Авторы: В.П. Леонов, д.т.н, В.И. Михайлов, д.т.н.
НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей"
НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" (далее "Прометей") – один из крупнейших материаловедческих центров России и широко известен в мире своими научно-техническими разработками.
Созданные институтом новые конструкционные и функциональные материалы, а также технологии их производства в больших объемах используются для изготовления конструкций и оборудования, работающих в экстремальных условиях.
Одно из основных и приоритетных направлений деятельности "Прометея" – создание титановых сплавов, а также технологии их промышленного производства и сварки для судостроения и атомной энергетики. Титановые сплавы обладают такими уникальными свойствами, как высокая удельная прочность, хладостойкость, немагнитность, коррозионная стойкость в морской воде и других агрессивных средах; возможность работы титановых конструкций в любых природных условиях практически без ограничения ресурса.
Институтом было сформировано новое направление, связанное с разработкой композиций, технологии производства и сварки морских титановых сплавов.
При участии "Прометея" и других предприятий на ПАО "Корпорация ВСМПО – АВИСМА" разработана технология производства крупногабаритных слитков массой до 17 т (рис. 1).
Рис. 1 Титановый слиток
Многие проблемы решены по технологии изготовления различных полуфабрикатов (листов, поковок, профилей, труб, фасонного литья и других). В рамках реализации программы импортозамещения вместо Никопольского Южно-трубного завода (Украина) производство холоднодеформированных труб было освоено на заводах России: ОАО "Машиностроительный завод" (Электросталь) и ОАО "Чепецкий механический завод" (Глазов) [1]. Применение титановых труб в парогенераторах позволило решить проблему применения на судах ядерных энергоустановок [2] (рис. 2).
Рис. 2
Большой объем работ выполнен в части разработки технологий аргоно-дуговой и электронно-лучевой сварки. Аргоно-дуговая сварка титана с традиционными разделками свариваемых кромок вызывала необходимость выполнения довольно значительных по высоте усилений швов для обеспечения необходимой прочности. Чтобы уменьшить объем сварки и снизить расход сварочных материалов, были разработаны новые экономичные способы сварки – погруженной дугой и по щелевому зазору [3].
Разработанные в "Прометее" морские титановые сплавы применяются как в корпусных конструкциях, так и в конструкциях судового машиностроения и судовой энергетики.
Научно-технические и технологические разработки "Прометея" позволили обеспечить строительство большой серии глубоководных технических средств из титановых сплавов. Многолетний опыт эксплуатации (более 30 лет) показал их высокую надежность и работоспособность и, соответственно, высокую эффективность применения титановых сплавов.
В настоящее время работы в области титановых сплавов в "Прометее" продолжают развиваться в соответствии с потребностями гражданских и оборонных отраслей промышленности. В области корпусного судостроения ведутся работы по созданию титановых сплавов для глубоководных и спасательных аппаратов, предназначенных для исследования дна Мирового океана, а также для различного рода подводных работ, связанных в основном с добычей полезных ископаемых и нефтегазодобывающей промышленностью. Значимость развития этого направления определяется тем, что альтернативы применению титана для корпусов глубоководных подводных аппаратов практически нет.
В связи с относительно высокой стоимостью титановых полуфабрикатов ведутся работы над созданием титановых сплавов с пониженными стоимостными показателями. Проблема может быть решена как за счет экономии легирующих элементов, так и за счет совершенствования технологических процессов изготовления полуфабрикатов.
Вследствие сокращения финансирования строительства новых и ремонта находящихся в эксплуатации судов в настоящее время особенно актуальной становится проблема обоснованного продления их срока службы. Для ее решения разрабатываются расчетно-экспериментальные методики прогнозирования работоспособности и долговечности конструкций после длительной эксплуатации. После окончания назначенного срока службы использование этих методик в совокупности с обследованием фактического состояния судовых конструкций позволит обоснованно продлевать срок эксплуатации службы титановых конструкций. Планируется продление срока до 50 лет.
Широкое использование титановых сплавов в судовом машиностроении сдерживается низкими трибо-техническими характеристиками титана. Основным методом повышения этих характеристик является упрочнение поверхности деталей. В настоящее время в "Прометее" разрабатываются новые и совершенствуются действующие технологии упрочнения.
В число наиболее эффективных методов упрочнения входят:
- термическое и микродуговое оксидирование;
- газотермическое (детонационное) напыление;
- аргоно-дуговая наплавка твердых сплавов.
Перспективно в настоящее время применение титана для транспортируемых ядерных водо-водяных энергоустановок (ЯЭУ) малой и средней мощности. Титан обладает высокой радиационной стойкостью, быстрым спадом во времени наведенной радиации, высокой коррозионной стойкостью в воде и паре в условиях ядерного облучения, отсутствием коррозионно-механических разрушений и высокими характеристиками кратковременной и длительной прочности при температурах до 400 °С. Быстрый спад наведенной радиации титана позволяет уже через 30 лет после выведения ЯЭУ из эксплуатации подвергать металл рециклингу.
Кроме парогенераторов, титановые сплавы могут применяться для различного оборудования: трубопроводов, конденсаторов, фильтров очистки, циркуляционных насосов, вспомогательного теплообменного оборудования. Титановые сплавы также могут использоваться для теплообменного оборудования стационарных атомных станций, где в качестве охлаждающих сред используются морская вода и солесодержащие воды внутренних водоемов.
В связи с возросшими требованиями к конструкционным материалам по радиационной стойкости, стабильности механических свойств, увеличению срока службы до 60 лет и более рассматривается вопрос об использовании титановых сплавов для корпусов реакторов транспортируемых ЯЭУ малой и средней мощности. Перспективным представляется использование титановых сплавов в качестве материала корпусов контейнеров (герметичных емкостей) для хранения и транспортировки различных радиоактивных и сопутствующих веществ, помещенных в бетон. Титан, обладая высокой коррозионной стойкостью в природных условиях (в атмосфере – в воздухе, в почве, пресной и болотной воде, в морской воде на всех глубинах Мирового океана, в условиях Арктики и Антарктиды), обеспечивает долговременное отсутствие контакта бетона с окружающей средой и, соответственно, радиационную безопасность.
Накопленный институтом более чем полувековой опыт разработки и внедрения титановых сплавов для судостроения и атомной энергетики показал целесообразность и эффективность применения этих уникальных материалов в различных отраслях промышленности. НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей", обладая высоким научно-техническим потенциалом, постоянно расширяет сферу своих научных исследований и разработок в области титановых сплавов и продолжает удерживать позиции мирового лидера в области их создания.
e-mail: mail@crism.ru
телефон +7 (812) 274-37-96
факс +7 (812) 710-37-56
www.crism-prometey.ru
"Новый оборонный заказ. Стратегии"
2017г., июнь
Список используемой литературы
- В.П. Леонов, В.Н. Копылов, Л.П. Ртищева, В.Г. Смирнов, М.В. Егоров. Освоение и особенности технологии производства титановых труб на заводах России // Вопросы материаловедения – 2014, №2(78). – С. 63–72.
- Б.Б. Чечулин. Парогенераторы – борьба за ресурс. / Сб. По пути созидания. Т. 1. – СПб: ЦНИИ КМ "Прометей", 2009. – С. 131–147.
- В.П. Леонов, В.И. Михайлов, И.Ю. Сахаров, С.В. Кузнецов. Сварка морских высокопрочных титановых сплавов больших толщин // Вопросы материаловедения – 2015, №1(81). – С. 219–222.
