» » Термомеханическая обработка титановых сплавов
20.01.2015

В последние годы в практику внедряется термомеханическая обработка титановых сплавов, поскольку она в ряде случаев обеспечивает более высокий комплекс механических свойств по сравнению с собственно термической обработкой. На рис. 84 приведены основные схемы TMO титановых сплавов.
Высокотемпературная термомеханическая обработка титановых сплавов заключается в горячей деформации сплава в α+β- или β-области, закалке и старении. В результате закалки, осуществляемой сразу после окончания горячей деформации, в металле подавляются рекристаллизационные процессы и сохраняются, хотя бы частично, особенности структуры и тонкого строения горячедеформированного металла. Старение сплава с такой структурой обеспечивает повышенные механические свойства по сравнению с упрочняющей термической обработкой, включающей стандартную закалку и старение.
Термомеханическая обработка титановых сплавов

Эффективность использования BTMO для улучшения комплекса свойств титановых сплавов связаны с их способностью не только к деформационному упрочнению, но, к термическому упрочнению, обусловленному распадом метастабильных фаз, фиксируемых ускоренным охлаждением после завершения горячей деформации. Поэтому существенный эффект BTMO наблюдается только у титановых сплавов с достаточным количеством нестабильной β-фазы. По этой же причине BTMO следует проводить при температурах, близких к Ткр, после закалки с которых фиксируется максимальное количество β-фазы. Для сплавов, в которых при закалке фиксируется мартенсит α'', оптимальная температура деформации при BTMO может быть выше Ткр.
Эффект ВТМО с ростом степени деформации сначала повышается в связи с увеличением плотности дефектов кристаллического строения β-фазы, подвергающейся распаду при старении, достигает максимума в определенном интервале степеней деформации, а затем уменьшается в результате развития в процессе деформации при больших ее степенях динамической рекристаллизации (рис. 85).
Термомеханическая обработка титановых сплавов

Оптимальным режимом BTMO титановых α+β-сплавов является деформация на 40—70% в верхнем интервале температур α+β-области (850—920° С) с последующей закалкой с деформационного нагрева и старением. Оптимальные режимы старения при BTMO для сплавов ВТ8 и ВТ14 близки к режимам, рекомендуемым для стандартных режимов термического упрочнения.
Лучшие свойства сплаву ВТЗ-1, подвергнутому BTMO с оптимальными степенями деформации (50—70%) при 850 и 780° С, придает старение не при 550° С (в соответствии с режимами обычной термической обработки), а старение при 500° С.
Эффект BTMO не является простой суммой деформационного и термического упрочнения, так как дефекты, созданные при деформации, благоприятно влияют на морфологию, размеры и однородность распределения частиц упрочняющей фазы в объеме стареющей фазы. В связи с этим при ВТМО возрастают (по сравнению со стандартной обработкой) не только прочностные пластические свойства α+β-сплавов, вязкость разрушения, сопротивление усталости и длительная прочность при повышенных температурах.
Для обеспечения значительного эффекта ВТМО необходимо, чтобы перерыв между окончанием деформации и закалкой не превышал некоторых критических значений. После деформации в α+β-областн перерыв деформацией и закалкой до 10 с не вызывает существенных изменений в свойствах после старения, по крайней мере, для сплавов ВТЗ-1 и ВТ8 (рис. 86). После деформации в β-области допустим перерыв до 30 с. При BTMO сплава ВТ 14 с деформацией в α+β-области необходима закалка сразу же после деформации, так как даже перерыв в несколько секунд заметно снижает эффект упрочнения.
Термомеханическая обработка титановых сплавов

