Деформация и термическая обработка труб из титановых сплавов

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

ДЕФОРМАЦИЯ 
И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТРУБ
ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
22.04.01 — Материаловедение и технологии материалов

Екатеринбург
Издательство УрФУ
2019

УДК [621.774.3+621.78]:669.295(075.8)
ББК 34.748.12я73+34.235.15я73+34.651я73
          Д39
Авторы:
А. Г. Илларионов, Я. И. Космацкий, Е. А. Горностаева, Ф. В. Водолазский

Рецензенты:
д‑р физ.‑мат. наук, проф. В. Г. Пушин (главный научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН);
д‑р техн. наук В. П. Леонов (заместитель генерального директора НИЦ 
«Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»)

Научный редактор — д‑р техн. наук, проф. И. Ю. Пышминцев

Д39
    Деформация и термическая обработка труб из титановых сплавов : учебное 
пособие / А. Г. Илларионов, Я. И. Космацкий, Е. А. Горностаева, Ф. В. Водолазский ; Мин‑во науки и высшего образования РФ, Урал. федерал. ун‑т 
им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. — Екатеринбург : Изд‑во 
Урал. ун‑та, 2019. — 144 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2698‑3

Подробно и доступно рассмотрены вопросы получения труб из титановых сплавов. Представлены необходимые данные о кристаллической структуре и физикомеханических свойствах титана и его сплавов. Обращено внимание на изменение 
силовых параметров и эволюцию структуры в ходе горячей и холодной пластической деформации сплавов титана. Подробно описаны технологические особенности производства горячепрессованных и холоднокатаных титановых труб. Изложены общие сведения о термической обработке труб из титановых сплавов и влиянии 
ее режимов на структуру и механические свойства получаемых горячедеформированных и холоднокатаных полуфабрикатов.
Пособие предназначено для бакалавров и магистров высших учебных заведений.

Рис. 60. Табл. 14.

УДК [621.774.3+621.78]:669.295(075.8)
ББК 34.748.12я73+34.235.15я73+34.651я73

ISBN 978‑5‑7996‑2698‑3 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2019

Оглавление

Предисловие .......................................................................................... 5

1. Общая характеристика титановых сплавов ....................................... 8
1.1. Кристаллическая структура и физические свойства титана .... 8
1.2. Примеси и легирующие элементы в титановых сплавах ........19
1.3. Фазовые превращения титановых сплавов при закалке .........20
1.4. Классификация титановых сплавов и их характеристики ......24

1.4.1. αи псевдо‑α‑сплавы ......................................................28
1.4.2. (α+β)‑Сплавы ..................................................................29

1.5. Основные факторы, влияющие на технологические 
        свойства титана и его сплавов ..................................................30
Контрольные вопросы к главе 1 .....................................................35

2. Горячая и холодная пластическая деформация ................................37
2.1. Общие сведения о горячей пластической деформации ..........39

2.1.1. Определение сопротивления горячей пластической 
            деформации .....................................................................39
2.1.2. Определение температуры полного полиморфного 
            превращения ...................................................................44
2.1.3. Особенности формирования структуры титановых 
            сплавов в процессе горячей пластической 
            деформации .....................................................................47
2.2. Общие сведения о холодной пластической деформации .......58

2.2.1. Деформационная способность титановых сплавов 
            в процессе холодной пластической деформации ..........58
2.2.2. Особенности формирования структуры титановых 
            сплавов в процессе холодной пластической 
            деформации .....................................................................62
Контрольные вопросы к главе 2 .....................................................64

Оглавление

3. Технологические особенности производства труб из титановых 
     сплавов .............................................................................................66

3.1. Процесс горячего прессования ................................................66
3.1.1. Общие сведения о процессе прессования труб ..............67
3.1.1.1. Способы прессования ........................................69
3.1.1.2. Инструмент для прессования .............................78
3.1.2. Температурно‑скоростные режимы прессования 
            труб из титановых сплавов .............................................89
3.2. Процесс холодной прокатки труб ............................................94
3.2.1. Общие сведения о процессе холодной прокатки труб ...95
3.2.2. Оборудование для холодной прокатки труб .................100
Контрольные вопросы к главе 3 ...................................................105

4. Термическая обработка труб из титановых сплавов .......................106

4.1. Общие сведения о термической обработке труб 
        из титановых сплавов .............................................................106
4.2. Влияние режимов термической обработки 
        на механические свойства труб и других 
        деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов ...120

4.2.1. Горячедеформированные трубы и полуфабрикаты .....120
4.2.2. Холоднокатаные трубы и полуфабрикаты ...................126
Контрольные вопросы к главе 4 ...................................................135

