СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ ИЗ АЛЬФА- И ПСЕВДО-АЛЬФА- ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF PRODUCING OF HOT-ROLLED PIPES MADE OF ALPHA- AND SEMI- ALPHA-TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к трубному производству и может применяться при изготовлении бесшовных труб из α- и псевдо-α-титановых сплавов. Изобретение может быть использовано для изготовления изделий, предназначенных для эксплуатации в различных областях промышленности, в том числе авиакосмической.
Особенностью производства труб из сплавов на основе титана является то, что заготовкой для их производства являются слитки, полученные методом вакуумной дуговой плавки, при которой процессы плавления, литья и затвердевания соединены воедино и раздельное регулирование их практически невозможно. Происходит значительный перегрев расплава, и образуется крупнозернистая структура слитков, имеющая значительную неоднородность по сечению и крупнозернистую микроструктуру. При сохранении данной структуры металла изделиям, изготовленным из него, будут присущи невысокие эксплуатационные свойства.
Для повышения технологических и эксплуатационных свойств необходимо формирование в них мелкозернистой (размер зерен фаз не более 150-200 мкм) микроструктуры. Кроме того, достижение в полуфабрикатах структурно-однородного состояния особенно важно для оценки качества труб методами ультразвукового контроля, который широко применяется при их контроле. При высокооднородной и мелкозернистой структуре титанового сплава значительно снижается уровень акустических шумов, увеличивается предельная чувствительность метода, ограниченная этими шумами, и материал становится более "прозрачным", т.е. имеющим минимальный уровень структурных помех, что создает возможность обнаружения дефектов минимального размера. Это предполагает продление ресурса работы изделий и, следовательно, снижение стоимости машин и агрегатов за счет эксплуатации изделий с дефектами допустимого размера.
Известен способ производства горячекатаных труб из титановых α- и (α+β)-сплавов, включающий ковку слитка в пруток за несколько переходов в α- и (α+β)-области, резку заготовок на краты, изготовление шашек под прессование, сверление осевого отверстия и механическую обточку боковой поверхности, нагрев биллета выше или ниже температуры полиморфного превращения и прессование полой трубной заготовки (патент РФ №2127160, МПК В21В 23/00, В21В 3/00, публ. 1999.03.10.) - аналог.
Данный способ используется для изготовления трубных заготовок.
Известен способ производства горячекатаных труб из α- и (α+β)-сплавов на основе титана, включающий ковку слитка в заготовку с последующей механической обработкой, получение центрального отверстия, прокатку на пилигримовом стане и механическую обработку, при этом ковку при каждом переходе начинают производить при температуре в β-области, или β- и (α+β)-области, а по мере охлаждения заготовки заканчивают в (α+β)-области с уковом не менее 20%. Сквозную прошивку сплошной заготовки осуществляют при температуре β-области, а перед прокаткой на пилигримовом стане прошитую заготовку охлаждают до температуры на 30÷100°С ниже Тпп. Прокатку ведут со скоростью деформации
-3
-1
2
-1
от 3·10 с до 10 с (патент РФ №2262401, МПК В21В 3/00, публ. 2005.10.20) - прототип. Изобретение обеспечивает формирование в трубах мелкозернистой микроструктуры с высокой степенью однородности.
Недостатками известного способа являются невозможность получения микроструктуры металла с величиной зерен менее 150-200 мкм, а также ограниченные возможности пилигримовых станов, не позволяющие производить трубы диаметром менее 270 м.
Целью данного изобретения является:
- создание способа получения труб из α- и псевдо-α-титановых сплавов, с мелкозернистой (размер зерен не более 50-100 мкм) микроструктурой;
- достижение структурно-однородного состояния в готовом изделии, обеспечивающего "прозрачность" для ультразвукового контроля качества полуфабрикатов и изделий;
- расширение технологических возможностей станов поперечно-винтовой прокатки.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является создание технологии, при которой совмещаются операции по формированию геометрических размеров труб из α- и псевдо-α-титановых сплавов, в т.ч. диаметром менее 270 мм на поперечно-винтовых станах с процессами формирования регламентированной микроструктуры, обеспечивающей высокие технологические и эксплуатационные свойства изделий.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления горячекатаных труб из α- и псевдо-α-титановых сплавов, включающем ковку слитка в заготовку за несколько переходов с чередованием β, (α+β)-области, причем последний переход куют в (α+β)-области, получение центрального отверстия в заготовке, нагрев заготовки с центральным отверстием, прессование трубной заготовки, нагрев трубной заготовки под раскатку, раскатку на стане и механическую обработку, нагрев заготовки с центральным отверстием производят до температуры 650-800°С со скоростью, равной 50÷70°С/мин, далее со скоростью 20÷30°С/мин до температуры прессования, определяемой по формуле (1):
прессования
где Т - температура прессования;
ПП
Т - температура полиморфного превращения сплава, °С;
s
σ - сопротивление деформации с учетом скорости деформации и температуры деформации, МПа;
с - удельная теплоемкость сплава, кДж/кг·К;
3
ρ - плотность материала сплава, кг/м;
µ - величина вытяжки,
прессование трубной заготовки производят с вытяжкой 2-7,
нагрев трубной заготовки под прокатку осуществляют со скоростью нагрева, равной 50÷70°С/мин, до температуры, определяемой по формуле (2):
раскатки
Т - температура раскатки,
прокатку осуществляют с вытяжкой 2-3.
Сущность заявленного способа заключается в следующем.
Ковку слитка осуществляют за несколько переходов с чередованием ковки в β и (α+β)-области. Ковкой в β-области уменьшаем размер зерна. При последующей ковке с нагревом металла в (α+β)-области зерно измельчается.
