Металлургия гранул титановых сплавов в ОАО «Композит»

УДК 669.295:621.762

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ОАО «КОМПОЗИТ»

В.Н. Бутрим, канд. техн. наук, А.И. Логачева, канд. техн. наук

Показана деятельность ОАО «Композит» в области металлургии гранул титановых сплавов, которая включает производство гранул и изготовление из них деталей сложной и точной формы методом горячего изостатического прессования.

Ключевые слова: титан, быстрая кристаллизация, порошковая металлургия, гранульная металлургия, процесс плазменного распыления вращающегося электрода, горячее изостатическое прессование.

Titanium Alloy Powder Metallurgy at OAO Kompozit. V.N. Butrim, A.I. Logachiova.

Activity of OAO Kompozit in the field of titanium alloy powder metallurgy including production of powder and complex near-net components made of the powder via the hot isostatic pressing technique is shown.

Key words: titanium, rapid solidification, powder metallurgy, plasma rotating electrode process, hot isostatic pressing.

ОАО «Композит» (ранее ЦНИИМВ), ведущее предприятие Федерального космического агентства Российской Федерации в области материаловедения для космической техники, занимается исследованиями в области создания и применения гранулируемых сплавов с начала 1980-х, когда было принято решение об организации экспериментального (ЦНИИМВ) и промышленного (КБХА) производств порошковой металлургии для решения задач по освоению новых материалов и технологий в рамках программы изготовления двигателей для многоразовой космической системы в составе ракеты-носителя «Энергия» и космического корабля «Буран».

За основу было принято одно из наиболее перспективных направлений порошковой металлургии - металлургия гранул, обоснованная учеными ВИЛСа А.Ф. Беловым и В.И. Добаткиным.

Результатом успешной совместной научно-практической деятельности КБХА, ЦНИИМВ и ВИЛСа было освоение технологии производства ротора высокотемпературной газовой турбины из гранулируемого никелевого сплава ЭП741НП и комбинированной крыльчатки турбонасосного агрегата с диском и рабочими лопатками из гранулируемого титанового

сплава ВТ5-1КТ при создании ракетного двигателя РД 0120 РН «Энергия».

Деятельность ОАО «Композит» в области металлургии гранул титановых сплавов в настоящее время включает производство гранул и изготовление из них деталей сложной и точной формы методом горячего изостатического прессования.

Опытно-промышленное производство предприятия оснащено комплексом оборудования, в состав которого входят:

1. Установка УЦР-2 для получения гранул методом плазменного распыления вращающегося электрода (PREP), совмещенная с установкой рассева и магнитной сепарации гранул.

2. Установка аэродинамической сепарации ЗИГ-ЗАГ.

3. Установка вакуумной дегазации гранул, засыпки гранул в капсулы без контакта с атмосферой и герметизации капсул с гранулами на базе печи СНВ-6.

4. Установка горячего изостатического прессования.

Одним из основных способов повышения качества продукции является уменьшение размера частиц порошков и гранул, что приводит к пропорциональному повышению скорости охлаждения и соответственно росту химической однородности частиц.

Проведенными мероприятиями по совершенствованию оборудования и исследованиями процесса плазменного распыления при скоростях вращения электрода до 18 тыс. об/мин определены оптимальные режимы, обеспечивающие получение до 95 % выхода годных гранул фракции (+50)-(-280) мкм, причем содержание гранул размером до 105 мкм составляет не менее 50 %. Скорость охлаждения частиц в среде инертного газа составляет 103-104 К/с.

Гранулы, изготавливаемые с использованием РРБР-процесса (рис. 1, а), характеризуются почти идеальной сферической формой и высоким качеством поверхности: отсутствуют конгломераты, характерные для частиц, получаемых газоструйным распылением расплава инертным газом (рис. 1, б).

В ОАО «Композит» отработаны режимы литья гранул широкой номенклатуры титановых сплавов: ВТ6 (вгаСе5), ВТ14, ВТ18У, ВТ22, ВТ23, ПТ3В, а также интерметаллидных сплавов на основе титана ИД!, Т13Д1, Т12ЫЬД! [1]. Производительность производства составляет около 10000 кг гранул в год при односменной работе.

После рассева, электростатической и магнитной сепарации без контакта с атмосферой гранулы подвергают термической дегазации на установке УЗГК при температуре до 550 °С в вакууме ~10-3 Па при движении гранул в тонком слое по специальному лотку, расположенному в обогреваемой зоне печи, в процессе засыпки гранул в капсулу.

Вакуумная дегазация обеспечивает удаление адсорбированной влаги и растворенных газовых примесей до требуемого отраслевыми и зарубежными стандартами уровня.

Содержание примесей в гранулах сплава Л-6А!-4У

PREP-гранулы, «Композит», % мас.........

