Деформация и термическая обработка труб из титановых сплавов

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

ДЕФОРМАЦИЯ 
И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТРУБ
ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
22.04.01 — Материаловедение и технологии материалов

Екатеринбург
Издательство УрФУ
2019

УДК [621.774.3+621.78]:669.295(075.8)
ББК 34.748.12я73+34.235.15я73+34.651я73
          Д39
Авторы:
А. Г. Илларионов, Я. И. Космацкий, Е. А. Горностаева, Ф. В. Водолазский

Рецензенты:
д‑р физ.‑мат. наук, проф. В. Г. Пушин (главный научный сотрудник Ин‑
ститута физики металлов УрО РАН);
д‑р техн. наук В. П. Леонов (заместитель генерального директора НИЦ 
«Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»)

Научный редактор — д‑р техн. наук, проф. И. Ю. Пышминцев

Д39
    Деформация и термическая обработка труб из титановых сплавов : учебное 
пособие / А. Г. Илларионов, Я. И. Космацкий, Е. А. Горностаева, Ф. В. Во‑
долазский ; Мин‑во науки и высшего образования РФ, Урал. федерал. ун‑т 
им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. — Екатеринбург : Изд‑во 
Урал. ун‑та, 2019. — 144 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2698‑3

Подробно и доступно рассмотрены вопросы получения труб из титановых спла‑
вов. Представлены необходимые данные о кристаллической структуре и физико‑
механических свойствах титана и его сплавов. Обращено внимание на изменение 
силовых параметров и эволюцию структуры в ходе горячей и холодной пластиче‑
ской деформации сплавов титана. Подробно описаны технологические особенно‑
сти производства горячепрессованных и холоднокатаных титановых труб. Изложе‑
ны общие сведения о термической обработке труб из титановых сплавов и влиянии 
ее режимов на структуру и механические свойства получаемых горячедеформиро‑
ванных и холоднокатаных полуфабрикатов.
Пособие предназначено для бакалавров и магистров высших учебных заве‑
дений.

Рис. 60. Табл. 14.

УДК [621.774.3+621.78]:669.295(075.8)
ББК 34.748.12я73+34.235.15я73+34.651я73

ISBN 978‑5‑7996‑2698‑3 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2019

Оглавление

Предисловие .......................................................................................... 5

1. Общая характеристика титановых сплавов ....................................... 8
1.1. Кристаллическая структура и физические свойства титана .... 8
1.2. Примеси и легирующие элементы в титановых сплавах ........19
1.3. Фазовые превращения титановых сплавов при закалке .........20
1.4. Классификация титановых сплавов и их характеристики ......24

1.4.1. α‑ и псевдо‑α‑сплавы ......................................................28
1.4.2. (α+β)‑Сплавы ..................................................................29

1.5. Основные факторы, влияющие на технологические 
        свойства титана и его сплавов ..................................................30
Контрольные вопросы к главе 1 .....................................................35

2. Горячая и холодная пластическая деформация ................................37
2.1. Общие сведения о горячей пластической деформации ..........39

2.1.1. Определение сопротивления горячей пластической 
            деформации .....................................................................39
2.1.2. Определение температуры полного полиморфного 
            превращения ...................................................................44
2.1.3. Особенности формирования структуры титановых 
            сплавов в процессе горячей пластической 
            деформации .....................................................................47
2.2. Общие сведения о холодной пластической деформации .......58

2.2.1. Деформационная способность титановых сплавов 
            в процессе холодной пластической деформации ..........58
2.2.2. Особенности формирования структуры титановых 
            сплавов в процессе холодной пластической 
            деформации .....................................................................62
Контрольные вопросы к главе 2 .....................................................64

Оглавление

3. Технологические особенности производства труб из титановых 
     сплавов .............................................................................................66

3.1. Процесс горячего прессования ................................................66
3.1.1. Общие сведения о процессе прессования труб ..............67
3.1.1.1. Способы прессования ........................................69
3.1.1.2. Инструмент для прессования .............................78
3.1.2. Температурно‑скоростные режимы прессования 
            труб из титановых сплавов .............................................89
3.2. Процесс холодной прокатки труб ............................................94
3.2.1. Общие сведения о процессе холодной прокатки труб ...95
3.2.2. Оборудование для холодной прокатки труб .................100
Контрольные вопросы к главе 3 ...................................................105

4. Термическая обработка труб из титановых сплавов .......................106

4.1. Общие сведения о термической обработке труб 
        из титановых сплавов .............................................................106
4.2. Влияние режимов термической обработки 
        на механические свойства труб и других 
        деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов ...120

4.2.1. Горячедеформированные трубы и полуфабрикаты .....120
4.2.2. Холоднокатаные трубы и полуфабрикаты ...................126
Контрольные вопросы к главе 4 ...................................................135

