RU2791931C1

RU2791931C1 - METHOD FOR MANUFACTURING BIMETALLIC PIPES FROM TWO-PHASE (α+β)-TITANIUM AND WROUGHT ALUMINUM ALLOYS

Info

Publication number: RU2791931C1
Application number: RU2022128028A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Федоров; Александр Владимирович Беспалов; Роман Сергеевич Комаров; Раиса Рустамовна Хайрутдинова
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2023-03-14

Abstract

FIELD: pipelines.

SUBSTANCE: invention relates to the field of metal forming and can be used for the manufacture of bimetallic pipes from (α+β)-titanium alloy and aluminum components firmly and tightly welded over their entire contact surface, designed to work under conditions of aggressive liquids or gases. (α+β)-titanium alloy is used to produce a round bar by two-cycle hot hydraulic forging, the temperature is not higher than 0.5 of the temperature of the polymorphic transformation of the alloy, the elongation ratio λ=8-10. After hydraulic forging, the bar is immediately quenched in water, then the bar is heated to a temperature not exceeding 0.5 of the temperature of the polymorphic transformation of the alloy and subjected to hot hydraulic forging in the opposite direction to the original one to obtain a round bar of the required diameter, elongation ratio λ=4-5. After hot hydraulic forging the bar is quenched into water, and then composite billet is assembled by piercing of the aluminum component heated to its hot deformation temperature, and the titanium component with simultaneous scalping of the titanium component and subsequent drilling of a through axial hole for the press needle. Next, the composite billet is subjected to hot hydraulic forging with an elongation factor λ>8 at a temperature that provides a ratio between the deformation resistances of the components at the level of 0.8-1.2.

EFFECT: obtaining bimetallic pipes with uniform welding strength of components along the length and perimeter of the pipes, without breaks in the aluminum component and high accuracy of geometric dimensions.

1 cl, 1 ex, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для изготовления биметаллических труб из разнородных металлов прочно-плотно сваренных по всей их контактной поверхности, которые предназначены, например, для работы в условиях агрессивных жидкостей или газов.The invention relates to the field of metal forming and can be used for the manufacture of bimetallic pipes from dissimilar metals firmly and tightly welded over their entire contact surface, which are designed, for example, to operate in aggressive liquids or gases.

Известен способ изготовления биметаллических труб из разнородных сплавов, имеющих разное сопротивление деформации, заключающийся в том, что трубчатые компоненты из разнородных сплавов с подготовленными контактными поверхностями собирают в составную заготовку, проводят вакуумирование кольцевого зазора между компонентами с одновременным введением в зазор кольцевых токоизолирующих клиньев, нагревают электроконтактным способом компоненту с большим сопротивлением деформации при этом выбирают величину зазора между трубчатыми компонентами и время нагрева из условия получения перед деформацией составной заготовки градиента температур трубчатых компонентов, обеспечивающего соотношение между их сопротивлением деформации на уровне 1,8÷2,1 [ патент РФ №2763714, В23К 20/22, В21С 23/22, В21С 37/06, опубл. 30.12.2021].A known method of manufacturing bimetallic pipes from dissimilar alloys having different resistance to deformation, which consists in the fact that tubular components from dissimilar alloys with prepared contact surfaces are assembled into a composite workpiece, the annular gap between the components is evacuated with the simultaneous introduction of annular current-insulating wedges into the gap, heated by an electrocontact in this case, the size of the gap between the tubular components and the heating time are selected from the method of obtaining a temperature gradient of the tubular components before deformation of the composite workpiece, ensuring the ratio between their resistance to deformation at the level of 1.8÷2.1 [RF patent No. 2763714, V23K 20/22, V21S 23/22, V21S 37/06, publ. 12/30/2021].

Недостатком указанного способа является низкая прочность сцепления слоев по периметру труб из-за значительных термических остаточных напряжений, возникающих в зоне формирования твердофазного соединения градиентно-нагретых компонентов и высокая трудоемкость изготовления биметаллических труб ввиду необходимости подготовки контактных поверхностей трубчатых компонентов, вакуумирования кольцевого зазора между трубчатыми компонентами с одновременным введением в зазор кольцевых токоизолирующих клиньев и последующего нагрева заготовки электроконтактным способом с подключением токоподвода к трубчатому компоненту с большим сопротивлением деформации.The disadvantage of this method is the low adhesion strength of the layers along the perimeter of the pipes due to significant thermal residual stresses that occur in the formation zone of the solid-phase connection of gradient-heated components and the high complexity of manufacturing bimetallic pipes due to the need to prepare the contact surfaces of the tubular components, evacuate the annular gap between the tubular components with simultaneous introduction of annular current-insulating wedges into the gap and subsequent heating of the workpiece by an electric contact method with the connection of a current lead to a tubular component with a high resistance to deformation.

