КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-79-10107

НазваниеАнализ и моделирование процессов, протекающих при изготовление бесшовных труб из титановых сплавов различных классов

РуководительВодолазский Федор Валерьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-405 - Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)

Ключевые словаальфа, псевдо-альфа- альфа+бета титановые сплавы; труба, горячее прессование, холодная прокатка, отжиг, структура, текстура, фазы, механические свойства

Код ГРНТИ53.47.39


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В настоящее время одной из актуальных задач в сфере производства титановых сплавов в России является создание конкурентоспособной в мире трубной продукции за счет освоения современной технологии TREX (Tube Reduced EXtrusion), перспективной для получения высококачественных холоднокатаных трубных заготовок для особо ответственных бесшовных труб гидросистем авиакосмической техники и атомной энергетики. Освоение и адаптация этой технологии к конкретным условиям промышленного производства требует глубокого понимания процессов, связанных с эволюцией структурно-фазового состояния и комплекса свойств в результате деформационного и термического воздействий, реализуемых на различных стадиях получения трубы, начиная с исходного горячедеформированного полуфабриката (биллета), затем горячепрессованной заготовки до и после отжига и заканчивая многостадийными процессами холодной прокатки и рекристаллизационного отжига. Для каждого конкретного класса сплавов (альфа-, альфа+бета-) необходимо выявлять определенные температурные и деформационные параметры обработки сплава, связанные с характерными особенностями изменения структуры, текстуры, фазового состава. Для научно-обоснованного подхода задания технологических параметров при изготовлении труб из сплавов различных классов нужно установить характерные зависимости изменения свойств и структуры в широком диапазоне температурно-деформационных характеристик воздействия. Получить такого рода данные можно, исходя из моделирования (физического, математического) деформационных процессов, анализа структурных и фазовых превращений, получающих развитие на различных этапах получения бесшовной трубы (горячая деформация ковкой, прессованием, холодная деформация, промежуточные и окончательные отжиги) и их взаимосвязи с комплексом свойств, что и является основной темой настоящего исследования. Научная новизна представляемой работы связана с комплексным «сквозным» подходом решения задачи по определению оптимальных параметров температурно-деформационного воздействия при изготовлении бесшовных труб из сплавов титана. Вначале проводится первичное физическое моделирование условий реализации процесса с определением необходимых параметров для расчета, которые затем используются в математической модели для выявления наиболее критичных производственных параметров, связанных с особенностями технологического оборудования, а затем проверка адекватности расчетных параметров реализуется в опытно-промышленных условиях на производственном оборудовании. Такой подход позволяет достаточно точно показать научную обоснованность предлагаемых решений и их практическую эффективность. В работе будут использованы современные методики структурного, фазового анализа титановых сплавов (оптическая, растровая, ориентационная микроскопия, рентгеноструктурный фазовый анализ), методы термического анализа (дифференциальная сканирующая калориметрия), испытания механических свойств при комнатной и повышенной температурах (на растяжение, осадку, твердость и др.). Планируется использовать сквозную аттестацию структуры и свойств труб на всех стадиях их изготовления.

