Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения композиционного материала на основе ванадиевого сплава и стали

Изобретение относится к области промышленных технологий получения композиционных материалов, а именно к деформационно-термической обработке композиционных материалов на основе металлов и сплавов, и может быть использовано для получения полуфабрикатов и изделий из них в виде листов и лент, труб и прутков, обладающих высоким комплексом механических, коррозионных и радиационных свойств при повышенных температурах.

Известны способы деформационно-термической обработки металлов и сплавов с использованием различных технологий обработки давлением (ковка, прокатка, прессование и пр.) и термической промежуточной и заключительной обработки (отжиг, нормализация и пр.). Существующие технологии обеспечивают необходимый уровень свойств в полуфабрикатах и готовых изделиях из однородных материалов, однако не всегда напрямую применимы к получению полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов, компоненты в которых достаточно разнородны (например, разные металлы или сплавы на их основе) и обладают отличающимися физико-механическими свойствами. В таких случаях, при возможности использования тех же технологий и технологического оборудования требуется, как минимум, подбор особых режимов обработки, позволяющих достигать однородной деформации при совместной пластической деформации и необходимого диффузионного сцепления между компонентами композита и оптимального комплекса физико-механических свойств конечного композита.

Известен способ получения композиционного материала путем совместной пластической деформации, при котором компоненты разнородных материалов, собранные в пакет (или композитную заготовку), одновременно подвергаются деформации и затем термической обработке в результате которых происходит схватывание компонентов с формированием цельного композита. Использование технологий данного типа для получения ответственных изделий активной зоны атомных реакторов, в частности оболочек твэлов атомных реакторов из композиционных материалов на основе металлов и сплавов различного типа (сталей и др.) показано, например, в RU 2302044 "Твэл реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем". Недостатком данного способа является возможная неравномерность деформации компонентов, приводящая к разнотолщинности соединяемых компонентов и недостаточному их сцеплению между собой. На неравномерность деформации слоев влияние оказывают соотношение прочностных свойств металлов, соотношение толщин слоев, параметры очага деформации, коэффициент внешнего и межслойного трения и расположение слоев в заготовке. Неравномерность деформации может приводит к возникновению разрывов на границе соединения компонентов.

Также известен способ получения композитов на основе ванадиевых сплавов и коррозионно-стойких сталей в виде листов или труб, основанный на использовании совместной пластической деформации путем совместной горячей прокатки или прессования при температуре 1100°С составной композитной заготовки и использования отжигов при температурах в диапазоне от 850°С до 1000°С в течение двух часов [Никулин С.А., Вотинов С.Н., Рожнов А.Б. Ванадиевые сплавы для ядерной энергетики. - М.: Изд. Дом МИСиС. 2013, 184 с.]. В процессе получения слоистых металлических материалов согласно данному способу происходит формирование так называемой переходной диффузионной зоны, характеризующей перенос элементов через границу контакта в обе стороны. Ее размер зависит от параметров получения (степени и скорости деформации, температуры) и характеристик соединяемых материалов, но как правило, после первой итерации соединения ширина зоны не превышает 5-10 мкм. Переходная зона во многом определяет прочность соединения компонентов композита и возможность осуществления последующих этапов обработки давлением без образования дефектов. При получении композита из ванадиевых сплавов и стали по описанному выше способу, размер переходной зоны, образовавшейся при прокатке (прессовании) не превышал 8-10 мкм, а отжиг при температуре 1000°С, увеличивал ее еще на 60-80 мкм. Ширина переходной зоны в данном случае, хотя и обеспечивает некоторое сцепление компонентов, но является недостаточной для получения надежного прочного соединения ванадиевого сплава и стали и наряду с неоптимальной зеренной структурой компонентов на границе соединения и неоднородностью толщины переходной зоны по ее длине, в связи с неравномерностью деформации по сечению, что не обеспечивает необходимый комплекс механических свойств композита в изделии целиком. Таким образом, недостаточная ширина переходной зоны и не оптимальная микроструктура на границе соединения компонентов является недостатком указанного выше способа.

Наиболее близким к заявленному изобретению, выбранному в качестве прототипа, является способ, описанный в [С.А. Никулин и др. Влияние отжига на структуру и механические свойства трехслойного материала «сталь/ванадиевый сплав/сталь» // Цветные металлы». 2018. №2. С. 70-75]. В данном способе композит на основе ванадиевого слава и стали был получен путем совместной пластической деформации (ко-экструзии) при Т=1100°С и последующего отжига при температуре в диапазоне 800-900°С в течение 2-ух часов. Данный способ обеспечивает относительно высокие прочностные и пластические свойства, что связано с формированием несколько более широкой переходной зоны соединения (10-30 мкм), отсутствием выделений второй фазы на границе соединения компонентов композита и формированием относительно не крупного зерна в стали у границы раздела с ванадиевым сплавом (45-70 мкм).

Недостатком указанного способа является то, что ширина сформированной данным способом переходной зоны между ванадиевым сплавом и сталью является все еще не достаточно большой (что особенно может наблюдаться в местах разнотолщинности слоев), а также формируется не достаточно равномерная структура по сечению композита, что может приводить к возможным расслоениям в отдельных местах и формированию несплошностей между слоями композита при последующих этапах обработки давлением. Кроме того, данный способ является энергозатратным, поскольку предусматривает повторный нагрев для отжига после полного остывания после горячей обработки давлением.

Задачей, на решение которой, направлено настоящее изобретение является увеличение ширины переходной диффузионной зоны соединения между компонентами композита (ванадиевым сплавом и сталью) при одновременном отсутствии выделений вторых фаз на границе соединения и приемлемом размере зерна в ванадиевом сплаве и стали у границы раздела (а также равномерности структуры по сечению композита), что обеспечивает оптимальный комплекс механических свойств с точки зрения последующих этапов обработки композита. Дополнительно, задачей является понижение энергозатрат при реализации способа (при деформационно-термической обработке).

