Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе выполнения 1-го годового этапа гранта РНФ № 18-79-10107-П «Анализ и моделирование процессов, реализуемых при получении холоднокатаных труб из горячепрессованных бесшовных трубных заготовок из титановых сплавов разных классов» были проведены следующие работы и получены следующие научные результаты. Проведен анализ компьютерного моделирования деформационного воздействия при прессовании по сечению трубы из сплава титана Ti-3Al-2,5V, ПТ-1М (Ti-0,4Al) и ПТ-7М (Ti-2,2Al-2,7Zr). Было показано, что рассчитанные в рамках компьютерной модели усилия, развиваемые прессом в процессе получения трубы, при пиковой нагрузке и на установившейся стадии сопоставимы с экспериментальными значениями, полученными в производственных условиях. Установлено, распределение температур по сечению горячепрессованной трубы при горячем прессовании сплавов Ti-3Al-2,5V, ПТ-1М и ПТ-7М. Анализ компонентов девиаторов деформаций и накопленной деформации показывает неравномерное распределение компонентов девиаторов деформации по толщине стенке горячепрессованных труб из сплавов Ti-3Al-2,5V, ПТ-1М и ПТ-7М, наблюдается повышение компоненты девиатора εZZ, накопленной деформации ε и уменьшение компоненты εRR от центральных областей сечения труб к поверхностям труб. Наиболее деформированной частью трубы, где все компоненты достигают своего максимального значения, является области, прилегающие к внешней поверхности трубы. Это объясняется тем, что формирующие её слои металла претерпевают значительную сдвиговую деформацию при скольжении относительно границ передней упругой зоны, чему препятствует внутреннее трение в объеме заготовки. Компонента εθθ плавно увеличивается по направлению к внешней поверхности стенки трубы вследствие увеличения отношения между длинами соответствующих образующих окружностей заготовки и готовой трубы. Проведено сопоставление данных, связанных со структурным и текстурным состоянием труб из сплавов титана ПТ-1М, ПТ-7М и Ti-3Al-2,5V, полученных в реальном процессе горячего прессования с учетом расположения мест отбора проб в координатном пространстве компьютерной модели. Производилась оценка влияния легирования и класса исследуемого сплава на развитие структурных превращений в ходе получения горячепрессованных труб. Было отмечено, что при переходе от псевдо-альфа-сплава Ti-3Al-2,5V, который имеет широкую двухфазную α+β-область, к альфа-сплавам ПТ-1М, ПТ-7М с узкой α+β-областью наблюдается более активное развитие рекристаллизационных процессов в альфа-фазе при реализации процесса горячего прессования. Обнаружено, что степень развития рекристаллизации выше в наименее легированном сплаве ПТ-1М по сравнению со сплавом ПТ-7М. В трубе из сплава ПТ-1М рекристаллизованные зерна фиксируются по всему сечению стенки трубы. В трубе из сплава ПТ-7М рекристаллизованные альфа-зерна наблюдаются на ½ радиуса, вблизи внутренней стенки трубы и практически отсутствуют близи внешней поверхности. Проведен анализ взаимосвязи фиксируемых изменений структуры по сечению горячепрессованных труб с характеристиками формируемого текстурного состояния. Показано, что отмеченное подавление развития процессов рекристаллизации при горячем прессовании сплава Ti-3Al-2,5V и увеличение степени деформации по стенке труб от внутренней к внешней поверхности приводит к получению более высоких параметров Кернса α-фазы. Согласно параметрам Кернса при горячем прессовании исследуемых сплавов образуется текстура наклонной тангенциальной призмы. Установлено, что твердость и микротвердость по Виккерсу, измеренная в различных направлениях имеет тенденцию к росту от внутренней к внешней поверхности исследуемых труб. Это обосновано, исходя из проведенных расчетов в рамках разработанных компьютерных моделей, преимущественным ростом накопленной степени деформации при прессовании от внутренней к внешней стенке трубы. Абсолютная величина фиксируемой разницы микротвердости в тангенциальном направлении (ТН) и направлении прессования (НП) соответствующих областях измерений пропорциональна абсолютной разнице соответствующих значений параметров Кернса и преимущественно увеличивается от сплава ПТ-1М к ПТ-7М и Ti-3Al-2,5V. Предложено, что это связано с уровнем протекания в ходе горячего прессования и последующего охлаждения процессов рекристаллизации, которые по данным, приведенным выше, были наиболее развиты в сплаве ПТ1М, в меньшей степени в сплаве ПТ-7М и практически не имели развития при горячем прессовании сплава Ti-3Al-2,5V. При этом установлено, что значения контактного модуля упругости, как и соответствующих параметров Кернса, в характерных областях вдоль радиуса в ТН выше, чем в НП. Увеличение содержания легирующих элементов от сплава ПТ-1М к ПТ-7М и Ti-3Al-2,5V способствует получению более высоких средних значений микротвердости и контактного модуля упругости в соответствующих характерных областях вдоль радиуса анализируемых сечений трубЗафиксированные закономерности были использованы в дальнейшем для установления корреляционных зависимостей, представленных ниже. В работе выявлена одна общая закономерность для всех трех сплавов, а именно прямая корреляционная связь