Композитный метод получения мелкозернистых титановых сплавов
Метод получения композитных мелкозернистых титановых сплавов включает холодное изостатическое прессование и вакуумное спекание порошка гидрированного дегидрированного титанового сплава. Затем следует первая высокотемпературная изотермическая ковка при умеренной скорости деформации выше точки фазового превращения для закрытия внутренних пор, увеличения плотности и улучшения пластичности. Вторая низкотемпературная изотермическая ковка при умеренной скорости деформации ниже точки фазового превращения дополнительно уплотняет и измельчает порошкообразный титановый сплав. Наконец, термическая обработка позволяет получить высокоплотный мелкозернистый порошкообразный титановый сплав. Этот метод эффективно сокращает цикл получения обычных литых и кованых титановых сплавов, снижает расход сырья и позволяет одновременно производить прецизионные поковки, близкие к окончательной форме. Полученный порошкообразный титановый сплав не имеет композиционной сегрегации, обладает плотностью более 99%, однородной и мелкозернистой равноосной микроструктурой, размером α-фазы менее 2 мкм и превосходными механическими свойствами.
В настоящее время методы измельчения зерен титановых сплавов в основном включают крупномасштабную пластическую деформацию, циклическую термообработку, обработку водородом и порошковую обработку. Крупномасштабная пластическая деформация предполагает приложение значительной пластической деформации к материалам при относительно низких температурах, постепенную оптимизацию микроструктуры материала и, в конечном итоге, получение мелкозернистой структуры. Типичные процессы крупномасштабной пластической деформации включают экструзию в равноканальном режиме, высокотемпературную кручение под высоким давлением, многократную изотермическую ковку и кумулятивную прокатку. Циклическая термообработка использует аллотропное превращение, происходящее при нагреве и охлаждении фаз титанового сплава. Различия в удельном объеме и коэффициентах теплового расширения между фазами создают внутренние напряжения в сплаве, приводя к внутренней пластической микродеформации. Это накопленное напряжение становится источником зарождения рекристаллизации, образуя мелкозернистую структуру. Обработка водородом использует проникновение водорода для инициирования мартенситного превращения, вызывая образование гидридов вдоль границ зерен и внутри зерен. Вакуумное дегидрирование разлагает гидриды, а взаимодействие дислокаций и вакансий в матрице вызывает рекристаллизацию, в результате чего образуется мелкозернистый титановый сплав. Порошково-мелкозернистые титановые сплавы получают путем получения мелкодисперсного порошка методом порошковой металлургии с последующими процессами уплотнения для получения мелкозернистых или ультрамелкозернистых титановых сплавов. Типичный метод измельчения порошка включает механическое шаровое измельчение порошка для его дробления и очистки, а затем прессование и спекание в заготовку из сплава.
Методы крупномасштабной пластической деформации, циклической термообработки, обработки водородом и порошковой обработки позволяют получать идеальные мелкозернистые титановые сплавы. Однако только крупномасштабная пластическая деформация позволяет получать объемные, плотные материалы. Несмотря на простоту в эксплуатации и высокую применимость, этот метод страдает от низкой эффективности использования материала, больших припусков на механическую обработку и высокой стоимости.
Поскольку размер зерна существенно влияет на свойства поликристаллических материалов, прочность поликристаллических материалов возрастает с уменьшением размера зерна, а также улучшаются такие свойства, как пластичность, ударная вязкость и усталостная прочность. Уменьшение размера зерна стало важным методом упрочнения и повышения прочности титановых сплавов в практическом производстве, привлекая широкое внимание как внутри страны, так и за рубежом.
Для получения титановых сплавов с мелкозернистой микроструктурой, лучшими эксплуатационными характеристиками и меньшей стоимостью, а также для расширения областей применения титановых сплавов, был разработан метод получения мелкозернистых титановых сплавов. Этот метод включает холодное изостатическое прессование и вакуумное спекание порошка гидрированного дегидрированного титанового сплава, за которым следует первая высокотемпературная изотермическая ковка при умеренной скорости деформации выше точки фазового превращения. Это закрывает внутренние поры порошкового сплава, увеличивает его плотность и улучшает пластичность. Вторая низкотемпературная изотермическая ковка при умеренной скорости деформации ниже точки фазового превращения дополнительно уплотняет и измельчает порошковый титановый сплав. Наконец, термическая обработка позволяет получить высокоплотный мелкозернистый порошковый титановый сплав. Этот метод эффективно сокращает цикл подготовки обычных литых и кованых титановых сплавов, уменьшает отходы сырья и позволяет одновременно производить прецизионные поковки с минимальной последующей обработкой. Полученный порошковый титановый сплав не имеет композиционной сегрегации, обладает плотностью более 99%, однородной и мелкозернистой равноосной микроструктурой, размером α-фазы менее 2 мкм и превосходными механическими свойствами.
Этот комбинированный метод получения мелкозернистых титановых сплавов органично сочетает порошковую металлургию и изотермическую ковку, что позволяет не только производить мелкозернистые порошковые титановые сплавы, но и разрабатывать новый процесс формования с минимальной последующей обработкой. По сравнению с традиционными процессами литья и ковки титановых сплавов, этот комбинированный метод использует порошковую металлургию на этапах 1 (подготовка заготовки) и 2 (вакуумное спекание), что позволяет значительно экономить ценное сырье и снижать производственные затраты. Этап 3, высокотемпературная изотермическая ковка, в полной мере использует высокотемпературную пластичность сплава, эффективно закрывая внутренние поры и повышая плотность. Этап 4, низкотемпературная изотермическая ковка, изменяет микроструктуру порошкового сплава, тщательно разрушая и измельчая крупнозернистую видманштеттеновскую структуру. Этап 5, термообработка, способствует стабилизации микроструктуры и свойств порошкового сплава и может быть скорректирована в соответствии с реальными потребностями, что делает его широко применимым и обеспечивает практическое использование.
Порошковый титановый сплав, полученный этим комбинированным методом, не демонстрирует композиционной сегрегации, плотность более 99%, однородную и мелкозернистую равноосную микроструктуру, размер α-фазы менее 2 мкм, превосходные механические свойства и может эффективно сократить цикл производства традиционных литых и кованых титановых сплавов, снизить расход сырья и одновременно производить сложные прецизионные кованые изделия, близкие к окончательной форме.