Целью изобретения является повышение качества биметаллических труб из двухфазных (α+β) - титановых и деформируемых алюминиевых сплавов за счет увеличения прочности сцепления слоев по периметру труб и снижения трудоемкости изготовления путем исключения операций подготовки контактных поверхностей трубчатых компонентов, вакуумирования кольцевого зазора между трубчатыми компонентами с одновременным введением в зазор кольцевых токоизолирующих клиньев и последующего нагрева заготовки электроконтактным способом с подключением токоподвода к трубчатому компоненту с большим сопротивлением деформации.The aim of the invention is to improve the quality of bimetallic pipes made of two-phase (α + β) - titanium and wrought aluminum alloys by increasing the adhesion strength of the layers along the perimeter of the pipes and reducing the complexity of manufacturing by eliminating the operations of preparing the contact surfaces of the tubular components, evacuating the annular gap between the tubular components with simultaneous introduction of annular current-insulating wedges into the gap and subsequent heating of the workpiece by the electrocontact method with the connection of the current lead to the tubular component with a high resistance to deformation.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу изготовления биметаллических труб из двухфазных (α+β) - титановых и деформируемых алюминиевых сплавов компоненту из (α+β) титанового сплава подвергают термомеханической обработке путем двухциклового горячего гидропрессования при температуре не выше 0,5 от температуры полиморфного превращения сплава (Т_ПП) с коэффициентом вытяжки λ=8÷10 для получения круглого прутка, который непосредственно закаливают с горячего гидропрессования в воду. Интенсивная пластическая деформация при температуре не выше 0,5Т_ПП сплава обеспечивает получение ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры, а непосредственная закалка с горячего гидропрессования в воду предотвращает рост зерен в прутке. Затем пруток вновь нагревают до температуры не выше 0,5Т_ПП сплава и подвергают горячему гидропрессованию в направлении противоположном первоначальному с коэффициентом вытяжки λ=4÷5 для получения круглого прутка с диаметром, необходимым для сборки составной заготовки и вновь закаливают с горячего гидропрессования в воду. Смена направления деформации необходима для ликвидации текстуры деформации, имеющей место после первого цикла горячего гидропрессования из-за пониженной температуры деформации. В результате термомеханической обработки в титановом прутке создается однородная в продольном и поперечном его сечении, равноосная УМЗ структура с зернами и субзернами α- и β-фазы размером 0,2÷0.4 мкм. Известно, что такая УМЗ структура обеспечивает эффект сверхпластичности в двухфазных (α+β)-титановых сплавах, при этом, сопротивление деформации снижается на порядок [Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. - М.: Металлургия, 1984. - 264 с.]. Сборку составной заготовки осуществляют прошивкой алюминиевой компоненты нагретой до температуры ее горячей деформации, титановой компонентой с одновременным ее скальпированием и последующим высверливанием сквозного осевого отверстия под прессовую иглу, после чего составную заготовку подвергают горячему гидропрессованию с коэффициентом вытяжки λ>8 при температуре, обеспечивающей соотношение между сопротивлениями деформации компонентов на уровне 0,8÷1,2. Согласно теории кинетики топохимических реакций при указанном коэффициенте вытяжки, соответствующем степени деформации ε>50%, происходит физико-химическое взаимодействие ювенильных поверхностей совместнодеформируемых разнородных металлов [Розовский А.Я. Кинетика топохимических реакций. - М. Химия. 1974. - 224 с. ; Шоршоров М.Х. Особенности и перспективы развития сварки в твердой фазе. / М.Х. Шоршоров, Ю.Л. Красулин. // Вестник машиностроения. 1973. - №11. - с. 32-37.].This goal is achieved by the fact that according to the method of manufacturing bimetallic pipes from two-phase (α + β) - titanium and wrought aluminum alloys, a component of (α + β) titanium alloy is subjected to thermomechanical processing by two-cycle hot hydropressing at a temperature not exceeding 0.5 of the temperature of the polymorphic transformation of the alloy (T _PP ) with an elongation ratio λ=8÷10 to obtain a round bar, which is directly quenched from hot hydropressing into water. Severe plastic deformation at a temperature not exceeding 0.5 T _{of the PP} alloy provides an ultrafine-grained (UFG) structure, and direct quenching from hot hydropressing into water prevents grain growth in the rod. Then the bar is again heated to a temperature not higher than 0.5 T _{of the PP} alloy and subjected to hot hydropressing in the opposite direction to the original one with an elongation factor λ=4÷5 to obtain a round bar with a diameter necessary for assembling a composite billet and again quenched from hot hydropressing into water. The change in the direction of deformation is necessary to eliminate the deformation texture that occurs after the first cycle of hot hydropressing due to the reduced deformation temperature. As a result of thermomechanical treatment, a uniform in its longitudinal and transverse section, equiaxed UFG structure with grains and subgrains of the α- and β-phases 0.2÷0.4 μm in size is created in the titanium rod. It is known that such a UFG structure provides the effect of superplasticity in two-phase (α+β)-titanium alloys, while the resistance to deformation is reduced by an order of magnitude [Kaibyshev O.A. Superplasticity of industrial alloys. - M.: Metallurgy, 1984. - 264 p.]. The assembly of the composite workpiece is carried out by piercing the aluminum component heated to the temperature of its hot deformation, the titanium component with its simultaneous scalping and subsequent drilling of a through axial hole for the press needle, after which the composite workpiece is subjected to hot hydropressing with an elongation factor λ>8 at a temperature that ensures the ratio between the resistances deformation of the components at the level of 0.8÷1.2. According to the theory of the kinetics of topochemical reactions at the specified elongation ratio corresponding to the degree of deformation ε>50%, there is a physicochemical interaction of juvenile surfaces of jointly deformed dissimilar metals [Rozovskiy A.Ya. Kinetics of topochemical reactions. - M. Chemistry. 1974. - 224 p. ; Shorshorov M.Kh. Features and prospects for the development of welding in the solid phase. / M.Kh. Shorshorov, Yu.L. Krasulin. // Bulletin of mechanical engineering. 1973. - No. 11. - With. 32-37].