Окончательная ковка в (α+β)-области позволяет упрочнить металл в процессе деформационного наклепа за счет увеличения плотности дислокаций.
прессования
В процессе нагрева такого металла до температуры (α+β)-области (650-800°С) со скоростью 50÷70°С/мин, а затем более медленный нагрев со скоростью 20÷30°C/мин до температуры прессования Т, определяемой из формулы (1), начинается первичная рекристаллизация из большого количества центров за счет повышенной внутренней энергии, накопленной металлом при деформации. Регламентированный нагрев позволяет измельчить и выровнять размер зерна по сечению заготовки. При прессовании с вытяжкой µ=2÷7 происходит формирование измельченно-вытянутого зерна, при этом не происходит начала вторичной рекристаллизации. Этим мы подготавливаем структуру перед нагревом под раскатку.
раскатки
Быстрый (скоростной) нагрев со скоростью 50÷70°С/мин до температуры раскатки Т, рассчитываемой по формуле (2), и последующая прокатка с вытяжкой не менее 2 для обеспечения необходимой степени деформации, но не более 3, во избежание деформационного перегрева и «раздутия» трубы, обеспечивает получение мелкого, рекристаллизованного зерна, образуемого из удлиненных зерен. Как результат, формируются макрозерна размером не более 2-го балла. Нагрев трубной заготовки со скоростью менее υ=50÷70°С/мин приводит к образованию участков крупного зерна. При более высокой скорости нагрева не обеспечивается равномерность температурного поля и требуется наличие специального технологического оборудования.
Примеры конкретного выполнения.
прессования
Пример 1 (α-титановый сплав). Слиток ⌀740 мм из сплава Gr2 за несколько переходов с чередованием β- и (α+β)-области отковали в пруток ⌀285 мм, причем последний переход осуществляли в (α+β)-области. Из кованого, механически обработанного прутка ⌀280 мм изготовили шашку размерами ⌀275 мм×⌀50 мм×112,5 мм для дальнейшего прессования на прессе 3150 т.с. Температуру нагрева под прессование Т определяли по формуле (1):
прессования
Заготовку нагревали со скоростью 50-60°С/мин до температуры Т=700°С, далее со скоростью 20-30°С/мин до Т и выдержкой 30 минут при данной температуре. Прессование трубной заготовки производили с вытяжкой, равной 4,51.
Полученную трубную заготовку ⌀133×⌀45×44 мм нагревали под раскатку до температуры, определяемой по формуле (2):
со скоростью 70°С/мин, далее выдержка 10 минут при данной температуре, затем осуществляли раскатку трубы на поперечно-винтовом стане со степенью вытяжки, равной 4,51.
Далее трубы механически обрабатывали на готовый размер ⌀125 мм×⌀101 мм×12 мм и подвергали ультразвуковому контролю.
Трубы из сплава Gr2 размером ⌀125 мм×⌀101 мм×12 мм, изготовленные по предложенному способу, обладают механическими свойствами, приведенными в табл.1 и 2. Макроструктура приведена на фиг.1.
Таблица 1
№ образца
Механические свойства труб размером ⌀125×⌀101×12 мм, сплав Gr2
σ<sub>В</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
ψ, %
1
493
370
33,3
64,6
2
489
387
32,1
61,3
3
490
381
34,6
65,7
4
488
375
35,8
64,6
Требование ASTM B861
≥345
275-450
20
-
Таблица 2
№ образца
Результаты испытаний на ударную вязкость, KCU, кгс·м/см<sup>2</sup>
1
15,7
2
17,5
3
17,0
4
16,6
Пример 2.
Пример для псевдо-α-титановых сплавов (сплав ОТ4).
Слиток ⌀740 мм куют в пруток ⌀280 мм с окончанием ковки в (α+β)-области, механически обрабатывают на ⌀275 мм. Изготавливают шашку под прессование ⌀275×⌀50×225 мм.
пп
Для данного слитка температура полиморфного превращения Т=950°С.
Заготовку с центральным отверстием нагреваем в индукторе до температуры 750-850°С со скоростью, равной 20-30°С/мин, до температуры прессования:
s
3
где σ=95 МПа, µ=4,68, с=0,73 кДж/(кг·К), ρ=4,55 г/см.
Перед раскаткой заготовку нагревают со скоростью 50-70°С/мин до температуры:
Механические свойства труб размером ⌀107×⌀87×10 мм из сплава ОТ4 приведены в таб.3. Макроструктура приведена на фиг.2.
Таблица 3
№ образца
Механические свойства
σ<sub>в</sub>, МПа (кгс/мм<sup>2</sup>)
δ, %
ψ, %
1
753,62 (76,9)
17,6
44,3
2
753,62 (76,9)
17,6
49,2
3
752,64 (76,8)
21,6
50,4
4
761,46(77,7)
16,8
47,0
5
774,2 (79,0)
18,4
50,2
6
774,2 (79,0)
18,8
51,6
Требование ТУ 1-5-107
617,8-833,6 (63-85)
Не менее 8
-
Анализ микроструктуры труб показал, что ее структура равноосная, близка к глобулярной с размером зерен 65-90 мкм.
Заявленный способ позволяет из α- и псевдо-α-титановых сплавов получить прокаткой на поперечно-винтовых станах трубы диаметром менее 270 мм с мелкозернистой (размер зерен не более 50-100 мкм) микроструктурой, которая обусловливает высокие технологические и эксплуатационные свойства изделий, в т.ч. снижение уровня структурных шумов при ультразвуковом контроле.