Ожидаемые результаты
Результаты работы позволят разработать методологию определения оптимальных параметров температурно-деформационного, деформационно-скоростного, температурного воздействий, необходимых для изготовления высококачественных труб из сплавов титана различных классов. Будут получены новые данные о деформационном поведении титановых сплавов различных классов (альфа-, альфа+бета-) в условиях горячей и холодной деформации с использованием физического и математического моделирования этих процессов, установлены закономерности эволюции структурно-фазового состояния и комплекса свойств исследуемых сплавов в условиях опытно-промышленного изготовления труб по технологии TREX, включающей операции горячего прессования, холодной прокатки, отжига. Кроме того, будут предложены конкретные параметры вышеуказанных воздействий, которые могут быть использованы для изготовления высококачественных труб из сплавов титана определенных марок (ПТ-1М, ПТ-7М, Grade9 и возможно других) в реальных промышленных условиях на предприятиях России в соответствии с мировыми стандартами. Это очень важно с практической точки зрения, так как позволит повысить конкурентоспособность российского производителя в России и за рубежом в производственном сегменте, связанном с изготовлением бесшовных труб, используемых для особо ответственных изделий гидросистем в авиакосмическом комплексе и ядерной энергетике. За время выполнения проекта будет опубликовано не менее 9-ти статей в изданиях, индексируемых в Scopus или WS; подано не менее 2-х заявок на патент.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В соответствие с планом работ по первому этапу гранта по освоению и адаптации современной технологии TREX (Tube Reduced EXtrusion) получения качественных труб из альфа- (ПТ-1М – Ti-0,7%Al, ПТ-7М – Ti-2,2%Al-2,7%Zr) и альфа+бета- (ВТ14 – Ti-4,5%Al-3%Mo-1%V) титановых сплавов были получены следующие результаты. В начале было проведено исследование исходных горячекованых заготовок из исследуемых титановых сплавов и установлены закономерности изменения макро-, микроструктуры, фазового состава и твердости по сечению. Обнаружено, что для всех сплавов характерно получение более крупнозернистой структуры в центре заготовок, вследствие меньшей проработки структуры в процессе ковки, что вызывает закономерное снижение твердости. Структура около внешней поверхности заготовок как правило однородна. Показано, что хорошая проработка структуры в процессе ковки сплавов ПТ-7М, ВТ14 приводит к формированию однородного текстурного состояния по сечению заготовок из этих сплавов. Далее была уточнена методика определения температуры полиморфного альфа+бета-бета-превращения (Тпп) исследуемых сплавов с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), опираясь на данные метода пробных закалок. В частности, было проведено определение характерной для каждого сплава температурной поправки dT, необходимой для расчета Тпп по данным ДСК, опираясь на данные по Тпп сплавов, полученные методом пробных закалок. В результате проделанной работы для исследуемых в работе сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ14 определены следующие температурные поправки dT: 8±2 град. C (ПТ-1М), 17±2 град. C (ПТ-7М), 11±2 град. С (ВТ14). Полученные значения поправок хорошо укладываются в построенные по литературным данным аппроксимированные зависимости значений поправки от молибденового эквивалента и возможного диапазона Тпп. для промышленных титановых сплавов. В рамках гранта осуществлено внеплановое исследование оценки Тпп в титановых сплавах с использованием термодинамических расчетом в программном комплексе Thermocalc. Были построены расчетные зависимости изменения фазового состава от температуры нагрева для титановых сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, Ti-3Al-2,5V, которые дали либо некоторое занижение Тпп (около 10 град. С - сплавы ПТ-1М, ПТ-7М), либо завышение Тпп (около 30 град. С - сплав Ti-3Al-2,5V) по сравнению со значениями Тпп, определенными методом пробных закалок. Показано, что учет примесей (О, N, C) в химическом составе сплава Ti-3Al-2,5V в виде структурного алюминиевого эквивалента ([Al]экв) позволяет при термодинамическом расчете получить более близкие к экспериментальным данным значения Тпп. Проведение подобной работы позволило уточнить определение Тпп исследуемых сплавов расчетным путем. На следующем этапе были построены количественные зависимости прочностных свойств от степени деформации в широком диапазоне температур исходных горячедеформированных полуфабрикатов исследуемых сплавов, исходя из анализа данных модельных термомеханических испытаний с использованием комплекса Gleeble 3800. Моделирование проводили деформацией сжатием при скоростях 1 и 12 с^(-1) до истинной деформации 1,2 в диапазоне температур: для сплава ПТ-1М – 825-900 град. С, ПТ-7М– 875-950 град. С и ВТ-14 – 875-950 град. С. В ходе анализа полученных зависимостей обоснован характер изменения усилий от температуры и величины истинной деформации, определены максимальные усилия и деформационный разогрев в ходе испытаний. Расчетами показано, что в рекомендованном для каждого сплава температурном диапазоне прессования труб заданного размера из исходных заготовок из сплавов ПТ-1М, ПТ-7М и ВТ14 пиковые нагрузки не превышают энергосиловые параметры планируемого для прессования оборудования. Затем, были разработаны научно-обоснованные рекомендации по температурно-деформационным параметрам проведения горячего прессования в промышленных условиях трубных заготовок из исследуемых сплавов, исходя из анализа данных физического моделирования и математических расчетов критических параметров при прессовании. Рекомендуемый температурный диапазон нагрева заготовок под горячее прессование составляет от 825 до 850 град. C – для сплава ПТ-1М; от 875 до 900 град. C – для сплава ПТ-7М, от 875 до 925 град. С – для сплава ВТ-14. При этом, учитывая технологические особенности изготовления труб в производственной линии усилием 20 МН необходимо использовать буферные заготовки (из нержавеющей стали) в начале и конце посада, которые в последующем будут применены для прогрева контейнера вертикальной индукционной печи, перед подачей заготовок из титановых сплавов. Сверленую исходную заготовку целесообразно предварительно экспандировать в прогретом контейнере при скорости движения экспандера от 160 до 200 мм/с. Учитывая, что титановые сплавы, включая марки ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ14 обладают низкой теплопроводностью – примерно в 3,5-4,0 раза ниже, чем у нержавеющей стали, способствующей резкому остыванию нагретых заготовок, и отсутствие на выбранном прессе вспомогательного оборудования, обеспечивающего стабильную температуру втулки трубопрофильного контейнера обоснована необходимость предварительного разогрева втулки перед прессованием до интервала температур от 350 до 400 град. C за счет использования от 3-х до 4-х предварительно нагретых буферных заготовок. Прессование труб рекомендовано производить в одном контейнере во избежание остывания втулки, что происходит при работе с использованием двух контейнеров. С целью снижения сил трения на контактных поверхностях необходимо дополнительно использовать графитовую смазку. Предложенные рекомендации прошли успешную апробацию в промышленных условиях, в результате чего были получены качественные горячепрессованные трубы из сплавов ПТ-1М, ПТ-7М. В конце выполнения работ по этапу были установлены закономерности изменения макро-, микроструктуры, фазового состава, текстуры и твердости по сечению полученных экспандированных, горячепрессованных трубных заготовок из исследуемых титановых сплавов ПТ-1М и ПТ-7М. Получение из исходной горячедеформированной заготовки из сплава ПТ-1М трубы методом горячего прессования в альфа-области с температуры нагрева 840 град. С, превышающей температуру рекристаллизации альфа-фазы, способствовало развитию процессов динамической и первичной рекристаллизации, что обеспечило ликвидацию неоднородности и крупнозернистости исходной структуры и формирование достаточно однородной и преимущественно мелкозернистой структуры по всему сечению полуфабриката, которая характеризуется 1-2 и 2-3 баллом шкал макро- и микроструктур титановых сплавов соответственно, двухкомпонентной тангенциальной текстурой (0001) ТН<10-10>НП и (0001) ТН<11-20>НП и твердостью на уровне 155 ед. HV. Показано, что, структура, текстура и свойства полученной горячепрессованной трубы диаметром 102 мм и толщиной 13 мм из исследуемого альфа-сплава титана ПТ-7М определяется распределением температурного поля по сечению трубной заготовки в процессе деформации. Подстуживание внешних поверхностных в сечении около 2,5 мм трубной заготовки в ходе прессования до температур альфа-области способствует формированию структуры из преимущественно деформированной альфа-фазы, имеющей типичную текстуру {0001}ТН<10-10>НП. Деформационный разогрев при прессовании областей трубы на расстоянии более 2,5 мм от внешней поверхности до температур вблизи Тпп обеспечивает получение бета-превращенной структуры с более низкими прочностными и более высокими пластическими характеристиками по сравнению с внешней приповерхностной областью, состоящей из пакетов альфа-пластин в бета-зерне и имеющей текстуру бета–альфа-превращения, связанную с текстурами деформации бета-фазы – {111}РН<110>HП и {112}РН<110>HП. Горячепрессованная труба из более легированного сплава ПТ-7М характеризуется более высокой твердостью (среднее значение 207 ед. HV) по сравнению с ПТ-1М (среднее значение 155 ед. НV), но при этом разброс значений твердости по сечению заготовки больше у сплава ПТ-7М (195-222 ед. HV), чем у сплава ПТ-1М (150-161 ед. HV), что, очевидно, связано с отмеченным выше формированием более неоднородной структурой по сечению заготовки в сплаве ПТ-7М, по сравнению со сплавом ПТ-1М.

