Способ изготовления горячедеформированных тонкостенных трубных изделий из титана и титановых сплавов
METHOD FOR MANUFACTURING HOT-DEFORMED THIN-WALLED PIPE PRODUCTS MADE OF TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам изготовления горячедеформированных тонкостенных трубных изделий из титана и титановых сплавов с отношением наружного диаметра к толщине стенки D/s равным 12,5 и более, используемых в качестве конструкционного материала для активных зон атомных реакторов, в химической, нефтегазовой и судостроительное промышленности, медицине.
Титан и титановые сплавы обладают ограниченной пластичностью и значимой зависимостью физико-механических свойств и структурного состояния от температуры горячей обработки. Это накладывает ограничения на способы изготовления тонкостенных трубных изделий из титана и титановых сплавов с отношением наружного диаметра к толщине стенки D/s равным 12,5 и более.
Известен способ изготовления труб из тугоплавких металлов (авторское свидетельство № 545398, опубликовано 05.02.1977), включающий поперечно-винтовую прошивку и раскатку нагретой заготовки на короткой оправке в вакууме и последующую продольную раскатку гильзы. Реализация данного способа требует дорогостоящего специализированного оборудования для обеспечения вакуума для нагревательной установки, прошивного и прокатного стана, а также шлюзовой камеры для загрузки заготовок и выгрузки труб.
Известен способ изготовления горячекатаных труб из альфа– и псевдо–альфа–титановых сплавов (патент RU 2355489, опубликован 20.05.2009). Известный способ требует выполнения ковки слитка в заготовку за несколько переходов с чередованием в–, (б+в)–области, последний переход куют в (б+в)–области; получения центрального отверстия в заготовке; нагрева и выдавливания заготовки с последующим нагревом и прокаткой на стане; механической обработки. В известном способе отсутствует описание типа прокатки труб, известны два типа прокатки: первый тип реализован на станах периодического действия таких, как пильгерстан, автоматстан, стан планетарного типа, второй — на поперечно-винтовых станах. Оба этих типа прокатки являются не эффективными, так как обладают рядом недостатков.
В первом случае при прокатке на станах периодического действия по причине длительности процесса прокатки и длительного периодического контакта с прокатным инструментом не обеспечивается стабильность свойств по длине титановой трубы из титановых сплавов, материал захолаживается и разрушается в очаге деформации. При прокатке на поперечно-винтовых станах не обеспечивается требуемое значение разностенности и овальности для трубных изделий из титана и титановых сплавов с отношением наружного диаметра к толщине стенки D/s равным 12,5 и более (Машины и агрегаты трубного производства: Учебное пособие для вузов/ А.П. Коликов, В.П. Романенко, С.В. Самусев и др. — М.: «МИСИС», 1998.— 536 с.; Производство труб. Шевакин Ю.Ф., Глейберг А.З. М.: Металлургия, 1968.— 440 с.).
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является известный способ изготовления полой трубной заготовки для производства бесшовных труб из псевдо-б и (б+в) титановых сплавов (патент RU 2127160, опубликован 10.03.1999). В соответствии с изобретением слиток куют в несколько переходов при температурах в-области на переходах от первого до последнего и (б+в)-области на последнем переходе, пруток режут на краты, сверлят отверстия, выдавливают промежуточный биллет, режут полученную заготовку, механически обрабатывают и окончательно выдавливают при регламентированном соотношении температуры и вытяжки согласно приведенным формулам. Известный способ не применим для изготовления тонкостенных трубных изделий из титана и титановых сплавов по совокупности причин: во-первых, невысокая пластичность титана и титановых сплавов, в зависимости от марки сплава, не позволяет проводить выдавливания с вытяжкой более 16, следовательно, стенка исходной заготовки не может быть толще стенки готовой трубы более чем в 4 раза; во-вторых, тонкая стенка исходной заготовки приводит к тому, что заготовка после нагревания за непродолжительное время с момента переноса до контейнера пресса и нахождения в контейнере существенно теряет температуру и, как следствие, пластичность, что приводит к разрушению трубных изделий в процессе выдавливания. В-третьих, повышение температуры заготовки невозможно, так как процесс выдавливания производится в узком интервале температур ниже температуры полиморфного превращения и даже кратковременное ее превышение приводит к недопустимым структурным изменениям в материале заготовки (Полуфабрикаты из титановых сплавов. Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Бочвар Г.А. и др. М.: Металлургия, 1979.— 512 с; Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник.— М.: ВИЛС–МАТИ, 2009.— 520 с.). Кроме того, неоднократное выдавливание заготовок на прессе с проведением промежуточной механической обработкой, приводит к существенному удлинению технологии и повышенным потерям материала на подготовительных операциях.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в изготовлении горячедеформированных тонкостенных трубных изделий из титана и титановых сплавов с соотношением наружного диаметра к толщине стенки D/s равным 12,5 и более, с высокими эксплуатационными свойствами, регламентированными современными стандартами.
