Россия – мировой лидер титановой отрасли, в развитии которой активное участие принимает ФГУП ЦНИИ КМ « Прометей».
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» впервые в мировой практике инициировал применение титановых сплавов в качестве материалов для морской техники, как обладающих уникальным комплексом свойств – высокой удельной прочностью, немагнитностью и высокой коррозионной стойкостью в морской воде.
Важнейшим этапом для института явились разработки в области создания морских титановых сплавов. На основе изучения особенностей свойств титана ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» разработана специальная теория легирования и термопластической обработки на основе физического взаимодействия легирующих элементов в пределах альфа и псевдо-альфа твердых растворов титана.
Определена и научно-обоснована область составов морских титановых сплавов по алюминиевому и молибденовому эквивалентам при оптимальном легировании элементами внедрения и замещения, при аддитивном упрочнении ГПУ кристаллической решетки, обеспечивающих высокие свойства сплавов, в том числе и свариваемость.
На основе этой теории создана серия специализированных титановых сплавов:
– корпусных – ПТ-3В, 17, 5В, 37 с высоким уровнем прочности;
– машиностроительных – ПТ-3М, ПТ-3В, 19;
– для атомной энергетики – ПТ-1М, ПТ-7М, ПТ-3В, 27;
– для сварочных работ – ПТ-1М, 2В, ПТ-7Мсв.
Применение титана в судостроении положило начало кардинальной перестройки титановой индустрии в стране, нацелив ее на обеспечение судостроительной промышленности крупногабаритными полуфабрикатами. Это резко продвинуло вперед зарождающуюся отечественную металлургию титана.
Создана новая металлургическая отрасль по производству титановых слитков и полуфабрикатов различного вида и назначения, которая воплотилась на ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА, ОАО «Северсталь», ОАО «Ижорские заводы», ФГУП «Государственный Обуховский завод», ОАО «Русьполимет».
На всех этапах становления и развития уникального титанового металлургического комплекса ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» является непосредственным участником разработок, как в начальной стадии производства, так и по настоящее время.
При участии ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» на предприятиях усовершенствованы многие технологические процессы производства титановых полуфабрикатов. Особое внимание уделяется производству головного процесса технологии – изготовлению слитков титановых сплавов и шихтовым материалам, которые закладывают качество всей выпускаемой продукции.
В настоящее время титановая промышленность поставляет полуфабрикаты широкого сортамента, вида и назначения.
Производство титановых слитков
В основе всего производства титана лежит производство титановых слитков. Имеющееся оборудование позволяет производить товарные слитки диаметром до 1150 мм, массой до 10 тонн, поставляемых в механически обработанном состоянии, с перспективой изготовления слитков массой до 18 тонн. Объем производства титана в слитках (середина 90-х годов) составлял 100 тыс. в год.
Слитки круглого сечения получают методом двойного и тройного вакуумно-дугового переплава расходуемого электрода, получаемого методом полунепрерывного порционного экструдирования шихтовых материалов на вертикальных гидравлических прессах усилием 10 тыс. тонн. В качестве шихтовых материалов используются: губчатый титан, измельченные возвратные отходы, лигатуры, чистые металлы, подвергающиеся 100% входному контролю. Автоматическое управление процессом плавки в вакуумно-дуговых печах по специально разработанным программам обеспечивает минимизацию ликвационной неоднородности слитков.
Производство плоского проката
Номенклатура плоских полуфабрикатов разнообразна, это: листы толщиной от 0,3 до 10,0 мм; плиты – от 12 до 160 мм, шириной – от 500 до 2500 мм, длиной от 1500 до 9500 мм, массой до 5300 кг; рулоны – от 1,5 до 3,5 мм; лента – от 0,45 до 1 мм, штрипсы – от 0,5 до 3,5 мм, фольга – 0,05 до 0,08 мм.
Плоский прокат получают с регламентированной структурой и текстурой непосредственно из цилиндрических слитков массой до 8 тонн. Удаление газонасыщенного слоя с поверхности проката производится травлением, для чего имеется соответствующее оборудование.
Производство биллетов (кованых цилиндрических заготовок)
Наряду с крупногабаритным прокатом и штамповками для судостроения используются прутки, профили, штамповки, трубы (трубные заготовки), получаемые из биллетов, диаметром от 130 до 350 мм.
Разработанные технологические схемы производства биллетов в сочетании с регламентированной деформацией в b– и (a+b)-областях позволяют получать биллеты высокого качества.
Производство катаных и кованых колец
Кованые и цельнокатаные кольца из всех титановых сплавов широко применяются в авиации, судостроении, машиностроении и других отраслях промышленности. Кольцераскатной стан имеет возможность изготавливать кольца с наружным диаметром до 3000 мм, высотой до 400 мм массой до 1500 кг. Кольца поставляют после механической обработки и ультразвукового контроля.