 

Публикации

1. Водолазский Ф.В., Баранникова Н.А., Илларионов А.Г. Structure, texture and mechanical properties through the section of the hot-extruded tube of titanium alloy PT-1M Materials Science Forum, - (год публикации - 2019).

2. Водолазский Ф.В., Горностаева Е.А., Илларионов А.Г., Structure and properties of hot-extruded tube of titanium alloy PT7M Materials Today: Proceedings, - (год публикации - 2019).

3. Водолазский Ф.В., Горностаева Е.А., Илларионова С.М. Calculation of phase composition of α-titanium alloys Solid State Phenomena, - (год публикации - 2019).

4. Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Баранникова Н.А., Горностаева Е.А., Космацкий Я.И., Илларионов А.Г. Relationship Between Structure and Properties of the Large-Size Billet of Titanium Alloy PT-7M XIX International scientific-technical conference “The Ural school-seminar of metal scientists-young researchers”, Knowledge E, pp. 267–274 (год публикации - 2019).

5. Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Баранникова Н.А., Горностаева Е.А., Космацкий Я.И., Илларионов А.Г. Взаимосвязь структуры и свойств по сечению крупногабаритной заготовки из титанового сплава ПТ-7М XIX Международная научно-техническая Уральская школа семинар металловедов молодых ученых: сборник трудов. Екатеринбург, С. 240…243. (год публикации - 2018).

6. Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Баранникова Н.А., Урядова А.Л., Илларионов А.Г. Structure and Hardness Variations Through Section of Hot-Forged Pipe Billet from PT-1M Alloy XIX International scientific-technical conference “The Ural school-seminar of metal scientists-young researchers”, Knowledge E, pp. 261-266. (год публикации - 2019).

7. Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Баранникова Н.А., Урядова А.Л., Илларионов А.Г. Изменение структурного состояния и твердости по сечению горячедеформированной трубной заготовки из сплава ПТ‑1М XIX-ая Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов – молодых ученых: сборник трудов. Екатеринбург: изд-во УРФУ, С. 204…209 (год публикации - 2018).

8. Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Космацкий Я.И., Горностаева Е.А. Determination of temperature-force parameters required for manufacturing hot extruded pipes of PT-1M titanium alloy Tsvetnye metally, - (год публикации - 2019).

9. Пышминцев И.Ю., Космацкий Я.И., Горностаева Е.А., Восходов В.Б., Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В. Освоение технологии производства труб из титановых сплавов на предприятиях ТМК Международная конференция «Трубы-2018». Сборник трудов., - (год публикации - 2019).

10. Пышминцев И.Ю., Космацкий Я.И., Горностаева Е.А., Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Радаев П.С., Карабаналов М.С. Microstructure, phase composition and properties of hot-extruded Ti-3Al-2.5V pipe after vacuum annealing Metallurgist, - (год публикации - 2019).

11. Урядова А.Л., Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Космацкий Я.И., Горностаева Е.А., Баранникова Н.А., Илларионов А.Г. Структура трубной заготовки из сплава ПТ-1М после экспандирования XIX Международная научно-техническая Уральская школа семинар металловедов молодых ученых: сборник трудов. Екатеринбург, С. 240…243. (год публикации - 2018).