Технически результат достигается тем, что изготовление горячедеформированных тонкостенных трубных изделий из титана и титановых сплавов, включает две стадии горячей деформации, на первой стадии выполняется деформация сплошного слитка методами ковки, прокатки и их сочетанием при температуре нагрева под деформацию на (20–150) °С выше температуры полиморфного превращения, порезку на краты, после чего выполняют центральное отверстие с получением трубной заготовки, на второй стадии горячей деформации трубную заготовку нагревают с установленной в центре металлической сплошной балластной заготовкой, диаметр которой близок, но меньше внутреннего диаметра трубной заготовки с учетом теплового расширения, до температуры на (20–150) °С ниже температуры полиморфного превращения, перемещают на пресс и выполняют деформацию выдавливанием с получением тонкостенных трубных изделий .
В частном случае допускается начало первой стадии горячей деформации  выполнять после нагрева до температуры на (20–150) °С выше температуры полиморфного превращения, а заканчивать при температуре нагрева под деформацию на (20–150) °С ниже температуры полиморфного превращения, с коэффициентом вытяжки при деформации ниже температуры полиморфного превращения не более 1/3 от суммарной вытяжки от слитка до трубной заготовки.
Допускается на заготовку перед деформацией выдавливанием наносить защитно-подсмазочные покрытия на основе меди, алюминия, стеколоэмалей, графита или их комбинаций.
Допускается после деформации выдавливанием проводить термическую обработка трубной заготовки в окислительной атмосфере с последующей очисткой поверхности абразивной, лезвийной или химической обработкой.
Допускается после деформации выдавливанием проводить механическую обработку трубной заготовки с последующей термической обработкой в безокислительной среде вакуума или инертного газа.
Для балластной заготовки необходимо выбирать материал с высокой теплоемкостью, не вступающий в химическую реакцию с материалом титановой заготовки и имеющий температуру плавления выше температуры нагрева под деформацию выдавливанием титановой заготовки. Длина балластной заготовки примерно равна длине трубной заготовки.
Изготовление тонкостенных трубных изделий из титана и титановых сплавов при заявленной последовательности и заявленных условиях, выбранных на основании расчетов и подтвержденных экспериментально, позволяет стабилизировать температуру заготовки под деформацию выдавливанием в процессе перемещения и подготовительных операций, обеспечивая сохранение пластичности материала и получение регламентированных свойств, соответствующих требованиям отраслевых и мировых стандартов, а также высокую точность получаемых размеров изделий.
Деформация слитка методом ковки, прокатки и их сочетанием при температурах выше температуры полиморфного превращения обеспечивает высокую пластичность материала, что гарантирует получение бездефектных поковок. Допустимая окончательная деформация методом ковки, прокатки и их сочетанием при температурах ниже температуры полиморфного превращения, направлена на повышение производительности за счет использования большего парка нагревательного оборудования.
Нагрев заготовки под деформацию выдавливанием при температуре на (20–150) °С ниже температуры полиморфного превращения обеспечивает получение требуемого комплекса физико-механических свойств на готовом изделии, при этом наличие балластной заготовки позволяет минимизировать тепловые потери при перемещении трубной заготовки, сохранив ее пластичность.
