Титан– конструкционен материал за корабостроенето и ядрената енергетика
България е световен лидер в титанова индустрия, в чието развитие ФГУП ЦНИИ на КМ "Прометей" взема активно участие.
За първи път в световната практика ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" инициира използването на титанови сплави като материали за морско оборудване, тъй като те имат уникален набор от свойства - висока специфична якост, немагнетизъм и висока устойчивост на корозия в морска вода.
Най-важният етап за института бяха разработките в областта на морските титанови сплави. Въз основа на изследването на свойствата на титана Федералното държавно унитарно предприятие Централен изследователски институт на КМ "Прометей" разработи специална теория за легиране и термопластична обработка, основана на физическото взаимодействие на легиращи елементи в алфа и псевдо-алфа титанови твърди разтвори.
Диапазонът на съставите на морските титанови сплави по отношение на алуминиеви и молибденови еквиваленти беше определен и научно обоснован с оптимално легиране с интерстициални и заместващи елементи, с адитивно втвърдяване на hcp кристалната решетка, които осигуряват високи свойства на сплавта, включително заваряемост.
Въз основа на тази теория е създадена серия от специализирани титанови сплави:
- корпус - PT-3V, 17, 5V, 37 с високо ниво на якост;
- машиностроене - ПТ-3М, ПТ-3В, 19;
- за ядрена енергетика - ПТ-1М, ПТ-7М, ПТ-3В, 27;
- за заваръчни работи - ПТ-1М, 2В, ПТ-7Мсв.
Използването на титан в корабостроенето бележи началото на радикално преструктуриране на титановата индустрия в страната, насочено към осигуряване на корабостроителната индустрия с едрогабаритни полуфабрикати. Това драстично напредна нововъзникващата местна титанова металургия.
Създадена е нова металургична индустрия за производство на титанови блокове и полуготови продукти от различнитип и предназначение, което е въплътено в АД Корпорация VSMPO-AVISMA, АД Северстал, АД Izhorskiye Zavody, Федерално държавно унитарно предприятие Държавен Обуховски завод, АД Ruspolymet.
На всички етапи от формирането и развитието на уникалния титанов металургичен комплексFSUE Централен изследователски институт на КМ "Прометей" е пряк участник в развитието, както в началния етап на производство, така и до момента.
С участието наFGUP TsNII KM "Prometey" в предприятията са подобрени много технологични процеси за производство на титанови полуфабрикати. Особено внимание се обръща на производството на основния технологичен процес - производството на блокове от титанови сплави и шихтови материали, които поставят основата на качеството на всички продукти.
В момента титановата промишленост доставя полуготови продукти от широка гама, вид и предназначение.
Производство на слитъци от титан
Основата на цялото производство на титан е производството на титанови блокове. Наличното оборудване позволява да се произвеждат търговски слитъци с диаметър до 1150 мм, с тегло до 10 тона, доставяни в механично обработено състояние, с перспектива за производство на слитъци с тегло до 18 тона. Обемът на производство на титан в блокове (средата на 90-те години) е 100 хиляди годишно.
Кръгли слитъци се получават чрез двойно и тройно вакуумно-дъгово претопяване на консумативен електрод, получен чрез полунепрекъснато партидно екструдиране на шихтови материали върху вертикални хидравлични преси със сила от 10 хиляди тона. Като шихтови материали се използват: титанова гъба, натрошени връщащи се отпадъци, лигатури, чисти метали подложени на 100% входящ контрол. Автоматично управление на процеса на топене във вакуумни дъгови пещиразработените програми осигуряват минимизиране на сегрегационната нехомогенност на блоковете.
Производство на плоска стомана
Номенклатурата на плоските полуфабрикати е разнообразна, това са: листове с дебелина от 0,3 до 10,0 mm; плочи - от 12 до 160 мм, ширина - от 500 до 2500 мм, дължина от 1500 до 9500 мм, тегло до 5300 кг; ролки - от 1,5 до 3,5 мм; тиксо - от 0,45 до 1 мм, ленти - от 0,5 до 3,5 мм, фолио - 0,05 до 0,08 мм.
Плосковалцуваните продукти с регулирана структура и текстура се получават директно от цилиндрични слитъци с тегло до 8 тона. Отстраняването на наситения с газ слой от повърхността на валцуваните продукти се извършва чрез декапиране, за което има подходящо оборудване.
Производство на заготовки (ковани цилиндрични заготовки)
Заедно с едроразмерни валцувани продукти и изковки, в корабостроенето се използват пръти, профили, изковки, тръби (тръбни заготовки), получени от заготовки с диаметър от 130 до 350 mm.
Разработените технологични схеми за производство на заготовки в комбинация с регулирана деформация в b- и (a+b)-области позволяват получаването на висококачествени заготовки.
Производство на валцувани и ковани пръстени
Кованите и плътно валцувани пръстени, изработени от всички титанови сплави, се използват широко в авиацията, корабостроенето, машиностроенето и други индустрии. Машината за валцоване на пръстени има възможност за производство на пръстени с външен диаметър до 3000 мм, височина до 400 мм и тегло до 1500 кг. Пръстените се доставят след машинна обработка и ултразвуково изпитване.