12. Урядова А.Л., Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Космацкий Я.И., Горностаева Е.А., Баранникова Н.А., Илларионов А.Г. Structure and Properties of the Billet of PT-1M Alloy after Expanding XIX International scientific-technical conference “The Ural school-seminar of metal scientists-young researchers”, Knowledge E, pp. 253–260 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе выполнения 2-го годового этапа гранта РНФ № 18-79-10107 «Анализ и моделирование процессов, реализуемых при получении холоднокатаных труб из горячепрессованных бесшовных трубных заготовок из титановых сплавов разных классов» были проведены следующие работы и получены следующие научные результаты. Проведен анализ макро- и микроструктуры полученной в промышленных условиях горячепрессованной в бета-области трубы из альфа+бета-титанового сплава ВТ23 системы Ti-Al-Mo-V-Cr-Fe. Показано, что в продольном и поперечном сечении макроструктура трубы соответствует 2-3 баллу шкалы макроструктур титановых сплавов. Микроструктура в продольном и поперечном сечении трубы однородна, состоит из крупных полиэдрической формы бета-превращенных зерен со средним размером 400 мкм и колониями пластин первичной альфа-фазы, растущих как от границ зерен, так и его теле, образующих структуру типа «корзиночного плетения». Анализ особенностей структуры горячепрессованной трубы из сплава ВТ23 позволил заключить, что в ходе прессования в бета-области в сплаве протекали процессы первичной и собирательной рекристаллизации бета-матрицы. Это обеспечило формирование крупнозернистой полиэдрической бета-структуры. Затем в ходе охлаждения ниже температуры полиморфного альфа+бета-превращения в сплаве получило развитие бета–альфа-превращение при относительно высоких температурах с образованием различной ориентации колоний альфа-пластин простого строения с двойниками, но бета–альфа-превращение до конца не прошло, что обеспечило сохранение в структуре значительного количества (до 30%) бета-твердого раствора с достаточно высоким периодом решетки (0,3223±0,0005 нм). Показано, что фиксируемый в горячепрессованной трубе параметр «с/а» ГПУ решетки a-фазы 1,596 выше, чем у нелегированного титана (1,587) вследствие легирования сплава алюминием (около 5%). В ходе механических испытаний установлено, что полученная в горячепрессованной трубе из сплава ВТ23 структура с крупным зерном и относительно большим количеством матричной бета-фазы с пакетами альфа-пластин в теле зерна характеризуется относительно невысокой прочностью (предел прочности = 1080±20 МПа), удовлетворительной пластичностью = 13±1 % и модулем упругости на уровне 109±2ГПа. Изучено влияние степени холодной деформации титановых альфа-сплавов марок ПТ-1М, ПТ-7М и альфа+бета-сплавах ВТ14, ВТ23 на изменение их механических свойств с использованием прокатки в двухвалковой клети по схеме калибровки «овал–овал». Данный процесс обработки металлов давлением в достаточной степени схож со схемой напряженного состояния реального процесса прокатки на стане холодной прокатки труб (ХПТ) и позволяет достаточно хорошо проводить физическое моделирование этого процесса с получением качественно и количественно близких результатов. Холодную деформацию цилиндрических образцов вели в режиме последовательного увеличения величины обжатия с получением четырех степеней деформации в интервале от 11% до 65%. Все сплавы вплоть до максимальной степени деформации 65% деформировались без образования трещин, за исключением сплава ВТ23 (максимальная степень 50 %), что свидетельствует о хорошей их технологической пластичности в условиях холодной прокатки. После каждого этапа холодной деформации от деформированного прутка отбирали образцы для испытаний на статическое растяжение при комнатной температуре в соответствии с ГОСТ 1497. В результате получены экспериментальные зависимости изменения прочностных и пластических свойств от степени холодной деформации сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ14. Анализ зависимостей показал, что для всех исследуемых сплавов характерно преимущественное повышение прочностных свойств и снижение пластических характеристик при увеличении степени холодной деформации в изучаемом диапазоне. При этом деформационное упрочнение и снижение пластических свойств наиболее активно реализуется при степенях деформации до 40%, а при дальнейшем увеличении степени деформации скорость упрочнения и снижение пластичности уменьшается. Для объяснения данного явления, в частности, была проанализирована структура сплава ВТ14 после различных степеней холодной деформации и получено следующее объяснение. При степенях деформации (более 40%) в исходном горячедеформированном сплаве, имеющем бета-превращенную структуру с пакетами альфа-пластин различной ориентации в пределах одного зерна, большинство пакетов альфа-пластин принимают наиболее благоприятную ориентацию по отношению к течению металла в ходе деформации и это способствует постепенному снижению деформационного упрочнения. При малых степенях деформации (до 40%), наоборот, многие пакеты альфа-пластин неблагоприятно ориентированы по отношению к направлению течения металла при прокатке и это существенно затрудняет процесс реализации деформации, обеспечивая достаточно быстрое упрочнение. В соответствии со сложившейся в обработке металлов давлением практикой, аппроксимация экспериментальных данных по изменению от степени холодной деформации временного сопротивления разрыву была выполнена с использованием полинома второго порядка, предела текучести – степенной зависимостью, относительного удлинения – экспоненциальной зависимостью. В полученных зависимостях свободный член характеризует соответствующее свойство сплава в условиях отсутствия наложения холодной пластической деформации и для всех исследуемых сплавов уровень полученных свойств хорошо укладывается в имеющиеся литературные данные для этих сплавов в горячедеформированном состоянии. Обнаружено, что с увеличением легированности сплава от ПТ-1М (нелегированный титан) к ВТ14 (Ti-5Al-3Mo-1V) зафиксировано закономерное повышение уровня прочностных характеристик (временного сопротивления разрыву, предела текучести) и снижение пластических (относительного удлинения). Отмечено так же, что повышение содержания легирующих элементов от сплава ПТ-1М к сплаву ВТ14 способствует увеличению чувствительности относительного удлинения к повышению степени деформации, что выражается в росте по абсолютной величине значения степени при экспоненте в полученных зависимостях. Для прочностных характеристик такого рода зависимости не установлены. На основании анализа литературных данных, производственного опыта получения холоднокатаных труб из титановых сплавов и проведенных исследований по деформационной способности исследуемых в работе альфа-, альфа+бета-сплавов предложены следующие научно-обоснованные рекомендации по деформационным и температурно-временным параметрам проведения холодной прокатки и промежуточного вакуумного отжига при получении холоднокатаных труб из исследуемых сплавов в производственных условиях. В соответствии с результатами экспериментальных исследований сплавов по деформируемости в холодном состоянии, и имеющимися ограничениями на максимальную степень деформации титановых сплавов на производстве при разработке деформационных режимов холодной прокатки труб до окончательного размера было рекомендовано ограничить максимальную степень деформации за один проход величиной 55% (45% для сплава ВТ23). С учетом данного условия получение труб из сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ23 необходимо проводить в несколько проходов на станах холодной прокатки труб (ХПТ). Для повышения технологической пластичности и минимизации наводороживания сплавов между операциями холодной прокатки необходимо проводить промежуточный вакуумный отжиг по следующим температурно- временным режимам: температуры нагрева - 670-690 град. С (сплав ПТ-1М); 730-760 град. С (сплав ПТ-7М); 750-780 град. С (сплав ВТ23), время выдержки – 2 часа. В соответствии с предложенными рекомендациями в опытно-промышленных условиях были получены необходимого качества трубы из исследуемых сплавов. Проведены комплексные структурные и дюрометрические исследования на различных этапах получения холоднокатаных труб из сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ23 и установлены следующие закономерности изменения макро-, микроструктуры, текстуры, твердости по сечению полученных труб из исследуемых титановых сплавов после холодной деформации и промежуточного вакуумного отжига. Макроструктура у холоднокатаных труб окончательного размера c толщиной стенки 2 мм (сплавы ПТ-1М, ВТ23) и 4 мм (сплав ПТ-7М) достаточно однородна как поперечном, так и продольном сечении и имеет в соответствии со шкалой макроструктуры титановых сплавов 1-й балл макрозерна по поверхности анализируемых сечений. Зафиксирована (при небольшом увеличении) неравноосность макрозерна до 4-го балла в продольном сечении полученных труб из сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ23 вследствие формирования вытянутой волокнистой структуры при холодной прокатке. После холодной деформации трубных заготовок на промежуточный размер и последующего вакуумного отжига макроструктура сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ23 так же преимущественно соответствует 1-му баллу шкалы макроструктуры титановых сплавов, что свидетельствует о достаточно полном развитии рекристаллизационных процессов в ходе отжига. Показано, что для микроструктуры холоднокатаных труб окончательного размера как из альфа-сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, так и альфа+бета-сплава ВТ23 характерно типичное волокнистое строение с вытянутыми вдоль оси трубы зернами альфа-фазы в сплавах ПТ-1М, ПТ-7М и превращенной бета-фазы с раздробленными и искривленными деформацией частицами первичной альфа-фазы в сплаве ВТ23. После проведения вакуумного отжига холоднокатаных трубных заготовок промежуточного размера альфа-сплавов ПТ-1М, ПТ-7М в продольном и поперечном сечении структура сплавов приобретает первично рекристаллизованное строение с равноосными полиэдрическими альфа-зернами. Следует отметить, что в более легированном альфа-сплаве ПТ-7М, в отличие от ПТ-1М, процесс рекристаллизации при отжиге проходит не полностью и в структуре 1/2 толщины трубы сохраняются нерекристаллизованные области. Отличительной особенностью структуры, отожженной в промежуточном размере трубы из альфа+бета-сплава ВТ23 является формирование глобулярной структуры первичной альфа-фазы в превращенной бета-матрице за счет дробления альфа-частиц в ходе промежуточной холодной деформации и их последующей сфероидизации в ходе отжига. В ходе исследований методом рентгеноструктурного фазового анализа и дифракции обратнорассеянных электронов (ДОРЭ) обнаружено, что в холоднокатаных трубах из альфа-сплавов ПТ-1М, ПТ-7М формируется однотипная острая текстура тангенциальной призмы {0001}±30 град. ТН<10-10>НП, где ТН – тангенциальное (по касательной к окружности) направление в трубе, НП – направление прокатки (вдоль оси трубы). При этом твердость холоднокатаных труб имеет средние значения 205±5 HV (ПТ-1М), 245±5 HV (ПТ-7М). Проведение вакуумного отжига на промежуточной холоднокатаной трубной заготовке способствует ослаблению текстуры деформации {0001}±30 град. ТН-РН<10-10>НП и появлению дополнительной компоненты {0001}±30 град. ТН<1-120>НП, связанной с прохождением в ходе отжига процессов рекристаллизации. Подтверждено, что формирование рекристаллизованной (сплав ПТ-1М) и частично рекристаллизованной структтуры (сплав ПТ-7М) приводит к получению более низких характеристик твердости, а именно, 150±5 HV (ПТ-1М), 200±5 HV (ПТ-7М) по сравнению с холодно деформированным состоянием. Показано, что отличительной особенностью текстуры холоднокатаных и отожженных труб из альфа+бета-сплава ВТ23 является формирование текстурных компонент для альфа- и бета-фаз, связанных между собой ориентационным соотношением Бюргерса. Проведение вакуумного отжига на промежуточной холоднокатаной заготовке за счет развития рекристаллизационных процессов в сплаве способствует некоторому рассеянию основных текстурных компонент холоднокатаного состояния альфа- и бета-фаз, но сильных дополнительных компонент текстуры не было выявлено. Протекание процессов рекристаллизации в холоднокатаной трубной заготовке из сплава ВТ23 при отжиге обеспечивает по сравнению с холоднокатаным состоянием получение более низких дюрометрических характеристик.