Таким образом, предложенная совокупность признаков способа позволяет получить биметаллические трубы с равномерной прочностью сварки компонентов по длине и периметру труб, без разрывов алюминиевой компоненты и высокой точностью геометрических размеров, что связано с подготовкой ювенильных поверхностей путем сборки составной заготовки, осуществляемой прошивкой алюминиевой компоненты нагретой до температуры ее горячей деформации, титановой компонентой с одновременным ее скальпированием и квазиламинарным течением компонентов, обусловленным сближением их сопротивлений деформации имеющим место после термомеханической обработки титановой компоненты.Thus, the proposed set of features of the method makes it possible to obtain bimetallic pipes with uniform welding strength of the components along the length and perimeter of the pipes, without breaks in the aluminum component and with high accuracy of geometric dimensions, which is associated with the preparation of juvenile surfaces by assembling a composite workpiece, carried out by piercing an aluminum component heated to a temperature its hot deformation, the titanium component with its simultaneous scalping and the quasi-laminar flow of the components, due to the convergence of their deformation resistances occurring after the thermomechanical processing of the titanium component.

Пример конкретного выполнения поясняется следующими чертежами, где:An example of a specific implementation is illustrated by the following drawings, where:

- на фиг. 1 - представлена макроструктура пресс - остатка с указанием контрольных точек и показана микроструктура зоны соединения слоев в соответствующих контрольных точках (x340); - in Fig. 1 - shows the macrostructure of the press - the rest with the indication of control points and shows the microstructure of the zone of connection of the layers at the corresponding control points (x340);

- на фиг. 2 - представлены результаты испытаний на растяжение;- in Fig. 2 - results of tensile tests are presented;

- на фиг. 3 - представлены результаты испытаний на ударный изгиб- in Fig. 3 - results of tests for impact bending are presented

и введены следующие обозначения:and introduced the following notation:

1 - контрольная точка в составной заготовке, 4 - микроструктура зоны соединения слоев в точке 1;1 - control point in the composite workpiece, 4 - microstructure of the layer connection zone at point 1;

2 - контрольная точка в очаге деформации, 5 - микроструктура 2 - control point in the deformation zone, 5 - microstructure

зоны соединения слоев в точке 2; layers connection zones at point 2;

3 - контрольная точка в биметаллической трубе, 6 - микроструктура3 - control point in a bimetallic pipe, 6 - microstructure

