Возможности создания новой техники атомного машиностроения во многом определяются свойствами конструкционных материалов, выпускаемых промышленностью. Промышленное производство труб из титановых сплавов в совокупности с освоением технологии их сварки позволило повысить надежность теплообменных элементов, ранее изготавливаемых из существенно менее коррозионно-стойких труб из аустенитных сталей.
Это позволяет в разы увеличить ресурс теплообменного оборудования, а также существенно снизить массу теплообменников, поскольку плотность титана заметно меньше плотности стали. В настоящее время теплообменное оборудование из титановых сплавов широко применяется в атомной энергетике, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Это, как правило, теплообменники с повышенными требованиями надежности, межконтурные течи рабочих сред в которых недопустимы.
Работы группы ученых из отдела физики металлов Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ им. Н.И. Лобачевского (НИФТИ ННГУ), свидетельствуют, что за счет оптимизации структуры возможно существенное повышение характеристик титановых сплавов без дополнительного легирования дорогостоящими компонентами – металлами платиновой группы или редкоземельными элементами.
По заданию нижегородского предприятия Госкорпорации «Росатом» АО «ОКБМ Африкантов», с 2010 г. в НИФТИ ННГУ проводится работа по созданию наномодифицированных α- и псевдо-α - титановых сплавов ПТ-7М (Ti-2.5Al-2.5Zr) и ПТ-3В (Ti-5Al-2V), которые широко используются в теплообменном оборудовании атомной отрасли.
По словам Алексея Нохрина, заведующего лабораторией диагностики материалов НИФТИ ННГУ, сложность данной задачи состоит в том, что необходимо обеспечить не просто повышение стойкости титановых сплавов к локальным видам коррозии, но и дополнительно увеличить их эксплуатационные свойства, такие как, прочностные характеристики, коррозионно-усталостную прочность, стойкость к водородному охрупчиванию и ряд других.
«Это достаточно нетривиальная задача, поскольку в этих титановых сплавах объемная доля упрочняющих частиц β-фазы очень мала и для их упрочнения пришлось использовать другие способы управления структурой. Для решения поставленной задачи было предложено использовать технологии деформационного наноструктурирования, позволяющие одновременно измельчать зеренную структуру до нано- и субмикронного уровня, и существенно снижать локальную концентрацию коррозионно-активных примесей на границах зерен», - отмечает Алексей Нохрин.
С 2010 по 2015 годы данные работы проводились в НИФТИ ННГУ при финансировании и участии АО “ОКБМ Африкантов”, а в 2016 г. эти работы были поддержаны грантом Российского научного фонда. Эти работы возглавил приглашенный ведущий научный сотрудник Владимир Копылов (ФТИ НАН Беларуси, г. Минск), с которым отдел физики металлов НИФТИ ННГУ связывает давнее плодотворное сотрудничество. Владимир Копылов совместно с профессором Владимиром Сегалом являются разработчиками технологии равноканально-углового прессования (РКУП), суть которой состоит в продавливании металлической заготовки через два канала круглого или квадратного сечения, соединенных друг с другом под заданным углом (как правило 90о).
«Для получения образцов титановых сплавов использовали современное оборудование, позволяющее проводить сложную многоступенчатую деформационную обработку, ротационно-ковочную машину R5-4-21 HIP (Германия) и итальянский гидравлический пресс Ficep HF400L с усилием до 400 тонн. Это позволило сначала сформировать в титановых сплавах однородную субмикрокристаллическую структуру методом РКУП, а потом изготовить из них титановые прутки длинной более метра», поясняет в продолжении Юрий Лопатин, заведующий лабораторией технологии металлов НИФТИ ННГУ.
Предложенные подходы продемонстрировали очень высокую эффективность технологий деформационной обработки. Проведенные в АО «ОКБМ Африкантов» стендовые коррозионные испытания показали, что титановые сплавы с оптимизированной структурой обладают уникальными свойствами. В частности, субмикрокристаллические образцы из сплава ПТ-3В продемонстрировали в 4-6 раз более высокую стойкость, а наноструктурированные образцы из сплава ПТ-7М – в 3-5 раз более высокую стойкость к горячесолевой коррозии по сравнению со стандартными образцами из промышленных титановых сплавов.
При этом, ученым НИФТИ ННГУ совместно с АО «ОКБМ Африкантов» за счет формирования мелкозернистой структуры удалось одновременно повысить твердость и коррозионно-усталостную прочность сплавов в 1.5-2 раза при сохранении их пластичности на уровне, достаточном для безопасной эксплуатации теплообменных труб.
Далее появилась новая задача: сохранить мелкозернистую структуру при изготовлении оборудования из свариваемых титановых сплавов.
«…Перед нами практически сразу же встала задача сварки этих сплавов, - продолжает Алексей Нохрин, - бесполезно иметь структуру с уникальной прочностью и коррозионной стойкостью в титановом сплаве, если при его сварке плавлением вы «разрушите» эту уникальную структуру и получите обычный сварной шов, который будет являться «слабым» местом теплообменной трубы… Проведенные опыты доказали, что широко применяемые технологии аргоно-дуговой и электронно-лучевой сварки приводят к резкому снижению свойств сварных соединений наших материалов…».
Для решения этой проблемы коллективом НИФТИ ННГУ была использована новая технология высокоскоростного электроимпульсного нагрева под давлением, представляющая собой разновидность технологии искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering).
Данная технология была реализована с использованием системы высокоскоростного электроимпульсного нагрева «Dr. Sinter model SPS-625» (Япония). Эти работы проводились в лаборатории Технологии керамик НИФТИ ННГУ под руководством заведующего лаборатории Максима Болдина.
Предварительные исследования показывают, что новая технология высокоскоростной твердофазной диффузионной сварки позволяет сформировать беспористую мелкозернистую структуру в сварном шве, который за счет этого обладает высокой твердостью и коррозионной стойкостью. При этом ширина сварного шва очень мала и видна лишь в микроскоп при большом увеличении.
«Использование таких конструкционных материалов и технологий открывают новые возможности для конструкторов: можно сделать теплообменное оборудование более компактным и легким без снижения надежности, маловосприимчивым к кратковременному закритическому повышению коррозионной агрессивности рабочих сред во время работы», - комментирует Максим Болдин.
Полученные результаты работ опубликованы в высокорейтинговом журнале «Journal of Alloys and Compounds» (2019, v.785, p.1233-1244; 2019, v.790, p.347-362). Результаты апробации технологии высокоскоростной диффузионной сварки титановых сплавов опубликованы в качестве отдельной главы в коллективной монографии «Spark Plasma Sintering of Materials» (2019, Chapter 24, pp.703-711, https://doi.org/10.1007/978-3-030-05327-7_24), опубликованной в издательстве «Springer Nature» (Швейцария, Базель).