 

Публикации

1. - Звезда научного батла Уральский федеральный (журнал), "Уральский федеральный". Издание Уральского федерального университета им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. №20, 20 мая 2019 года. С. 1, 3. (год публикации - ).

2. Водолазский Ф.В., Баранникова Н.А., Илларионов А.Г. Structure, texture and mechanical properties through the section of the hot-extruded tube of titanium alloy PT-1M Materials Science Forum, Volume 989, pp. 139-144 (год публикации - 2020).

3. Водолазский Ф.В., Баранникова Н.А., Илларионова С.М., Илларионов А.Г., Космацкий Я.И., Горностаева Е.А. Формирование структуры и свойств в сплаве Ti–3Al–2,5V в процессе получения трубы по технологии TREX Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов = Actual Problems of the Physical Metallurgy of Steels and Alloys : сборник тезисов докладов XXV Уральской школы металловедов-термистов, - (год публикации - 2020).

4. Водолазский Ф.В., Горностаева Е.А., Илларионов А.Г. Structure and properties of hot-extruded tube of titanium alloy PT7M Materials Today: Proceedings, Volume 19, Part 5, 2019, pp. 2200-2204 (год публикации - 2019).

5. Водолазский Ф.В., Горностаева Е.А., Илларионова С.М. Calculation of phase composition of α-and near-α-titanium alloys Solid State Phenomena, 299 SSP, pp. 403-408 (год публикации - 2020).

6. Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Космацкий Я.И., Баранникова Н.А. Cross-sectional structure and properties of shell-billet of PT-7M titanium alloy after expanding Materials Today: Proceedings, - (год публикации - 2020).

7. Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Карабаналов М.С., Баранникова Н.А., Космацкий Я.И. Влияние отжига на структурно-текстурное состояние и свойства горячепрессованной трубы из сплава титана ПТ-1М Metal Science and Heat Treatment, - (год публикации - 2020).

8. Космацкий Ярослав Игоревич, Водолазский Федор Валерьевич, Нечаев Александр Сергеевич, Горностаева Елена Анатольевна, Илларионова Светлана Михайловна СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ СТЕКЛОСМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА НА НАРУЖНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ЗАГОТОВКИ ПЕРЕД ПРЕССОВАНИЕМ -, 2020115714 (год публикации - ).

9. Кузнецов В.П., Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Баранникова Н.А., Космацкий Я.И., Колотыгин А.А., Кириллова Л.Н., Шараева Д.Ф. Изменение структуры и свойств в сечении гильзы из сплава ПТ-7М после экспандирования Материаловедение и металлофизика легких сплавов, сборник материалов и докладов IV Международной школы для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов», с. 5-9 (год публикации - 2019).

10. Пышминцев И.Ю., Космацкий Я.И., Горностаева Е.А., Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Радаев П.С., Карабаналов М.С. Microstructure, phase composition and properties of hot-extruded Ti-3Al-2.5V pipe after vacuum annealing Metallurgist, V. 63, № 7-8, pp. 751–758. (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В результате проведенного анализа данных литературы и собственных исследований, связанных с проведением окончательного вакуумного отжига полученных на предыдущем этапе холоднокатаных труб предложены следующие научно-обоснованные рекомендации по температурно-временным параметрам окончательного вакуумного отжига холоднокатаных труб из исследуемых титановых сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ23: - температура отжига – 680 град. С (ПТ-1М), 740 град. С (ПТ-7М), 750 град. С (ВТ23); выдержка при температуре отжига – 2 часа при вакууме не менее 2*10^(-3) Па и скорости натекания не более 1 Па*дм^2*с^(-1), чтобы обеспечить безопасное содержание водорода в сплаве, прохождение процессов первичной рекристаллизации (ПТ-1М, ПТ-7М) и сфероидизации альфа-фазы (ВТ23), скорость нагрева и охлаждения не должна превышать 80 град./ч для исключения коробления, для избежания нежелательного газонасыщения поверхности охлаждение в вакууме осуществлять до 100 град. С, затем производить напуск воздуха для создания на поверхности тонкой защитной окисной пленки. В соответствии с разработанными рекомендациями в промышленных условиях проведен окончательный отжиг холоднокатаных труб из альфа-сплавов ПТ-1М, ПТ-7М и двухфазного сплава ВТ23. Для полученных отожженных холоднокатаных труб из ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ23 осуществлена аттестация их качества с точки зрения геометрических размеров, характеристик поверхности, структуры, содержания водорода, комплекса свойств. Установлено, что после окончательного отжига холоднокатаные трубы из сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ23 удовлетворяют требованиям соответствующих технических условий и не имеют отклонений геометрических размеров, характеристик поверхности, структуры, комплекса свойств, выходящих за пределы этих требований. Анализ структуры, фазового состава и механических свойств отожженных труб из исследуемых титановых альфа-сплавов ПТ-1М, ПТ-7М и альфа+бета-сплава мартенситного класса ВТ23 дал следующие результаты. Макроструктура отожженных холоднокатаных труб 25х2 мм (ПТ-1М), 50х4 мм (ПТ-7М), 160х2 мм (ВТ23) в продольном и поперечном сечении трубы однородна и соответствует 1 баллу шкалы макроструктур титановых сплавов, при этом каких-либо макродефектов не наблюдается. Микроструктура в продольном и поперечном сечении труб готового размера альфа-сплавов ПТ1М, ПТ7М имеет однородное мелкозернистое строение из рекристаллизованных альфа-зерен со средним размером 20 мкм (ПТ-1М), 25 мкм (ПТ-7М). Особенностью структуры отожженной в готовом размере трубы из альфа+бета-сплава ВТ23 является формирование глобулярной структуры первичной альфа-фазы размером от 2 до 5 мкм в превращенной бета-матрице за счет развития процесса сфероидизации первичных альфа-частиц в ходе вакуумного отжига. EBSD анализ текстурного состояния этих сплавов показал, что окончательный вакуумный отжиг холоднокатаных труб из альфа-сплавов ПТ1М, ПТ7М способствует, как и в случае проведения промежуточных отжигов, ослаблению текстуры холодной деформации альфа-фазы {0001}±30 град. ТН<10-10>НП и развитию сильных компонент {0001}±30 град. РН<1-120>НП (ПТ-7М) {0001}±30 град. ТН<1-120>НП (ПТ-7М) (где ТН – тангенциальное (по касательной к окружности) направление в трубе, РН – радиальное (вдоль радиуса) направление в трубе НП – направление прокатки (вдоль оси трубы), очевидно, связанных с прохождением при отжиге процесса рекристаллизации. Формирование рекристаллизованной структуры в сплавах ПТ-1М, сплав ПТ7М обеспечивает получение невысоких характеристик твердости – 140±5 HV (ПТ-1М), 170±5 HV (ПТ-7М). Окончательный отжиг готовой холоднокатаной трубы из сплава ВТ23 за счет развития процессов сфероидизации первичной альфа-фазы, возврата и полигонизации в бета-фазе приводит к формированию текстуры бета-фазы {112}РН<110>НП и связанной с ней ориентационным соотношением Бюргерса текстуры альфа-фазы ({11-22}РН<101-0>НП). Протекание при отжиге процессов частичного снятия наклепа в холоднокатаной трубе из сплава ВТ23 обеспечивает получение твердости по Виккерсу 365±5 HV. Проведение механических испытаний на растяжение в продольном направлении отожженных холоднокатаных труб из сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, ВТ23 показало, что фиксируемый в них уровень прочностных и пластических характеристик (сплав ПТ-1М – временное сопротивление = 508 МПа; предел текучести =381 МПа; относительное удлинение = 27,5%; сплав ПТ-7М – временное сопротивление = 600 МПа; предел текучести = 466 МПа; относительное удлинение = 23,1%; ВТ23 – временное сопротивление = 1075 МПа; предел текучести = 1035 МПа; относительное удлинение = 14,5% – указаны средние значения по трем испытаниям) соответствует требованиям, предъявляемым техническими условиями на холоднокатаные трубы из этих сплавов. Методами ДСК, дилатометрии и термодинамических расчетов в программе Thermocalc проведен анализ изменения теплофизических свойств ( теплоемкости и линейного расширения) и фазового состава исследуемых титановых альфа-сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, двухфазного альфа+бета- сплава ВТ23, а так же псевдо-альфа-сплава Ti-3Al-2,5V (за исключением теплоемкости) в широком температурном диапазоне вплоть до 1000 град. С, включающем температурные интервалы горячей деформации при получении трубных заготовок из них. Установлены следующие закономерности. Удельная теплоемкость исследованных сплавов имеет вблизи комнатной температуры близкие значения (0,55…0,58 Дж/(г*К)), меняется незначительно при нагреве до температур, пока фазовый состав сплавов не претерпевает существенных изменений, и проходит через максимум в температурной области активного протекания полиморфного альфа+бета–бета-превращения. При этом с увеличением