зоны соединения слоев в точке 3.layer connection zones at point 3.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Пруток из двухфазного (α+β)-титанового сплава ВТ6с диаметром 150 мм и длиной 200 мм, температура полиморфного превращения 965°С, производства ПАО «ВСМПО - АВИСМА» по ГОСТ 26492 - 85 подвергали термомеханической обработке путем двухциклового горячего гидропрессования при температуре 450°С с коэффициентом вытяжки на первом цикле λ=9, а полученный пруток диаметром 50 мм непосредственно с горячего гидропрессования закаливали в воду, предотвращая рост зерен в материале прутка. После резки прутка на мерные заготовки их вновь нагревали до температуры 450°С и подвергали горячему гидропрессованию в направлении противоположном первичному с коэффициентом вытяжки λ=4,7 для получения круглого прутка диаметром 23 мм, затем непосредственно с горячего гидропрессования закаливали в воду. Смена направления деформации необходима для ликвидации текстуры деформации, имеющей место после первого цикла горячего гидропрессования. В результате создается двухфазная УМЗ структура с размером зерен 0,2÷0.4 мкм. Пруток сплава ВТ6с разрезали на мерные части, а сборку составной заготовки осуществляли прошивкой компоненты из деформируемого алюминиевого сплава 1201 в виде прутка по ГОСТ 4784-97 диаметром 150 мм, нагретого до температуры 420°С, титановым прутком с одновременным его скальпированием на величину 0,4÷0,5 мм на сторону и последующим высверливанием сквозного осевого отверстия под прессовую иглу. Затем составную заготовку ВТ6с÷1201 длиной 200 мм и диаметром 150 мм подвергали горячему гидропрессованию с коэффициентом вытяжки λ=8,3 при температуре горячей деформации сплава 1201 равной 420°С, с получением биметаллической трубы длиной 1600 мм (после обрезки концов), внешним диаметром 23 мм и внутренним диаметром 8 мм. Указанная последовательность операций позволяет повысить качество биметаллических труб, за счет увеличения прочности сцепления слоев по периметру труб на 6÷12% и снизить трудоемкость изготовления биметаллических труб из двухфазных (α+β)-титановых и деформируемых алюминиевых сплавов на 22÷24% за счет исключения операций подготовки контактных поверхностей трубчатых компонентов, вауумирования кольцевого зазора между трубчатыми компонентами с одновременным введением в зазор кольцевых токоизолирующих клиньев и последующего нагрева заготовки электроконтактным способом с подключением токоподвода к трубчатому компоненту с большим сопротивлением деформации.A rod made of two-phase (α + β)-titanium alloy VT6s with a diameter of 150 mm and a length of 200 mm, a polymorphic transformation temperature of 965 ° C, produced by PJSC VSMPO - AVISMA according to GOST 26492 - 85, was subjected to thermomechanical treatment by two-cycle hot hydropressing at a temperature of 450 ° C with an elongation ratio in the first cycle λ=9, and the resulting rod with a diameter of 50 mm was quenched directly from hot hydropressing into water, preventing the growth of grains in the material of the rod. After cutting the rod into measured blanks, they were again heated to a temperature of 450°C and subjected to hot hydropressing in the direction opposite to the primary one with an elongation factor λ=4.7 to obtain a round rod with a diameter of 23 mm, then directly from hot hydropressing they were quenched into water. A change in the direction of deformation is necessary to eliminate the deformation texture that occurs after the first cycle of hot hydropressing. As a result, a two-phase UFG structure with a grain size of 0.2÷0.4 µm is created. The VT6s alloy bar was cut into measured parts, and the assembly of the composite billet was carried out by piercing a component from a deformable aluminum alloy 1201 in the form of a bar according to GOST 4784-97 with a diameter of 150 mm, heated to a temperature of 420°C, with a titanium bar with its simultaneous scalping by a value of 0.4 ÷0.5 mm per side and subsequent drilling of a through axial hole for a press needle. Then the composite billet VT6s÷1201 200 mm long and 150 mm in diameter was subjected to hot hydropressing with an elongation ratio λ=8.3 at a temperature of hot deformation of alloy 1201 equal to 420°C, to obtain a bimetallic pipe 1600 mm long (after trimming the ends), with an outer diameter 23 mm and an inner diameter of 8 mm. The specified sequence of operations allows to improve the quality of bimetallic pipes, by increasing the adhesion strength of the layers along the perimeter of the pipes by 6÷12% and to reduce the complexity of manufacturing bimetallic pipes from two-phase (α+β)-titanium and deformable aluminum alloys by 22÷24% due to the elimination preparation of the contact surfaces of the tubular components, vacuuming the annular gap between the tubular components with the simultaneous introduction of annular current-insulating wedges into the gap and subsequent heating of the workpiece by electric contact with the connection of the current lead to the tubular component with a high resistance to deformation.