Заключение .........................................................................................137

Список библиографических ссылок ....................................................138

Предисловие

И

стория становления и развития металлургии неразрывно связана со способами и процессами обработки металлов давлением, зарождение которых относится к появлению первых 
металлических изделий на земле. Наиболее ранним и важнейшим способом была ковка. Ее появление связано с периодом перехода человечества от каменного к бронзовому веку. К числу древнейших способов 
обработки металлов давлением относятся также штамповка и волочение металлов, получившие широкое распространение еще в рабовладельческий период. Эти первые способы обработки металлов давлением непрерывно совершенствовались.
Открытие титана, а точнее сказать, его диоксида (TiO2), относится 
к началу 90‑х годов XVII века. Первый образец металлического титана получен в середине XVIII века. Титан не находил промышленного 
применения, пока в 1940 г. не был запатентован метод восстановления металлического титана (процесс В. Кролла), который до настоящего времени остается одним из основных в промышленном получении титана [1, с. 1].
Начиная с шестидесятых годов XX века в отечественной промышленности и науке проведен огромный комплекс работ, направленных 
на разработку технологий изготовления труб из титановых сплавов 
различного назначения, использование которых во многих отраслях 
промышленности обусловливается в первую очередь тем, что его прочность примерно равна прочности стали, при том что он почти вдвое 
легче.
Титановые сплавы являются одними из основных конструкционных 
материалов, применяемых для изготовления труб различного сортамента благодаря высокой удельной прочности, коррозионной стойкости во многих агрессивных средах, хорошей жаропрочности при средних температурах [2, с. 103–114]. Трубы из сплавов титана применяются 

Предисловие

с 1970‑х годов прежде всего в авиакосмической отрасли, для которой 
наиболее важна их более высокая удельная прочность по сравнению 
с другими металлическими материалами [3, с 2227–2236]; [4, с. 21–32].
При производстве труб из сплавов на основе титана возникает ряд 
трудностей, связанных с тем, что технологические свойства титана существенно отличаются от аналогичных свойств сталей, алюминиевых 
сплавов и сплавов цветных металлов из‑за присущих им особенностей кристаллической структуры, физических и химических свойств 
[5, с. 7]. Исходя из этого в первых трех разделах приводятся основные 
сведения о кристаллической структуре, физических, механических 
и технологических свойствах сплавов титана, применяемых для производства труб из титановых сплавов, а также технологические особенности производства труб из сплавов титана.
При производстве изделий из титановых сплавов термическая обработка является не только одной из завершающих технологических 
операций, но и служит промежуточной обработкой между деформациями. При этом важно контролировать режимы промежуточной термической обработки для получения требуемой структуры в конечном 
изделии. Режим завершающей термической обработки оказывает существенное влияние на механические свойства готовых изделий.
В начале XXI века повышается интерес со стороны промышленных предприятий России к освоению и совершенствованию производства труб из титановых сплавов. Производство труб из титана налажено в ПАО «Корпорация ВСМПО‑АВИСМА», АО «Ступинская 
металлургическая компания», в последнее время к ним добавились 
АО «Чепецкий механический завод» и предприятия ПАО «ТМК», такие как АО «Волжский трубный завод» и ПАО «Синарский трубный 
завод» (ООО «ТМК‑ИНОКС»).
Научными центрами, обладающими профессиональными компетенциями в области разработки технологических процессов изготовления труб из сплавов титана в России, являются НИЦ «Курчатовский 
институт» — ЦНИИ КМ «Прометей», ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, ОАО 
«ВИЛС» и, безусловно, НТЦ перечисленных ранее производственных 
предприятий.
Все это, в свою очередь, повышает интерес работодателей к высококвалифицированным специалистам, владеющим основами производства труб из титановых сплавов. Таким образом, вопросы, рассмотренные в данном пособии, представляют большой интерес.

Предисловие

Авторский коллектив благодарит ПАО «Корпорация ВСМПОАВИСМА», в особенности М. О. Ледера, А. В. Полудина, Б. Г. Крохина 
и Ю. Е. Шашкову, руководителя дирекции по технологии ПАО «ТМК» 
В. Б. Восходова и ведущего научного сотрудника лаборатории волочения 
и прессования ОАО «РосНИТИ» Б. В. Баричко за предоставленную возможность и совместное участие в работе по освоению технологии производства труб из титанового сплава Ti-3Al-2.5V.