Производство штампованных поковок
Для изготовления слябов в закрытых штампах, а также штамповок различной конфигурации и назначения в широком диапазоне геометрических размеров с площадью проекции от 100 до 35 тыс. кв. см из титановых сплавов применяется самый мощный в мире гидравлический пресс усилием 75 тыс. тонн, оснащенный компьютерными системами управления процессами штамповки, обеспечивающими заданную скорость движения штампа и заданные усилия прессования. На ковочных гидравлических прессах усилием 6 тыс. тонн слябы изготавливают методом свободной (открытой) ковки для их дальнейшей переработки на прокатных станах.
Разработанные ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» морские титановые сплавы и полуфабрикаты из них позволили создать впервые в мире уникальные образцы глубоководной техники в цельнотитановом исполнении для освоения глубин мирового океана.
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» ведет работы по разработке и технологическому сопровождению, начиная от получения исходных слитков титановых сплавов до выпуска конкретного вида полуфабриката, а затем изготовления изделия.
Совместно с рядом промышленных предприятий ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» освоено производство полуфабрикатов и изделий машиностроительного и энергетического назначения.
Титановые сплавы также широко использованы и используются в различных системах и оборудовании: системы забортной воды, парогенераторы, турбинная установка, теплообменное оборудование, движительный комплекс, ГАС, рули и т.д.
Внедрение титановых сплавов в конструкцию транспортных парогенераторов позволило решить одну из самых сложных проблем надежности атомной энергетической установки. Трубные системы из нержавеющей стали теряли герметичность после 1500 часов эксплуатации.
Глубокие теоретические и экспериментальные исследования кинетики окисления и регенерации защитных окисных пленок на титане и его сварных и резьбовых соединениях, термодинамики наводороживания и проблем прочности дали основание об изготовлении трубных систем ПГ из титановых сплавов.
За период от начала производства серийных ПГ до настоящего времени изготовлено и было в эксплуатации около 5800 единиц, в том числе для атомных ледоколов. При этом ресурс эксплуатации достиг 120-150 тыс. часов, в некоторых случаях 170 тыс. часов.
Основной производитель высококачественных холоднокатаных титановых труб для нужд атомной энергетики и судостроения РФ – Никопольский «Южнотрубный завод» находится на территории Украины. Имея в виду необходимость восстановления производства этих стратегических материалов на территории России, ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» выступил с инициативой освоения производства указанной продукции на заводах ОАО «МСЗ» (г. Электросталь) и ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов) Госкорпорации «ТВЭЛ».
В течение трех лет на этих заводах при научно-техническом сопровождении со стороны ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» освоено производство холоднодеформированных титановых труб различного назначения диаметром от 8 до 79 мм, ведутся работы по освоению производства труб большого диаметра (до 300 мм), а также оребренных труб для высокоэффективных парогенерирующих установок нового поколения.
Широкое использование титановых сплавов в машиностроительном оборудовании, в частности в судовом машиностроении, сдерживается низкими природными триботехническими характеристиками титана. Решение проблемы применения титана в подвижных соединениях осуществлялось в ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» путем разработки различных методов нанесения покрытий на поверхность титана, выбора антифрикционных материалов для пар трения, проведением лабораторных и натурных испытаний узлов трения машин и механизмов.
Защитные покрытия при термическом и микродуговом оксидировании обеспечивают возможность использования в конструкции разнородных материалов без возникновения электрохимической коррозии.
Антифрикционные покрытия для пар трения из титановых материалов создаются при использовании специальных технологий термического оксидирования, детонационного напыления, аргонодуговой и плазменной наплавки на титановые сплавы.
Электрохимическое легирование поверхности титана и его сплавов специально подобранными окислами (RuO2, Cr2O3, ТiO2 и др.), разработанные в институте, обеспечивает новые свойства поверхности, которые традиционными способами получить нельзя.
Сварка – один из основных технологических процессов при изготовлении конструкций. ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» является лидером в области разработки сварочных материалов, технологии и оборудования применительно к сварным конструкциям из титановых сплавов.
При изготовлении конструкций из титановых сплавов используются следующие методы сварки:
– аргонодуговая сварка (АДС) ручная или автоматическая;
– электронно-лучевая сварка (ЭЛС);
– лазерная сварка;
– плазменная сварка;
– контактно-точечная и роликовая сварка.
Наибольшее распространение в настоящее время получили аргонодуговая и электроннолучевая сварка, которые позволяют выполнять сварные соединения в большом диапазоне толщин от 0,3 мм до 400 мм.
Специалисты ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» постоянно работают над расширением сферы применения титановых сплавов. Накопленный положительный опыт применения титановых сплавов в судостроении, атомной энергетике, машиностроении и других отраслях демонстрирует высокую эффективность применения этого великолепного конструкционного материала.
Игорь Горынин, президент – научный руководитель
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», академик РАН.
Алексей Орыщенко, генеральный директор
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», доктор технических наук.