легированности сплава от ПТ-1М к ПТ-7М и ВТ23 наблюдается расширение температурного интервала активного протекания превращения и уменьшение величины максимума теплоемкости. Удельная теплоемкость исследованных сплавов после нагрева до температур однофазной бета-области выходит примерно на постоянный уровень, близкий для всех сплавов, но этот уровень (0,47…0,5 Дж/(г*К)) несколько ниже, чем был в альфа-состоянии у сплавов ПТ-1М, ПТ-7М и альфа+бета-состоянии в сплаве ВТ23 до активного протекания полиморфного альфа+бета–бета-превращения. При дилатометрической исследовании обнаружено, что с увеличением содержания легирующих элементов в сплавах на основе альфа-фазы от сплава ПТ-1М (Ti-0,4Al) к ПТ-7М (Ti-2,2Al-2,7Zr) и Ti-3Al-2,5V усиливается эффект уменьшения удлинения при нагреве в интервал активного протекания полиморфного альфа+бета–бета-превращения. При этом для двухфазного альфа+бета- сплава ВТ23 характерно, что изменение удлинения при реализации обратного альфа+бета–бета-превращения в отличие от сплавов на основе альфа-фазы носит более сложный двухстадийный характер с изменением угла наклона и связано с растворением вторичной альфа-фазы в области температур 720-845 град. С и первичной альфа-фазы в диапазоне 845-Тпп (920 град. С). Установлено, что температуры полного полиморфного альфа+бета–бета-превращения (Тпп) исследованных сплавов по дилатометрическим данным составляют 921 град. С (сплав ПТ-1М), 926 град. С (сплав Ti-3Al-2,5V), 948 град. С (сплав ПТ-7М), 922 град. С (ВТ23) и имеют хорошее соответствие (в пределах 5 град. С ошибки) с температурами Тпп, определенными методом пробных закалок. Методами дилатометрии и расчета в Thermocalc построены зависимости изменения объемной доли бета-твердого раствора (Vb) от температуры нагрева сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, Ti-3Al-2,5V и ВТ23 (для последнего только расчетом в Thermocalc). Предложено для сплавов ПТ-1М, ПТ-7М, Ti-3Al-2,5V объяснение полученной разницы в значениях Vb между данными дилатометрии и термодинамических расчетов, связанное с тем, что при термодинамических расчетах время выдержки при соответствующей температуре нагрева стремится к бесконечности, что существенно больше, чем в ходе дилатометрического эксперимента. По данным дилатометрии в ходе альфа+бета–бета-превращения в исследованных сплавах на основе альфа-фазы зафиксировано уменьшение их объема, которое тем больше, чем более легирован сплав, и составляет 0,1% (ПТ-1М), 0,16% (ПТ-7М), 0,5% (Ti-3Al-2,5V). Рассчитанный по дилатометрическим данным для сплавов на основе альфа-фазы (ПТ-1М, ПТ-7М, Ti-3Al-2,5V) коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) в области температур преимущественного существования альфа-фазы колебался от 7,8 до 9,8 ×10^(-6) 1/град. C и составил в среднем 8,2×10^(-6) 1/град. C (ПТ-1М), 8,6×10^(-6) 1/град. C (ПТ-7М), 8,5×10^(-6) 1/град. C (Ti-3Al-2,5V). Выше Тпп в бета-области вплоть до 1000 град. С фиксируется повышение значений КЛТР до среднего уровня 11×10^(-6) 1/град. C (ПТ-1М), 11,8×10^(-6) 1/град. C (ПТ-7М), 13,4×10^(-6) 1/град. C (Ti-3Al-2,5V). Показано, что наличие более высокого КЛТР у бета-твердого раствора по сравнению с альфа-твердым раствором можно связать с более низким модулем упругости бета-фазы по сравнению с альфа-фазой. Обнаружено, что при нагреве в температурную область вблизи Тпп КЛТР проходит через минимум, который преимущественно тем ниже, чем более легирован сплав и может достигать отрицательных значений. Наблюдаемый эффект, исходя из литературных данных и расчетов в Thermocalc, связан с перераспределением легирующих элементов между альфа- и бета-фазами в сплавах ПТ-1М, ПТ-7М, Ti-3Al-2,5V, при этом содержание в бета-фазе элементов (алюминия, ванадия, железа, молибдена, хрома,) с меньшим атомным радиусом, чем у титана в диапазоне температур, где снижается КЛТР, увеличивается быстрее, а, например, элемента циркония, с большим атомным радиусом, чем у титана, наоборот, медленнее, по сравнению с уменьшением их общего количества в альфа-фазе в ходе альфа+бета–бета-превращения. На основании комплексного анализа полученных экспериментальных результатов и имеющихся литературных данных разработана общая методология определения температурно-деформационных параметров производства труб по технологии TREX (Tube Reduced EXtrusion) из титановых альфа- и альфа+бета-сплавов, которая заключается в следующем. Во-первых, устанавливаются определенные требования к полуфабрикату исходной трубной заготовки (степень укова не менее 3-х, различие в балле макроструктуры не более 2-х по сечению заготовки). Во-вторых, определяется с точностью ±5 град. С температура полного полиморфного альфа+бета–бета-превращения (Тпп) титанового сплава, из которого изготовлена трубная заготовка, чтобы осуществить для этой заготовки после операции сверления правильный выбор температуры предварительной деформационной обработки (экспандирования), обеспечивающей выравнивание геометрии и структуры по сечению заготовки. В-третьих, проводится физическое моделирование на специализированном научном оборудовании, например, комплексе Gleeble, температурно-деформационных и силовых процессов, связанных с горячим прессованием трубной заготовки из конкретного альфа-, альфа+бета-сплава титана. Диапазон температур испытаний включает используемые на практике температуры прессования сплавов как в двухфазной альфа+бета-, так и однофазной бета-области, а скорости и степени деформации выбираются в диапазоне сопоставимом для промышленного процесса прессования титановых сплавов. Это позволяет в ходе моделирования определить диапазон наиболее благоприятных температур, степеней деформации (вытяжки) при прессовании с учетом возможного деформационного разогрева, и соответствующие им пиковые нагрузки вначале прессования, которые можно реализовать, исходя из соответствующих расчетных силовых характеристик, развиваемых на планируемом для прессования деформационном оборудовании. В-четвертых, осуществляется модельная холодная прокатка образцов, вырезанных из горячедеформированной заготовки, на различную степень (с шагом 10-15%) вплоть до образования трещин в лабораторных (опытно-промышленных) условиях по схеме «овал»-«овал», имеющей определенное сходство со схемой напряженно-деформированного состояния при холодной прокатке труб, и проведение последующих их механических испытаний на растяжение. Это позволяет определить допустимые степени холодной деформации (прокатки) без образования трещин, а значит и соответствующий технологический маршрут с определенным количеством холодных прокаток при получении трубной заготовки из конкретного сплава титана, происходящее при этом его деформационное упрочнение, и выбрать соответствующее для реализации процесса оборудование – станы ХПТ или ХПТР В-пятых, исходя из данных литературы и возможностей планируемого для термообработки вакуумного термического оборудования, осуществляется научное обоснование режимов промежуточных и окончательного вакуумного отжига (температура нагрева, время выдержки, условия охлаждения, степень вакуума), для трубных полуфабрикатов из конкретного титанового сплава, обеспечивающих в промежуточном (горячепрессованная труба или холоднокатаная промежуточная трубная заготовка) и окончательном (готовая холоднокатаная труба) полуфабрикатах необходимое структурное состояние, безопасное содержание водорода и комплекс геометрических и механических свойств труб в соответствии с требованиями технологии TREX.