1. Общая характеристика  
титановых сплавов

1.1. Кристаллическая структура  
и физические свойства титана

Х

имический элемент титан располагается в IV группе Периодической системы элементов вместе с цирконием и гафнием, имеет атомный номер 22 и атомную массу 47,90. Титан 
принадлежит к 3d-переходным металлам. Его атом имеет кроме двух 
4s‑электронов, два 3d‑электрона и может проявлять в соединениях валентность, равную II, III и IV. Валентность в металлическом соединении различна и зависит от давления и примесного элемента. Атомный 
радиус титана, по данным различных источников, составляет от 0,145 
до 0,147 нм. Плотность чистого титана при комнатной температуре 
4,505 г/см 3. Температура плавления титана — 1668 °C (1941 К), температура кипения — 3169 °C.
Титан относится к металлам, обладающим полиморфизмом. При 
комнатной температуре и нормальном давлении титан имеет гексагональную плотноупакованную решетку (a‑титан) с периодами 
а = 0,2952 нм, с = 0,4679 нм с отношением с/а = 1,587, а при температуре выше 882,5 °C происходит переход к объемно‑центрированной 
кубической (ОЦК) решетке (b‑титан). Высокотемпературная β‑фаза 
нестабильна, и зафиксировать ее при комнатной температуре для чистого титана не представляется возможным. Период ее решетки можно определить методом экстраполяции до комнатной температуры, 
период решетки b‑титана составляет 0,328 нм. Температура превращения понижается с увеличением давления (рис. 1). При высоком давлении титан имеет еще одну модификацию с гексагональной решеткой 
(w‑титан) с периодами а = 0,460; с = 0,282 нм. Особой точкой на диа

1.1. Кристаллическая структура и физические свойства титана

грамме является тройная точка равновесия между a‑, bи w‑фазами. 
Она имеет следующие координаты: давление около 9,0 ГПа и температуру 667 °C. Образование w‑фазы при повышении давления имеет 
характер изотермического мартенситного превращения. Скорость такого превращения зависит от многих факторов, и поэтому сведения 
о величине давления, необходимого для его реализации, различны 
(см. линии α « w превращения на рис. 1). Превращение a « w протекает с большим гистерезисом, и поэтому w‑фаза сохраняется и после снятия высокого давления при температуре ниже 110 °C. При более высоких температурах она превращается в a‑фазу.

0
2
4
6
10
12
14
8

0

200

400

600

800

Температура, С

Давление, ГПа

→
←

0
2
4
6
10
12
14
8

0

α

α

ω
α

β

ω

ω

200

400

600

800

Температура, С

Давление, ГПа

→

←

Рис. 1. t‑p диаграмма титана:

 — линия равновесия; 
 — линия превращения ω → α;  

 — линия превращения α → ω; 
 — линия превращения α → ω

Периоды решетки фаз также зависят от температуры. Температурная зависимость изменения периодов решетки α‑фазы выражается 
уравнениями:

 
at = [1 + 9,928(t – 25) · 10–6 – 0,626(t – 25) 2 · 10–10]; 
 (1)

 
ct = c0[1 + 11,079(t – 25) · 10–6 + 9,698(t — 25) 2 · 10–10]. 
 (2)

Также влияние на периоды решетки фаз оказывают легирующие 
элементы. К основным легирующим элементам в титановых сплавах 
относятся алюминий, молибден, ванадий, хром, железо, марганец, 
кремний, цирконий и олово. Вводимые элементы изменяют температуру полиморфного превращения и фазовый состав. Элементы, которые 
стабилизируют α‑фазу, называются α‑стабилизаторами, другие элементы, которые стабилизируют β‑фазу называются β‑стабилизаторами. 
Более подробно их влияние будет рассмотрено в подглаве 1.2.

1. Общая характеристика титановых сплавов 

Существенное влияние на периоды решеток aи b‑модификаций 
титана оказывают примеси. Периоды решетки a‑титана увеличиваются вследствие внедрения в октаэдрические поры азота, кислорода 
и углерода (рис. 2, а).
      а                                                                      б

а, нм

с, нм

с, нм

с/а, нм

ат. %
ат. %

с/а, нм

а, нм

Рис. 2. Влияние элементов внедрения (а) и замещения (б)  
на периоды решетки a‑титана [6, с. 19]

Сильнее всего влияет углерод, который также сдвигает осевое соотношение с/а к максимальным размерам, резко увеличивая период с. 
Для b‑титана эта тенденция сохраняется. Но, так как нелегированную 
b‑фазу при комнатной температуре зафиксировать невозможно, конкретных данных о влиянии элементов внедрения на период решетки 
b‑титана нет [6, с. 19–20].
Влияние элементов замещения на периоды решетки a‑титана более сложно (рис. 2, б). Оно определяется соотношением атомных радиусов (атомных объемов) легирующего элемента и титана в соответствии с правилом Вегарда [6, с. 20].