Получение малой толщины стенки после деформации выдавливанием тонкостенного трубного изделия обеспечивает глубокую проработку материала по всему сечению стенки и гарантирует требуемое структурное состояние.
Дополнительное использование защитно-подсмазочных покрытий обеспечивает снижение усилий при деформации выдавливанем, повышает стойкость инструмента и качество поверхности изготавливаемых трубных изделий.
Предлагаемый способ опробован в условиях производства предприятия-заявителя при изготовлении трубных изделий из слитков титана и титановых сплавов.
Пример 1. Изготовление трубного изделия согласно Прототипу.
Взяли слиток титанового сплава ковали при температуре выше температуры полиморфного превращения, что соответствует в-области, окончательную ковку выполнили в (б+в)-области, порезали на краты, выполнили центральное отверстие методом сверления, и горячее выдавливание в промежуточную заготовку, затем провели обточку и расточку под последующее выдавливание. Окончательное выдавливание выполнили при температуре, рассчитанной по формуле, приведенной в Прототипе. Выдавливание выполнено тонкостенной трубы Ш219Ч9 мм, что соответствует соотношению наружного диаметра к толщине стенки D/s примерно равном 24 и коэффициентом вытяжки примерно равном 8, толщина стенки трубной заготовки составляет около 80 мм.
В результате наблюдали захолаживание трубной заготовки в процессе переноса, скачкообразное движение прессового инструмента вследствие недостаточной пластичности материала, приводящей к образованию локальных кольцевых дефектов в виде периодического утонения толщины стенки, вплоть до полного разрушения.
Пример 2. Изготовление по предлагаемому способу
Взяли слиток титанового сплава, имеющего температуру полиморфного превращения равную Тпп=920 °С, деформировали методом ковки после нагревания до температуры нагрева 1000 °С, что на 80 °С выше температуры полиморфного превращения и соответствует в-области, порезали на краты, выполнили центральное отверстие методом сверления, нанесли медное подсмазочное покрытие и покрытие на основе графита. Затем, в полученную трубную заготовку установили сплошную балластную заготовку из титанового сплава, диаметр которой меньше внутреннего диаметра заготовки на 10 мм, длина балластной заготовки соответствует длине трубной заготовки. Нагрели трубную и балластную заготовки до температуры 870 °С, что на 50 °С ниже температуры полиморфного превращения, переместили на пресс и выполнили деформацию выдавливанием. Извлечение балластной заготовки осуществляется в момент ввода иглы в трубную заготовку — балластная заготовка выталкивается в матрицу.
Получили горячедеформированную тонкостенную трубу Ш219Ч9 мм, с соотношением наружного диаметра к толщине стенки D/s примерно равном 24 и коэффициентом вытяжки примерно равном 8, толщина стенки трубной заготовки составила около 80 мм.
После деформации выдавливанием труба имела ровные наружные и внутренние поверхности без образования кольцевых и других дефектов.
Часть труб подвергли термической обработке в окислительной атмосфере с последующей лезвийной механической обработкой и травлением. Другая часть труб прошла вначале механическую обработку и затем термическую обработку в безокислительной среде вакуума.
Проведенные испытания показали, что комплекс достигнутых физико-механических свойств труб, прошедших термическую обработку в окислительной и безокислительной средах идентичен, и соответствует требованиям нормативной документации, результаты представлены в таблице 1. Структурное состояние материала также соответствует нормативной документации. Достигнутые размеры приведены в таблице 2.