Производство на щамповани изковки
За производство на плочи в затворени матрици, както и изковки с различни конфигурации и предназначения в широк диапазон от геометрични размери с проекционна площ от 100 до 35 хиляди квадратни метра. cm титанова сплавизползва се най-мощната хидравлична преса в света със сила от 75 000 тона, оборудвана с компютърни системи за управление на процесите на щамповане, които осигуряват зададена скорост на матрицата и сили на пресоване. На ковашки хидравлични преси със сила от 6 хиляди тона, плочите се изработват чрез свободно (отворено) коване за по-нататъшна обработка на валцувани мелници.
Морските титанови сплави и полуфабрикатите от тях, разработени от FSUE TsNII KM "Prometheus", направиха възможно създаването за първи път в света на уникални образци на дълбоководно оборудване в изцяло титанов дизайн за разработване на дълбините на световния океан.
FGUP TsNII KM "Prometey" извършва работа по разработване и технологична поддръжка, като се започне от производството на първоначални слитъци от титанови сплави до производството на конкретен вид полуфабрикат и след това производството на продукта.
Заедно с редица промишлени предприятияFSUE TsNII KM "Prometey" усвои производството на полуготови продукти и продукти за машиностроене и енергийни цели.
Титановите сплави също са широко използвани и се използват в различни системи и оборудване: системи за морска вода, парогенератори, турбинни инсталации, топлообменно оборудване, задвижваща система, ГАЗ, кормила и др.
Въвеждането на титанови сплави в дизайна на транспортните парогенератори направи възможно решаването на един от най-трудните проблеми на надеждността на атомната електроцентрала. Системите от тръби от неръждаема стомана протекоха след 1500 часа работа.
Задълбочените теоретични и експериментални изследвания на кинетиката на окисление и регенерация на защитни оксидни филми върху титан и неговите заварени и резбови съединения, термодинамиката на хидрогенирането и проблемите на якостта дадоха основания за производството на тръбни системи от SG от титансплави.
За периода от началото на серийното производство на ПГ до момента са произведени и влезли в експлоатация около 5800 броя, включително и за атомни ледоразбивачи. В същото време експлоатационният живот достигна 120-150 хиляди часа, в някои случаи 170 хиляди часа.
Основният производител на висококачествени студеновалцувани титанови тръби за нуждите на ядрената енергетика и корабостроенето в България - Никополски "Южен турбинен завод" се намира на територията на Украйна. Имайки предвид необходимостта от възстановяване на производството на тези стратегически материали в България,ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" пое инициативата да овладее производството на тези продукти в заводите на ОАО МСЗ (Електростал) и ОАО ЧМЗ (Глазов) на държавната корпорация ТВЕЛ.
В продължение на три години тези заводи с научна и техническа подкрепа отFSUE TsNII KM "Prometey" усвоиха производството на студеноформовани титанови тръби за различни цели с диаметър от 8 до 79 mm, работи се за усвояване на производството на тръби с голям диаметър (до 300 mm), както и оребрени тръби за високоефективни парогенераторни инсталации от ново поколение.
Широкото използване на титанови сплави в машиностроителното оборудване, по-специално в корабостроенето, е ограничено от ниските естествени трибологични характеристики на титана. Решението на проблема с използването на титан в подвижните съединения е извършено вFSUE "ЦНИИ КМ "Прометей"" чрез разработване на различни методи за нанасяне на покрития върху повърхността на титан, избор на антифрикционни материали за триещи се двойки и провеждане на лабораторни и пълномащабни тестове на триещи се единици на машини и механизми.
Защитните покрития по време на термично и микродъгово окисляване осигуряват възможност за използване на различниматериали без електрохимична корозия.
Антифрикционните покрития за триещи се двойки от титанови материали се създават по специални технологии за термично окисляване, детонационно напръскване, аргоново-дъгово и плазмено напластяване върху титанови сплави.
Електрохимичното легиране на повърхността на титан и неговите сплави със специално подбрани оксиди (RuO2, Cr2O3, TiO2 и др.), Разработени в института, осигурява нови свойства на повърхността, които не могат да бъдат получени по традиционните методи.
Заваряването е един от основните технологични процеси при производството на конструкции. FSUE TsNII KM "Prometey" е лидер в разработването на заваръчни консумативи, технологии и оборудване във връзка със заварени конструкции от титанови сплави.
При производството на конструкции от титанови сплави се използват следните методи за заваряване:
– аргонно-дъгово заваряване (ADS) ръчно или автоматично;
– електронно лъчево заваряване (EBW);
– контактно-точково и ролково заваряване.
Най-разпространените в момента са заваряване с аргонова дъга и електронен лъч, които ви позволяват да правите заварени съединения в широк диапазон от дебелини от 0,3 mm до 400 mm.
СпециалистиFGUP TsNII KM "Prometey" непрекъснато работят за разширяване на обхвата на титанови сплави. Натрупаният положителен опит в използването на титанови сплави в корабостроенето, ядрената енергетика, машиностроенето и други индустрии показва високата ефективност на използването на този отличен конструктивен материал.
Игор Горинин, президент - научен ръководител на ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", академик на Руската академия на науките. Алексей Орищенко, генерален директор на ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", доктор на техническите науки.