была подвергнута механическим испытаниям.

Так же были испытаны заготовки из сплава с химическим составом, представленным в таблице 1, но изготовленные по технологии, описанной в способе-прототипе. В таблице 2 представлены механические свойства поковок интерметаллидного титанового сплава на основе орто-фазы, полученных предлагаемым способом и способом прототипа.

Таблица 2
Механические свойства
Технология изготовления № экспериментаСвойства при температурах, °C
20650
способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 в/способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 , кмспособ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 , %способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 в/способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 , кмспособ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана   на основе орто-фазы, патент № 2520924 , %
Предлагаемый способ 121-23 6-718-199-12
Способ-прототип 214-163-4 8-97-8

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить качество поковок за счет улучшения эксплуатационных свойств путем интенсификации проработки структуры сплава и получения заготовок повышенной точности с однородной мелкозернистой структурой. Предлагаемый способ позволяет повысить при комнатной температуре пластичность в 2 раза и удельную прочность в 1,5-1,7 раза, при рабочей температуре - удельную прочность в 2 раза и пластичность в 1,3-1,5 раза и, как следствие, увеличить срок службы изделия приблизительно в 1,5 раза.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2520924

patent-2520924.pdf

Класс B21K1/32 дисков, например дисков колес 

способ изготовления дисков с лопатками типа "блиск" (bарианты) и штамп для осуществления способа -  патент 2450883 (20.05.2012)
способ изготовления диска газотурбинного двигателя -  патент 2374028 (27.11.2009)
способ изготовления изделия из титанового альфа-бета-сплава путем ковки -  патент 2329116 (20.07.2008)
способ изготовления сложнопрофильных осесимметричных деталей из труднодеформируемых многофазных сплавов и устройство для его осуществления -  патент 2187403 (20.08.2002)
способ изготовления осесимметричных деталей и способ получения заготовок для его осуществления (варианты) -  патент 2119842 (10.10.1998)
способ эксплуатации оборудования при осадке заготовок -  патент 2105629 (27.02.1998)
способ изготовления литых дисков автомобильных колес -  патент 2101119 (10.01.1998)
способ комбинированного изготовления колес из легких сплавов -  патент 2095184 (10.11.1997)
способ штамповки дисков колес -  патент 2092263 (10.10.1997)
способ изготовления фрикционных дисков -  патент 2075879 (20.03.1997)

Класс C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов 

способ комбинированной интенсивной пластической деформации заготовок -  патент 2529604 (27.09.2014)
способ изготовления заготовок из титана -  патент 2529131 (27.09.2014)
сплав на основе алюминида титана и способ обработки заготовок из него -  патент 2525003 (10.08.2014)
способ изготовления тонких листов -  патент 2522252 (10.07.2014)
сплав на основе гамма алюминида титана -  патент 2520250 (20.06.2014)
способ изготовления каркасов искусственных клапанов сердца из технически чистого титана -  патент 2514765 (10.05.2014)
способ ковки термомеханической детали, выполненной из титанового сплава -  патент 2510680 (10.04.2014)
способ получения трубы из технически чистого титана с радиальной текстурой -  патент 2504598 (20.01.2014)
способ термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз -tial+ 2-ti3al -  патент 2503738 (10.01.2014)
наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы и способ получения прутка из него -  патент 2503733 (10.01.2014)
Наверх