Таблица 1 - Комплекс физико-механических свойств полученных труб из различных титановых сплавов, изготовленных по Примеру 2 и Примеру 3
Марка сплава
Способ изготовления
Испытания при комнатной температуре
Испытания при повышенной температуре
у<sub>В</sub>, МПа
у<sub>0,2</sub>, МПа
д<sub>5</sub>, %
ш, %
у<sub>В</sub>, МПа
у<sub>0,2</sub>, МПа
ПТ–1М
Пример 2
435–466
277–328
26–30
56–62
298–322
194–227
Пример 3
442–470
281–342
26–35
60–67
297–323
194–229
Требования НД
343–539
≥245
≥24
≥45
≥215
≥147
ПТ–7М
Пример 2
595–605
500–520
20–22
42–49
340–355
260–281
Пример 3
601–615
502–525
21–24
45–52
339–353
259–280
Требования НД
470–667
≥372
≥18
≥36
≥235
≥176
ПТ–3В
Пример 2
710–770
635–681
15–19
38–47
399–425
325–365
Пример 3
724–781
645–689
17–22
40–49
399–435
320–360
Требования НД
686–863
≥588
≥10
≥30
≥343
≥294
Таблица 2 - Размеры полученных труб из различных титановых сплавов, изготовленных по Примеру 2 и Примеру 3
Марка сплава
Способ изготовления
Отклонения по наружному диаметру, %
Отклонения по толщине стенки, %
Овальность
Разностенность, %
ПТ–1М
Пример 2
+0,3; –1,0
±5
1,01
7
Пример 3
+0,2; –0,9
±4
1,01
6
ПТ–7М
Пример 2
+0,5; –1,2
±7
1,01
11
Пример 3
+0,4; –1,1
±6
1,02
10
ПТ–3В
Пример 2
+0,4; –1,2
±8
1,02
12
Пример 3
+0,4; –1,3
±8
1,02
12
Требования НД
+0,8; –1,8
±12,5
≤1,03
≤25
Овальность вычисляется как отношение максимального значения диаметра к минимальному в одном поперечном сечении Dmax/Dmin.Разностенность — отношение разности максимального и минимального значений толщины стенки к номинальному значению (s<sub>max</sub>–s<sub>min</sub>)/s<sub>номин</sub>.
Пример 3. Изготовление по предлагаемому способу
Взяли слиток титанового сплава, имеющего температуру полиморфного превращения равную Тпп=920 °С, начальные этапы деформации методом ковки и прокатки выполнили после нагревания до температуры нагрева 1000 °С, что на 80 °С выше температуры полиморфного превращения и соответствует в-области, завершающие операции деформации методом ковки выполнили после нагрева поковок при температуре на 850 °С, что на 70 °С ниже температуры полиморфного превращения. При этом суммарную вытяжку распределили следующим образом: примерно 2/3 суммарной вытяжки, а именно 69 %, выполнили при температуре нагрева выше температуры полиморфного превращения, и около 1/3 суммарной вытяжки, а именно 31 % — при температуре ниже температуры полиморфного превращения. Полученную поковку порезали на краты, выполнили центральное отверстие методом сверления, нанесли медное подсмазочное покрытие и покрытие на основе графита.
Последующие операции горячей деформации выдавливанием с использованием балластной заготовки полностью соответствовали операциям, приведенным в примере 2.
Получили горячедеформированную тонкостенную трубу Ш219Ч9 мм, с соотношением наружного диаметра к толщине стенки D/s примерно равном 24 и коэффициентом вытяжки примерно равном 8, толщина стенки трубной заготовки составила около 80 мм.
Проведенные испытания показали, что комплекс достигнутых физико-механических свойств труб, прошедших термическую обработку в окислительной и безокислительной средах идентичен, и соответствует требованиям нормативной документации, результаты представлены в таблице 1. Структурное состояние материала также соответствует нормативной документации. Достигнутые размеры приведены в таблице 2.
Горячедеформированные тонкостенные трубные изделия, изготовленные данным способом, соответствуют требованиям отраслевых и международных стандартов и предназначаются для использования в качестве конструкционного материала для активных зон атомных реакторов, в химической, нефтегазовой и судостроительное промышленности, медицине.
По сравнению с прототипом заявляемый способ позволяет изготавливать горячедеформированные тонкостенные изделия из титана и титановых сплавов с соотношением наружного диаметра к толщине стенки D/s равным 12,5 и более, высокого качества, с более высоким выходом в годное в более коротком производственном цикле с использованием минимального набора технологического оборудования. Низкая себестоимость изготовления обеспечивается высоким выходом металла в годное, значительным снижением уровня брака, сокращением цикла изготовления.