BTMO существенно влияет на механические свойства титановых β-сплавов. Рис. 87 иллюстрирует влияние степени осадки на молоте при 850° С на механические свойства сплава BT15. После охлаждения с температуры деформации на воздухе и в воде свойства сплава ВТ15 близки и мало зависят от степени деформации. Старение приводит к существенному повышению прочностных характеристик и снижению пластичности. Наиболее высокие прочностные характеристики наблюдаются после деформации осадкой на 10-40%. При увеличении степени деформации выше 40% эффект ВТМО снижается из-за развития рекристализации. Эффект ВТМО с деформацией 10-40; практически одинаков при охлаждении и в воздухе и в воде. Таким образом, BTMO β-сплавов можно проводить с охлаждением после деформации на воздухе, а не в воде. так как критическая скорость охлаждения, необходимая для фиксации метастабильной β-фазы, для сплава ВТ15 невелика. Методами BTMO в сплаве ВТ15 можно получить временное сопротивление разрыву около 1700 МПа при поперечном сужении 5—8% вместо 1500 МПа и 10% после стандартной термической обработки.
Термомеханическая обработка титановых сплавов

На рис. 88 приведены оптимальные режимы BTMO титановых сплавов. Горячую деформацию при BTMO α+β-сплавов следует проводить при температурах, соответствующих α+β-областн, а α- и β-сплавов при температурах выше Aс3. В первом приближении температуру горячей деформации α+β-сплавов следует выбирать на 50—100° С ниже Ас3, а для сплавов критического состава (ВТ22) — на 50° С ниже Aс3. Упрочнение при BTMO по оптимальным режимам возрастает с увеличением содержания легирующих элементов до соответствующего эквиваленту по молибдену, равному 5%, а затем уменьшается (рис. 89).
Термомеханическая обработка титановых сплавов

Ни температурная термомеханическая обработка титановых сплавов состоит в закалке, последующей пластической деформации (холодной или теплой) в условиях достаточной стабильности твердого β-раствора при температурах ниже температуры рекристаллизации (Тр.) и старения на заключительной стадии (см. рис. 84, б). Теплая или холодная деформация закаленных титановых сплавов приводит к резкому ускорению распада метастабильных фаз, зафиксированных закалкой (чаще всего метастабильной β-фазы). Старение при НТМО по стандартным режимам, принятым при обычной термической обработке, приводит к сильному упрочнению при сохранении достаточной пластичности.
Оптимальные степени холодной деформации при НТМО β-сплавов и малолегированных α+β-сплавов составляют, как правило, 40—50%. Получаемое
при этом упрочнение достигает 15—25 кгс/мм2 и возрастает с увеличением содержания β-фазы в сплаве. Для малопластичных при низких температурах α+β-сплавов типа ВТЗ-1, ВТ9 оптимальная степень холодной и теплой деформации ниже.
НТМО позволяет получить более высокий уровень прочности по сравнению с BTMO (рис. 89). Однако даже при одинаковом уровне достигаемой прочности пластичность после НТМО, как правило, ниже, чем после ВТМО.
Поскольку холодная и теплая деформации существенно ускоряют процесс старения, в ряде случаев необходима корректировка стандартных упрочняющих режимов. Упрочнение, достигаемое при HTМO, снимается при нагреве до сравнительно невысоких температур, в связи с чем ее применение наиболее целесообразно для высокопрочных термически упрочняемых нежаропрочных сплавов. Для жаропрочных сплавов более пригодна ВТМО, обеспечивающая более высокую термическую стабильность титановых сплавов.
Положительные результаты были получены при предварительной термомеханической (ПТМО) и комбинированной обработке. Последовательность операции при ПТМО — горячая деформация, охлаждение со скоростью, обеспечивающей сохранение нерекристаллизованной структуры, закалка с температур по режимам, которые позволяют сохранить нерекристаллизованную структуру, старение (см. рис. 84, в). ПТМО отличается от BTMO тем, что операции горячен деформации и нагрева под закалку разделены. Комбинированная обработка сочетает элементы BTMO и НТМО (см. рис. 84, г).
В производстве полуфабрикатов из титановых сплавов наибольшее применение найдет, по-видимому, ВТМО, которая была успешно использована при прессовании прутков и труб, сортовой прокатке прутков и штамповке.