Техническим результатом является высокая прочность сцепления (расслоения образца при деформации не происходит вплоть до разрушения образца) компонентов композита (ванадиевого сплава и стали) при высокой пластичности (относительное удлинение 16-20%), отсутствие расслоений по границе соединения компонентов на последующих этапах обработки, понижение энерготазтрат при осуществлении способа.

Предлагаемый способ получения композиционного материала на основе ванадиевого сплава (системы ванадий-титан-хром) и коррозионностойкой стали (ферритного класса) включает горячую обработку давлением в защитной атмосфере композитной заготовки при температуре в диапазоне 1050-1150°С с величиной обжатия 30-40% и последующую выдержку в печи, которая осуществляется ступенчато - путем охлаждения с температур горячей обработки до температур 500-700°С и выдерживанием в течение 1-3 часов и затем с нагревом до температур 850-950°С и выдерживанием в течение 2-4 часов с последующим охлаждением с печью, так что суммарное время выдержки в печи составляет в диапазоне 3-7 часов.

Предлагаемый способ обеспечивает формирование зоны диффузионного соединения между ванадиевым сплавом и сталью повышенной толщины размером 60-70 мкм, при незначительном росте размера зерна ванадиевого сплава и стали, снижении остаточных напряжений и отсутствии выделений вторых фаз, что при заданном соотношении толщин в исходной композиционной заготовке обеспечивает более высокий комплекс механических свойств композиционного материала. Важным аспектом предлагаемого способа является то, что при увеличении общего времени термической обработки (отжига) достигается увеличение ширины переходной зоны соединения и более равномерная структура и снижение остаточных напряжений по сечению за счет процессов рекристаллизации, а ожидаемого при этом значительного роста зерна в компонентах композита и формирования выделений вторых фаз на границе соединения не происходит (за счет реализации ступенчатой схемы выдержки), что обеспечивает высокий комплекс механических свойств. Также предлагаемый способ обеспечивает понижение энергозатрат при своей реализации за счет исключения части дополнительного нагрева для отжига.

Увеличение времени выдержки после горячей обработки до нескольких часов является допустимым в практике термической обработки, если это не приводит к нежелательным явлениям в виде формирования хрупких соединений на границе раздела или резкому роста зерна в материалах - компонентах. Использование несколько более низких температур при выдержке (500-700°С) приводит к некоторому сдерживанию протекания структурных процессов, но обеспечивает протекание диффузионных процессов, что приводит к увеличению ширины переходной зоны между компонентами и повышает прочность сцепления.

Указанный способ реализуется следующим образом. Традиционными известными методами подготавливается композиционная заготовка в виде листа, ленты, трубы или прутка, состоящая из внутреннего слоя ванадиевого сплава (V-3-1l% Ti мас. - 3-6% Cr мас.) и двух наружных слоев коррозионно-стойкой стали (ферритного класса с содержанием хрома не менее 13% мас.). В данной заготовке толщина слоя ванадиевого сплава в 1,5-2,0 раза больше, чем суммарная толщина слоев стали. Композиционную заготовку подвергают горячему прессованию или горячей прокатке в защитной атмосфере при температуре в диапазоне 1050-1150°С с величиной обжатия 30-40%. После этого, обработанная давлением заготовка остывает до температуры в диапазоне 500-700°С в течение 1-3 часов в защитной атмосфере, после чего, нагревается до температуры 850-950°С и выдерживается (отжиг) в течение 2-4 часов также в защитной атмосфере с последующим охлаждением в печи.

Для реализации предложенного способа в качестве одного из вариантов (примера) использовали трехслойную листовую заготовку из сплава V-4% Ti-4% Cr толщиной 1850 мкм, расположенного в центре и двух листов коррозионностойкой стали 08X17Т, расположенных сверху и снизу толщиной 300 мкм. Трехслойную заготовку готовили традиционным способом включая подготовку поверхностей и вакуумирование. Композиционную заготовку подвергали горячей прокатке в защитной атмосфере при температуре 1100°С. После горячей прокатки трехслойной заготовки ее толщина составила 1750 мкм. После горячей прокатки, трехслойная заготовка остывала до температуры 600°С в течение 2-ух часов в защитной атмосфере. Далее ее переносили в печь и осуществляли отжиг при температуре 900°С в течение 3-х часов в защитной атмосфере аргона с последующим остыванием с печью.

После получения заготовки от нее отрезали образцы в различных местах по ее длине и проводили материаловедческие исследования (анализ микроструктуры, перераспределение химических элементов в зоне соединения). Результаты анализа показали, что ширина переходной диффузионной зоны соединения составила 70±5 мкм, на границе соединения слоев отсутствовали выделения каких-либо вторых фаз, размер зерна стали вблизи границы соединения составил 65±5 мкм). На границе раздела также отсутствовали какие-либо дефекты (трещины, расслоения и пр.). Механические испытания биметаллических микрообразцов на растяжение, вырезанных поперек стенки трубы показали достаточно высокий комплекс механических свойств (σ_0,2=310±12 МПа, (σ_В=450±15 МПа, δ=20±2%) и более высокую воспроизводимость этих свойств по длине трубы (свойства воспроизводились с точностью ±5-7% по длине трубы). Таким образом, было показано, что применение предложенного способа позволяет добиться существенного увеличения ширины переходной зоны без формирования выделений вторых фаз на границе соединения и без существенного роста зерна компонентов композита вблизи границы раздела. Это позволяет добиться более высокого комплекса механических свойств композиционного материала и стабильности свойств по длине трубы.