тически невозможно. В настоящее время для аппаратов с глубиной погружения 6000 м созданы материалы плотностью 0,6 т/м3. В процессе исследовательских работ решены важные научно-технические проблемы в области матричных, армирующих материалов и отвер-ждающих систем, снижающих экзотермический нагрев композита в крупногабаритных блоках объемом до 10 м3.
Другим перспективным направлением в создании прочных корпусов необитаемых и обитаемых подводных аппаратов с глубиной
погружения до 2000 м является применение намоточного стеклопластика. В настоящее время такой материал практически прошел стадию отработки на крупномасштабных отсеках. Решены вопросы обитаемости, пожаробезопасности и стабильности свойств материала в изделиях массой до 17 т. Разработанная теория, методы математического моделирования и оптимизации режимов термообработки толстостенных элементов корпуса из композиционных материалов позволили поднять относительную (S/R) толщину «бездефектных» ци-
линдрических оболочек в пять раз (от 7 до 35%).
Из такого стеклопластика методом намотки изготавливаются также сферические корпуса с относительным весом 0,8, выдерживающие внешнее гидростатическое давление до 85 МПа. Завершены исследования, изготовлены и испытаны опытные образцы баллонов воздуха высокого давления из стеклопластика на давление 40 МПа, опорных колец генераторов большой мощности, емкостей объемом до 25 м3 для хранения агрессивных сред и других изделий ответственного назначения.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТИТАНА И ЛЕГКИХ СПЛАВОВ В СУДОСТРОЕНИИ
(научно-историческая ретроспектива)
С. С. Ушков, докт. техн. наук, А. С. Кудрявцев,
канд. техн. наук, Э. А. Карасев (ЦНИИ КМ «Прометей»)
УДК 669.295:629.5
Абсолютная коррозионная стойкость титана во многих агрессивных средах, низкий удельный вес, высокие удельная прочность и сопротивление мало- и многоцикловым нагрузкам, хорошая свариваемость сплавов с различным уровнем прочности, отсутствие хладноломкости, немагнитность, радиационная стойкость и ряд других факторов сделали титан и его сплавы наиболее перспективным материалом, определившем прогресс во многих областях современной техники ХХ века и дальнейшую перспективу его применения в XXI веке.
Создание и развитие производства слитков. Титан, открытый в 1789 г. в виде двуокиси, из-за его высокого сродства к кислороду удалось получить в чистом виде только в 1940 г., после того как Кролль разработал процесс получения титановой губки путем восстановления четыреххлористого титана магнием [1, 2]. Этот процесс до настоящего времени является основой промышленного получения губчатого титана — исходного сырья для изготовления слитков титановых сплавов.
В 1953—1956 гг. работы по титану на стадии научных исследований и опытно-промышленного про-
изводства проводились в ВИАМ, ГИРЕДМЕТ, ЦНИИ КМ «Прометей», Ступинском металлургическом комбинате, Подольском и Запорожском химико-металлургических заводах, Верхнесалдинском заводе по обработке цветных металлов (ныне ОАО ВСМПО).
На основании большого количества научных исследований ЦНИИ КМ «Прометей» предложил для производства слитков использовать вакуумную дуговую плавку в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе [3], а ВИАМ совместно со Ступинским заводом разработал метод получения прессованного расходуемого электрода через конусную проходную пресс-форму1.
Были исследованы процессы горения электрической дуги в вакууме, влияние величины разрежения на степень рафинирования металла, температурные условия при вакуумном дуговом переплаве, распределение легирующих элементов по объему слитков и теоретически обоснованы основные параметры технологического процесса плавки (степень разрежения, параметры электрического режима плавки, соотношение между диаметрами кристаллизатора и расходуемого электрода, параметры магнитного
поля соленоида, параметры порционного легирования расходуемых электродов) [4—6].
Это, по сравнению с другими инженерными решениями, позволило упростить переход к промышленному производству слитков. Были разработаны концепция технологического процесса вакуумной дуговой плавки и основные параметры плавильных печей, конструкция которых легла в основу последующих конструкций промышленных печей различной емкости и назначения. Основное производство слитков и полуфабрикатов титановых сплавов базировалось на Верхнесалдинском заводе, имеющем вакуумно-дуговые печи для выплавки слитков диаметром 320—370 мм и массой 300— 500 кг.
Анализ отечественного титанового производства показал, что существующие и производимые промышленностью сплавы, а также масса и объемы выплавляемых слитков и изготавливаемых полуфабрикатов (листовой прокат, поковки, штамповки и пр.) не могут удовлетворять запросы судостроения. Поэтому были разработаны технология производства слитков массой до 10 т, специальные «морские» сплавы, создано необходимое специализированное оборудование, а также увеличен выпуск губчатого титана для выплавки слитков общей массой до 10— 15 тыс. т в год только для судостроения, освоено производство легирующих компонентов и лигатур [7—9].