В результате изготовлены биметаллические трубы без нарушения сплошности с чистой и гладкой поверхностью и минимальной неравномерностью распределения слоев (фиг. 1). Макроструктура и микроструктура зоны соединения на всех участках пресс-остатка однородная у обоих сплавов, размер макрозерна соответствует 5÷7 баллам (ВТ6с) и 2÷4 баллу (1201) по ГОСТ 5639-82. Результаты испытаний на растяжение (фиг. 2) и ударный изгиб (фиг. 3) при комнатной температуре показали высокую прочность соединения по длине и периметру труб (σ_s=440÷450 МПа, σ_0,2=330÷360 МПа, δ=10÷12%, KCU = 0,0110÷0,020 кДж/м²), что соответствует свойствам сплава 1201.As a result, bimetallic pipes were made without discontinuity with a clean and smooth surface and minimal uneven distribution of layers (Fig. 1). The macrostructure and microstructure of the joint zone in all parts of the press residue is homogeneous for both alloys, the macrograin size corresponds to 5÷7 points (VT6s) and 2÷4 points (1201) according to GOST 5639-82. The results of tensile tests (Fig. 2) and impact bending (Fig. 3) at room temperature showed high joint strength along the length and perimeter of the pipes (σ _s =440÷450 MPa, σ _0.2 =330÷360 MPa, δ= 10÷12%, KCU = 0.0110÷0.020 kJ/m2 ⁾ , which corresponds to the properties of alloy 1201.

Использование способа изготовления биметаллических труб из двухфазных (α+β)-титановых и деформируемых алюминиевых сплавов позволяет обеспечить к началу процесса деформации контакт ювенильных поверхностей компонентов и соотношение между сопротивлениями деформации компонентов составной заготовки на уровне 0,8÷1.2, что гарантирует квазиламинарное течение компонентов при деформации и, таким образом, повышает качество биметаллических труб путем достижения прочности сварки компонентов по всей длине и периметру трубы и снижает трудоемкость изготовления путем исключения операций подготовки контактных поверхностей трубчатых компонентов, вакуумирования кольцевого зазора между трубчатыми компонентами с одновременным введением в зазор кольцевых токоизолирующих клиньев и последующего нагрева заготовки электроконтактным способом с подключением токоподвода к трубчатому компоненту с бóльшим сопротивлением деформации.The use of a method for manufacturing bimetallic pipes from two-phase (α+β)-titanium and wrought aluminum alloys makes it possible to ensure, by the beginning of the deformation process, the contact of the juvenile surfaces of the components and the ratio between the deformation resistances of the components of the composite workpiece at the level of 0.8÷1.2, which guarantees a quasi-laminar flow of the components at deformation and, thus, improves the quality of bimetallic pipes by achieving the strength of welding components along the entire length and perimeter of the pipe and reduces the complexity of manufacturing by eliminating the operations of preparing the contact surfaces of tubular components, evacuating the annular gap between the tubular components with the simultaneous introduction of annular current-insulating wedges into the gap and subsequent heating the workpiece by the electrocontact method with the connection of the current lead to the tubular component with a higher resistance to deformation.

Claims

A method for manufacturing bimetallic pipes from two-phase (α + β)-titanium alloys and wrought aluminum alloys having different deformation resistance, including coaxial assembly of components into a composite workpiece, heating the workpiece and its deformation, characterized in that the component from (α + β) - titanium alloy is subjected to thermomechanical treatment by two-cycle hot hydropressing at a temperature not exceeding 0.5 of the temperature of the polymorphic transformation of the alloy, with an elongation factor λ=8-10 to obtain a round bar, which is directly quenched from hot hydropressing into water, after which the bar is again heated to temperature is not higher than 0.5 of the temperature of the polymorphic transformation of the alloy and is subjected to hot hydropressing in the direction opposite to the original one with an elongation factor λ=4-5 to obtain a round bar with a diameter necessary for assembling a composite billet, and again quenched from hot hydropressing into water, and the assembly of the composite zago Forging is carried out by piercing an aluminum component heated to the temperature of its hot deformation, a titanium component with its simultaneous scalping and subsequent drilling of a through axial hole for a press needle, after which the composite workpiece is subjected to hot hydropressing with a drawing ratio λ > 8 at a temperature that provides a ratio between the resistance to deformation component at the level of 0.8-1.2.