между параметром Кернса и микротвердостью в тангенциальном направлении (R^2 = 0,73…0,94), что связано с явлением текстурного упрочнения в направлениях с преобладающей базисной компонентой {0001}. Что позволяет рекомендовать при производственных условиях рекомендовать использовать измерение микротвердости вместо определения более затратного текстурного анализа. Малое количество корреляционных связей для сплава Ti-3Al-2,5V обусловлено особенностями сплава: при деформации в α+β-температурной области (860 °C) в данном сплаве наблюдается достаточно большое количество β-фазы (примерно 50 %) по данным термодинамических расчетов в программном комплексе ThermoCalc. Наличие более пластичной β-фаза оказывает сильное влияние на текстурные и структурные изменения при деформации, в результате пропадает связь между характеристиками деформированного состояния и показателями текстуры и свойств сплава Ti-3l-2,5V, т.к. эти параметрами определяются свойствами α-фазы, значительная часть которой образуется при распаде β-фазы в ходе охлаждения с температур прессования. Большее количество корреляционных связей наблюдается для сплавов ПТ-1М и ПТ-7М, что связано с тем, что при температурах деформации данные сплавы содержат в основном α-фазу (примерно 90%), что позволяет установить связь между параметрами деформации и показателями текстуры и свойств сплавов. Полученные закономерности позволяю сделать вывод, что даже формирование параметра ω = (εRR / εRR + εθθ) близкого к 1 не приводит к образованию ярко выраженной радиальной текстуры. Общепринято, что закономерности влияния параметра ω на текстуру выполняются для процессов холодной деформации, но как было показано в данной работе не всегда выполняются при горячей деформации. Что позволяет нам рекомендовать при горячем прессовании труб руководствоваться оптимизацией только производственных параметров прессования с учетом требуемых типоразмеров труб без учета соотношения стенки к диаметру трубы. В работе построена компьютерная имитационная модель, которая позволяет рассчитать значения параметры горячего прессования, текстуры и свойств по стенке трубы титановых сплавов (Ti-3Al-2,5V, ПТ-1М и ПТ-7М) с высокой корреляционной связью. Установлено, что при скоростях деформации 200…250 мм/с при горячем прессовании труб из сплавов Ti-3Al-2,5V, ПТ-1М и ПТ-7М наблюдается значительный разогрев внешних слоев трубы до температур близких к Тпп исследуемых сплавов. Показано, что понижение скорости прессования в 1,5…2 раза не приводит к разогреву поверхностных слоев труб, что будет улучшать структуру и качество горячепрессованных труб. Установлено что, такое уменьшение скорости снижает максимальные усилия прессования на 8-10 %, что является благоприятным с точки зрения динамической силовой нагрузки на основное оборудование.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения 2-го годового этапа гранта РНФ № 18-79-10107-П «Анализ и моделирование процессов, реализуемых при получении холоднокатаных труб из горячепрессованных бесшовных трубных заготовок из титановых сплавов разных классов» были проведены следующие работы и получены следующие научные результаты. Проведен анализ деформационного состояния при холодной прокатке на стане ХПТ труб промежуточного размера 38х4,1 мм из сплава ПТ-1М и конечного размера 38,1х5,36 мм из сплава Ti-3Al-2,5V полученного при компьютерном моделировании методом конечных элементов. Численное моделирование процесса холодной прокатки трубы из титанового сплавов Ti-3Al-2,5V и ПТ-1М показало, что распределение степени деформации неравномерно по поперечному сечению. Это обусловлено несимметричной схемой прокатки на стане ХПТ, в частности, чередованием углов поворота заготовки между проходами. Установлено, что в конечном изделии деформации намного превышают значения, рассчитанные через геометрию заготовок до и после прокатки. Различие превышает 250 %. Это может создавать ошибку в прогнозе уровня нагартовки металла к концу процесса прокатки. Выявлено неоднородное распределение степени деформации в поперечном сечении готовой трубы как в направлении радиуса (по толщине стенки), так и в тангенциальном направлении. Выявлено также сильное снижение степени деформации по Мизесу относительно интенсивности деформации, что говорит о высокой степени немонотонности процесса прокатки. Анализ инвариантов и безразмерных комплексов, описывающих процесс холодной прокатки труб из сплавов Ti-3Al-2,5V и ПТ-1М, показал, что значения Q-фактора колеблются по тангенциальной координате и наибольшие значения Q-фактора достигаются для наружных слоев готовой трубы (1,5 для сплава Ti-3Al-2,5V; 1,2 – ПТ-1М). Установлено, что компоненты тензора деформации слабо зависят от координаты, радиальная и тангенциальная компоненты близки друг к другу. Вместе с тем, эффективная степень деформации ε в большей степени зависят от радиальной координаты, чем компоненты тензора εii Это можно объяснить значительным влиянием компонентов εij, то есть дополнительными сдвигами, которые в большей степени реализуются вблизи наружной поверхности. Сопоставление структурного и текстурного состояний исследуемых сплавов титана показало, что структура холоднокатаных