По ASTM [2], % мас., не более...........

Кислород

0,12 0,20

Водород

0,003 0,0125

Азот

0,005 0,05

Рис. 1. Внешний вид гранул сплава Ti-6Al-4V ОАО «Композит»

Сферические гранулы имеют высокую текучесть, что позволяет заполнять капсулы практически любой геометрической формы и, как следствие, получать изделия сложной формы. С целью достижения наибольшей плотности засыпки гранул осуществляют регулирование потока гранул и виброуплотнение массы гранул в капсуле. Капсулы с гранулами герметизируют электроннолучевой сваркой.

После ГИП материал имеет мелкозернистую однородную структуру, а его физико-механические свойства на 20-40 % выше механических свойств отливок и близки к свойствам деформированного материала.

Возможность изготовления деталей сложной конфигурации с минимальной механической обработкой является несомненным достоинством технологии металлургии гранул. В результате

обеспечивается повышение коэффициента использования материала до 0,4-0,8, что снижает в 2-3 раза расход металла и в 1,5-3,0 раза трудоемкость механической обработки деталей.

Одной из последних разработок Института новых металлургических технологий ОАО «Композит» в этой области является изготовление из гранул титановых сплавов опытных образцов элементов трубопровода (рис. 2, а) и полусферы шаробаллона (рис. 2, б) для топливной системы космических аппаратов.

- наружный диаметр 35 мм, толщина стенки 2,2 мм, длина 310 мм;

- наружный диаметр 86 мм, толщина стенки 2,2 мм, длина 1100 мм.

Измерения геометрических параметров труб (табл. 1), выполненные по схеме (рис. 3), свидетельствуют о возможности изготовле-

ние. 2. Элемент трубопровода (а) и полуефера шаробаллона (б) топливной еиетемы из гранул титановых еплавов

Из гранул сплава ВТ14 изготовлены прямолинейные элементы трубопровода двух типоразмеров:

Рие. 3. Схема замеров геометричееких параметров труб

ния тонкостенных изделий с достаточной точностью. Предельные отклонения геометрических параметров труб по диаметру и толщине находятся в пределах допуска на механическую обработку.

Микроструктура гранулируемого двухфазного (а+/)-сплава ВТ14 - однородная, мелкозернистая, без видимых границ гранул (рис. 4).

Рие. 4. Микроетруктура гранулируемого еплава ВТ14

Таблица 1

Геометрические параметры труб

Заданные размеры Отклонение от заданного размера Длина образца

диаметр О, мм толщина В, мм по диаметру О, мм по толщине В, мм 1, мм

35 86 СЧ СЧ -0,25 - -0,16 +0,1 - +0,7 0,17 - +0,58 -0,07 - +0,12 -0,35 - +0,42 -0,17 - +0,35 ООО ООО г|

Механические свойства элементов трубопровода соответствуют свойствам деформированного материала (табл. 2).

Таблица 2

Механические свойства труб 0 86 мм

из гранул сплава ВТ14

Состояние материала о , МПа в' МПа -, %

После ГИП 912-926 835-846 9,6-10,0

Отжиг 750 °С, 40 мин 903-927 845-867 12,0-13,6

По ТУ 14-3-1953-94 863-1080 - 8

По результатам испытаний образцов трубы 0 35 мм высотой 50 мм на осевое сжатие установлено, что потеря устойчивости трубы с образованием бочки произошло при напряжении 1075 МПа, образование трещин - при напряжении 1235 МПа.

Прочность сварного соединения, полученного аргонодуговой сваркой, составила 860886 МПа, что находится в пределах значений условного предела текучести а02 основного металла.

Испытания на проницаемость методом ва-куумирования образца трубы 0 86 мм, толщиной стенки 2,2 мм и длиной 100 мм избыточ-

ным внутренним давлением газообразного гелия 3 МПа показали абсолютную герметичность элемента трубопровода: при чувствительности прибора 5х10-7 л.мкм. рт.ст./с натекания гелия не обнаружено.

Первый экспериментальный образец полусферы диаметром 450 мм (см. рис. 2, б) выдержал испытания на внутреннее давление 9 МПа (92 ати) без разрушения, что в 1,5 раза выше рабочего давления шаробаллона.

Полученные результаты позволили перейти к решению задач изготовления из гранул титановых сплавов более сложных элементов изделий авиационной и космической техники.

В настоящее время ведутся работы по созданию технологии изготовления из титановых гранул цельного бесшовного шаробалло-на емкостью 63,5 л и моноколеса компрессора низкого давления перспективного авиационного двигателя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ТУ 1798-387-56897835-2005. Гранулы из титановых сплавов. Технические условия.

2. ASTM B 348 Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Bars and Billets.