Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ

Изобретение относится к трубному производству, а именно к прокатке труб из α и (α+β)-сплавов на основе титана. Изобретение может быть использовано для изготовления изделий, предназначенных для эксплуатации в различных областях промышленности, в том числе авиакосмической.

Структура сплавов на основе титана определяет важнейшие критерии качества полуфабрикатов, имеет значительное многообразие и чрезвычайное влияние на механические свойства. 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 неоднородностью по сечению и крупнозернистую (размер β-зерен более 1000 мкм) пластинчатую микроструктуру. Это обусловливает их пониженную деформируемость в (α+β)-области и невысокий комплекс эксплуатационных свойств изделий.

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 важно для оценки качества труб методами ультразвукового контроля, который широко используется при их изготовлении. В случае высокооднородной и мелкозернистой структуры титанового сплава при проведении ультразвукового контроля 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 (Патент РФ 2094141, МПК В 21 В 23/00, 3/00) - прототип, включающий ковку слитка, механическую обработку заготовки и сверление центрального отверстия, ее нагрев до температуры выше температуры полиморфного превращения (Тпп), прошивку на косовалковом прошивном стане без подъема диаметра с вытяжкой в интервале 1,20-1,35, прокатку на пилигримовом стане, охлаждение в воде и механическую обработку наружной и внутренней поверхности.

Указанный способ обработки, вследствие низкой технологической пластичности титановых сплавов, применим в основном к полуфабрикатам, предварительно прошедшим горячую деформацию в (α+β)-области и не имеющим вследствие этого грубой пластинчатой структуры. Кроме того, в обрабатываемых (α+β)-сплавах на основе титана формируется β-структура, а в α-сплавах - крупнозернистая α-структура, сохраняется текстура исходного полуфабриката, ведущая к анизотропии механических свойств, невысокой пластичности и недостаточной прозрачности при ультразвуковом контроле. Данному способу присущи многостадийность, механическая обработка при получении отверстия, как следствие этого снижение выходов годного, необходимость наличия специализированного механического оборудования.

Задачей изобретения является:

- создание способа обработки α- и (α+β)-титановых сплавов, позволяющего получить в трубах мелкозернистую (размер зерен не более 150-200 мкм) микроструктуру;

- достижение структурно-однородного состояния в готовом изделии, обеспечивающего "прозрачность" для ультразвукового контроля качества полуфабрикатов и изделий;

- исключение механических операций получения центрального отверстия;

- увеличение выхода годного.

Поставленная задача производства горячекатаных труб решается способом, включающим ковку слитка в заготовку, с последующей механической обработкой, получения центрального отверстия, прокатку на пилигримовом стане и механическую обработку, 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 от 3*10^-1 с^-1 до 10² с^-1.

Сущность изобретения основана на том, что при термомеханических режимах предлагаемой обработки в результате определенного сочетания процессов рекристаллизации и фазовых превращений в заготовках из двухфазных титановых сплавов формируется мелкозернистая микроструктура с высокой степенью однородности.

Ковка слитка в пруток при температуре β-области на первых проходах разрушает литую структуру. Последующая ковка в (β+α)-области с уковом не менее 20% разрушает большеугловые границы зерен. Последующий нагрев заготовки до температуры β-области при проведении сквозной прошивки имеет двоякое значение:

- деформация, после выполнения предыдущих операций, сопровождается рекристаллизацией структуры с измельчением зерна;

- в технологическом отношении выгоден, т.к. понижается сопротивление деформации.

Окончательное деформирование заготовки в трубу на пилигримовом стане в (α+β)-области, при температуре начала деформации, равной на 30÷100°С ниже Тпп со скоростью деформации от 3*10^-1 с^-1 до 10² с^-1, приводит к окончательному разрушению большеугловых границ β-зерен и равномерной структуре по всему сечению, повышает пластичность металла.

Возможно в способе производства горячекатаных труб из сплавов на основе титана производить отжиг полученных после прокатки труб при температуре Тпп-(20-150)°С.

Поскольку температурный интервал статической рекристаллизации α- и (α+β)-сплавов на основе титана составляет Тпп-(50-180)°С, то отжиг рекомендуется выполнять при температуре Тпп-(20-150)°С.

При отжиге происходит практически полная сфероидизация зерен, происходит преобразование пластинчатой (α+β)-структуры в глобулярную, что повышает пластические характеристики металла и позволяет использовать полученные трубы для последующей холодной прокатки.

Промышленная применяемость заявленного способа для производства горячекатаных труб из сплава Gr29 (Ti-6Al-4VELI+0.5Ru; Тпп=995±15°С) подтверждается следующими примерами конкретного выполнения.

Пример 1. Слиток за несколько переходов отковали в пруток ⊘430 мм, при температуре 1050-1100°С (начало ковки в (β-области), причем последний переход осуществляли при температуре 950°С (начало ковки в (α+β)-области). Прошивку (⊘430×100 мм → ⊘450×⊘320 мм) проводили при температуре 1100-1150°С, затем провели охлаждение полученной гильзы до температуры 900°С с последующей прокаткой на пилигримовом стане (⊘450×⊘320 мм → ⊘350×25×⊘300 мм) со скоростью деформации около 5*10^-1 с^-1. Последующая термообработка проводилась при температуре 760-960°С в течении 2 часов. Затем правка, механическая обработка до требования стандарта API 5CT, травление, УЗК.

Анализ микроструктуры различных зон трубы показал, что центральные и поверхностные зоны имеют рекристаллизованную глобулярную структуру с размером равноосных зерен 110-140 мкм.

Пример 2. Заготовка - кованный механически обработанный пруток ⊘430×500 мм. Термомеханические режимы обработки аналогичны приведенным в примере 1. После прокатки на пилигримовом стане получена труба, имеющая наружный диаметр ⊘377 мм и толщину стенки 27 мм. Затем полученная труба методом холодной прокатки деформируется в размер ⊘340×15×⊘310 мм, после следует вторая термообработка, травление и УЗК.

Анализ микроструктуры трубы показал, что ее структура равноосная, близка к глобулярной с размером зерен 80-105 мкм, макроструктура в продольном направлении в виде вытянутых в направлении прокатки зерен, характерная для холоднодеформированных труб.