труб из сплавов ПТ-1М и Ti-3Al-2,5V в продольном сечении представляет собой главным образом вытянутые вдоль направления прокатки деформированные зерна α-фазы. Для обоих сплавов выявлено, что средний размер зерен по нормали к плоскости прокатки имеет тенденцию к увеличению от внешней к внутренней стенки трубы. Обосновано, что наблюдаемые различия характера распределения зерна по размерам вдоль радиуса связаы с различием в распределения степени деформации по стенке трубы, рассчитанном в процессе компьютерного моделирования холодной прокатки труб. Установлено, что холоднокатаных трубах из сплавов ПТ-1М и Ti-3Al-2,5V формируется в качестве основной компоненты текстуры – текстура тангенциальной призмы, {0001}ТН<10-10>НП. Выявлено, согласно расчетов по данным EBSD-анализа параметров Кернса в различных областях трубы, что в сплаве ПТ-1М эта компонента более интенсивная, чем в сплаве Ti-3Al-2,5V. Обосновано, что это закономерно связано с более низкими значениями Q-фактора, рассчитанными в ходе компьютерного моделирования по сечению трубы (меньше 1 у ПТ-1М и больше 1 у Ti-3Al-2,6V), и с более высокой степенью деформации в ходе прокатки сплава ПТ-1М по сравнению со сплавом Ti-3Al-2,5V. Полученные в результате компьютерного моделирования холодной прокатки труб из сплавов ПТ-1М, Ti-3Al-2,5V параметры, связанные с деформацией, характеристиками текстуры, достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными по эволюции структуры и текстуры холоднокатаных труб, что свидетельствует об адекватности созданной модели реальному процессу прокатки на стане ХПТ. Установлено, исходя из анализа данных по измерению микротвердости исследуемых холоднокатаных труб из сплавов ПТ-1М и Ti-3Al-2,5V в продольном и поперечном сечении, что для обоих холоднокатаных сплавов характерно повышение уровня микротвердости от внутренней к внешней стенке трубы. При этом для соответствующей области измерения в трубе микротвердость в продольном сечении трубы выше, чем в поперечном. Отмечено, что наблюдаемые эффекты закономерным образом связаны с полученной в ходе компьютерного моделирования зависимостью изменения степени деформации по стенке трубы и рассчитанными на основании EBSD-анализа параметрами Кернса. Во-первых, рост значений микротвердости определяется увеличением их наклепа вследствие повышения степени деформации от внутренней к внешней стенке трубы в обоих сплавах. Во-вторых, более высокие значения микротвердости в продольном сечении трубы по сравнению с поперечным вызваны известным эффектом текстурного упрочнения, в данном случае в продольном сечении, так как именно в этом сечении преобладают плоскости базиса, что способствует повышению напряжений при пластической деформации, в том числе вдавливанием при измерении микротвердости. Обнаружено, что в отличие от микротвердости для контактного модуля упругости холоднокатаных сплавов ПТ-1М, Ti-3Al-2,5V не зафиксировано какой-то явной зависимости изменения его величины от внутренней к внешней поверхности трубы. Что связано с тем, что модуль упругости не является напрямую структурно-чувствительным свойством. В тоже время, как и в случае микротвердости сплавов, для соответствующей области измерения в трубе контактный модуль упругости в продольном сечении трубы выше, чем в поперечном. Этот эффект связан с тем, что наиболее высокомодульное направление (0001) в титановых сплавах преобладает в продольном сечении и практически отсутствует в поперечном сечении труб исследуемых сплавов, вследствие этого и значения модуля упругости в продольном направлении оказываются выше. В работе выявлена одна общая закономерность для обоих сплавов, а именно прямая корреляционная связь между степенью деформации и твердостью (как суммарной, так и измеренной в различных направления трубы). Это связано с повышением твердости и повышением степени нагартованности структуры. Также для обоих сплавов установлено, что корреляционная зависимость между безразмерными комплексами Q, ω и параметром Кернса Fрн по сечению трубы не наблюдается, в отличии от зависимости параметров Q, ω и параметров Кернса в различных направлениях трубы. Это можно объяснить тем, в моделируемых случаях значения Q-фактора не меняется значительно по сечению трубы, что оказывает слабое влияние на формование текстуры. При этом наблюдается сильная корреляционная связь между параметрами Кернса отвечающими за формирование тангенциальной компоненты и параметрами Q, ω, что свидетельствует о том, что при значениях Q-фактора близкого к 1 скорее формируется тангенциальная текстура, а не радиальная. Выявленные закономерности могут быть использованы для разработки технологических маршрутов холодной прокатки титановых сплавов на станах ХПТ позволяющих получать требуемое текстурное состояние в трубных полуфабрикатах. В данной работе построена компьютерная имитационная модель, которая позволяет рассчитать значения параметры холодной прокатки на станах ХПТ, текстуры и свойств по стенке трубы титановых сплавов (Ti-3Al-2,5V и ПТ-1М) с высокой корреляционной связью. Так же в работе приведены рекомендации для оптимизации производственного процесса холодной прокатки титановых сплавов α- и псевдо-α-классов.