 

Публикации

1. Баранникова Н.А., Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Шараева Д.Ф., Кириллова Л.Н., Шабанов М.А. Изменение структурного состояния и твердости по сечению горячедеформированной трубной заготовки из сплава ВТ14 XX-ая Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов – молодых ученых: сборник трудов., С. 316…319 (год публикации - 2020).

2. Водолазский Ф.В., Илларионов А.Г., Ширинкина Н.А. Microstructure, phase composition, physical and mechanical properties of titanium alloy VT23 hot-extruded tube Solid State Phenomena, - (год публикации - 2021).

3. Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Баранникова Н.А., Космацкий Я.И., Худорожкова Ю.В. Influence of phase composition on thermal expansion of Ti-0.4Al, Ti-2.2Al-2.5Zr and Ti-3Al-2.5V alloys Journal of Alloys and Compounds, V. 857, № 158049 (год публикации - 2021).

4. Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Космацкий Я.И., Горностаева Е.А. Determination of temperature-force parameters required for manufacturing hot extruded pipes of PT-1M titanium alloy Tsvetnye metally, №2, pp. 77-83 (год публикации - 2021).

5. Илларионов А.Г., Ушакова А.С., Водолазский Ф.В. Modelling of the Effect of Chemical Composition on the Phase Transformations Temperatures of Ti-0.4Al Alloy IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, - (год публикации - 2020).

6. Космацкий Я.И., Водолазский Ф.В., Горностаева Е.А., Илларионова С.М., Ширинкина Н.А. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННЫХ БЕСШОВНЫХ ТРУБ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ -, W21026464 (год публикации - ).

7. Космацкий Я.И., Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Карабаналов М.С., Ширинкина Н.А., Шабанов М.А. КОЛПАКОВАЯ ПЕЧЬ СО СПИРАЛЬНЫМ ПОДОМ -, W21026637 (год публикации - ).

8. Космацкий Я.И., Яковлева К.Ю., Горностаева Е.А., Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Баранникова Н.А. Влияние холодной пластической деформации на структуру и механические свойства высокопрочного титанового сплава ВТ14 научно-технический журнал "Титан", № 3-4(69), с. 67-74 (год публикации - 2020).