В 1971 г. на Верхнесалдин-ском заводе был создан новый комплекс по производству слитков
1А. с. 107911 [СССР]. Способ получения расходуемых электродов через конусную проходную пресс-форму/Авт. изобрет. С. Г. Глазунов,
Е. И. Морозов и др.
титана. Это явилось значительным прогрессом отечественной металлургии. Взамен малопроизводительных печей ДСВ-5 с малым отношением длины слитка к диаметру цех оснастили специально разработанными ВНИИЭТО печами со съемно-откатным кристаллизатором серии ДТВ (ДТВ-6,5Г6; ДТВ-8,7Г10; ДТВ-10Г10) для выплавки слитков длиной до 5 м и массой соответственно 6, 8 и 10 т (рис. 1). Это позволило расширить номенклатуру выплавляемых слитков и производимых полуфабрикатов.
На ранних стадиях производства при ультразвуковом контроле слитков и листового проката были выявлены внутренние дефекты, что явилось неожиданностью, так как считалось, что при вакуумно-дуго-вой плавке из-за высоких температур в зоне горения дуги и повышенной реакционной способности титана создаются благоприятные условия для растворения компонентов как на торце расходуемого электрода, так и в объеме жидкой ванны.
Проведенные ЦНИИ КМ «Прометей», ВСМПО и ВИЛС исследования всех видов выявленных внутренних дефектов в полуфабрикатах и искусственное их воспроизведение в лабораторных условиях позволили определить природу этих дефектов и классифицировать их на три основные группы: вносимые шихтовыми материалами; относящиеся к условиям плавления и кристаллизации слитка; связанные с подготовительными операциями электродов к переплаву [10, 11].
На основании этих работ были проведены организационно-технические и технологические мероприятия по совершенствованию технологического процесса на всех стадиях, что позволило практически избавиться от внутренних дефектов.
Исследования металла полуфабрикатов показали значительное колебание уровня механических свойств и сравнительно низкий уровень пластичности и ударной вязкости. Это было связано, главным образом, с недостаточно высоким качеством титановой губки, которая значительно уступала мировым стандартам. ЦНИИ КМ «Прометей», ВСМПО и ВИЛС был поставлен вопрос о необходимо-
V,
ж %
•1
Рис. 1. Титановый слиток массой 10 т на фоне плавильных печей
сти повышения качества губчатого титана; было подготовлено постановление правительства, согласно которому требовалось в кратчайшие сроки обеспечить резкий подъем научно-технического уровня и объема производства высококачественного губчатого титана.
Эту задачу успешно решили Запорожский (ЗТМК) и Березников-ский (БТМК) титано-магниевые комбинаты совместно с научными коллективами ВАМИ и ГИРЕДМЕТа. Были созданы высококачественные сорта титановой губки с твердостью 90—100 ед. НВ с пониженным в 2— 3 раза содержанием примесей ^ < 0,06%; O2 < 0,04%, N < 0,02%; Si < 0,01; C < 0,03%) [12, 13]. В настоящее время качество губчатого титана, выпускаемого отечественной промышленностью, выше мирового [14].
Снижение содержания примесей в титановой губке привело к повышению вязкости и пластичности сплавов, устранению внутренних дефектов в полуфабрикатах и дало возможность получить на ее основе ряд новых высокопрочных сплавов, попытки создания которых на губке прежнего качества к успеху не приводили.
Разработка титановых сплавов для судостроения началась одновременно с освоением выплавки слитков из титана и продолжалась в ходе становления титановой промышленности. По мере совершенствования производства шихтовых
материалов, слитков и полуфабрикатов накапливались новые данные, расширялись представления и углублялись научные знания о титане как новом конструкционном материале.
Сложность создания сплавов титана морского назначения связана с необходимостью сочетания в них, казалось бы, взаимоисключающих свойств: достаточно высокой прочности, удовлетворительных характеристик пластичности, высокой коррозионной стойкости, сопротивления распространению трещины в морской воде, хорошей свариваемости, технологичности.
На основе изучения особенностей титана [15, 16] коллективом ЦНИИ КМ «Прометей» разработана научно обоснованная теория создания сплавов титана для использования в морских условиях. На основе этой теории создана серия специализированных сплавов: корпусные — ПТ-3В, 17, 5В, 37 с уровнем прочности от 600 до 800 МПа; машиностроительные — 3М, ПТ-3В, 19; трубные — ПТ-1М, ПТ-7М, ПТ3В; литейные — ТЛ3, ТЛ5, ТЛ7 и сплавы для сварочной проволоки ПТ-1М, 2 В.
Создание и развитие производства титановых полуфабрикатов для судостроения также прошло сложный путь, начавшись одновременно с разработкой сплавов и освоением производства слитков. Верхнесалдинский завод — изготовитель слитков — к концу 1961 г. — началу 1 962 г. начал выплавлять слитки массой 2—4 т. Однако на заводе отсутствовало оборудование для передела таких слитков в полуфабрикаты, поскольку он специализировался на изготовлении полуфабрикатов из сплавов на алюминиевой и медной основе. Вследствие особенностей физико-химических свойств титана и его сплавов требовались более мощное оборудование, б
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.