Заключение .........................................................................................137

Список библиографических ссылок ....................................................138

Предисловие

И

стория становления и развития металлургии неразрывно свя‑
зана со способами и процессами обработки металлов давле‑
нием, зарождение которых относится к появлению первых 
металлических изделий на земле. Наиболее ранним и важнейшим спо‑
собом была ковка. Ее появление связано с периодом перехода челове‑
чества от каменного к бронзовому веку. К числу древнейших способов 
обработки металлов давлением относятся также штамповка и волоче‑
ние металлов, получившие широкое распространение еще в рабовла‑
дельческий период. Эти первые способы обработки металлов давле‑
нием непрерывно совершенствовались.
Открытие титана, а точнее сказать, его диоксида (TiO2), относится 
к началу 90‑х годов XVII века. Первый образец металлического тита‑
на получен в середине XVIII века. Титан не находил промышленного 
применения, пока в 1940 г. не был запатентован метод восстановле‑
ния металлического титана (процесс В. Кролла), который до настоя‑
щего времени остается одним из основных в промышленном получе‑
нии титана [1, с. 1].
Начиная с шестидесятых годов XX века в отечественной промыш‑
ленности и науке проведен огромный комплекс работ, направленных 
на разработку технологий изготовления труб из титановых сплавов 
различного назначения, использование которых во многих отраслях 
промышленности обусловливается в первую очередь тем, что его проч‑
ность примерно равна прочности стали, при том что он почти вдвое 
легче.
Титановые сплавы являются одними из основных конструкционных 
материалов, применяемых для изготовления труб различного сорта‑
мента благодаря высокой удельной прочности, коррозионной стойко‑
сти во многих агрессивных средах, хорошей жаропрочности при сред‑
них температурах [2, с. 103–114]. Трубы из сплавов титана применяются 

Предисловие

с 1970‑х годов прежде всего в авиакосмической отрасли, для которой 
наиболее важна их более высокая удельная прочность по сравнению 
с другими металлическими материалами [3, с 2227–2236]; [4, с. 21–32].
При производстве труб из сплавов на основе титана возникает ряд 
трудностей, связанных с тем, что технологические свойства титана су‑
щественно отличаются от аналогичных свойств сталей, алюминиевых 
сплавов и сплавов цветных металлов из‑за присущих им особенно‑
стей кристаллической структуры, физических и химических свойств 
[5, с. 7]. Исходя из этого в первых трех разделах приводятся основные 
сведения о кристаллической структуре, физических, механических 
и технологических свойствах сплавов титана, применяемых для про‑
изводства труб из титановых сплавов, а также технологические осо‑
бенности производства труб из сплавов титана.
При производстве изделий из титановых сплавов термическая об‑
работка является не только одной из завершающих технологических 
операций, но и служит промежуточной обработкой между деформа‑
циями. При этом важно контролировать режимы промежуточной тер‑
мической обработки для получения требуемой структуры в конечном 
изделии. Режим завершающей термической обработки оказывает су‑
щественное влияние на механические свойства готовых изделий.
В начале XXI века повышается интерес со стороны промышлен‑
ных предприятий России к освоению и совершенствованию произ‑
водства труб из титановых сплавов. Производство труб из титана на‑
лажено в ПАО «Корпорация ВСМПО‑АВИСМА», АО «Ступинская 
металлургическая компания», в последнее время к ним добавились 
АО «Чепецкий механический завод» и предприятия ПАО «ТМК», та‑
кие как АО «Волжский трубный завод» и ПАО «Синарский трубный 
завод» (ООО «ТМК‑ИНОКС»).
Научными центрами, обладающими профессиональными компе‑
тенциями в области разработки технологических процессов изготов‑
ления труб из сплавов титана в России, являются НИЦ «Курчатовский 
институт» — ЦНИИ КМ «Прометей», ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, ОАО 
«ВИЛС» и, безусловно, НТЦ перечисленных ранее производственных 
предприятий.
Все это, в свою очередь, повышает интерес работодателей к высо‑
коквалифицированным специалистам, владеющим основами произ‑
водства труб из титановых сплавов. Таким образом, вопросы, рассмо‑
тренные в данном пособии, представляют большой интерес.

Предисловие

Авторский коллектив благодарит ПАО «Корпорация ВСМПО-
АВИСМА», в особенности М. О. Ледера, А. В. Полудина, Б. Г. Крохина 
и Ю. Е. Шашкову, руководителя дирекции по технологии ПАО «ТМК» 
В. Б. Восходова и ведущего научного сотрудника лаборатории волочения 
и прессования ОАО «РосНИТИ» Б. В. Баричко за предоставленную воз-
можность и совместное участие в работе по освоению технологии про-
изводства труб из титанового сплава Ti-3Al-2.5V.

1. Общая характеристика  
титановых сплавов

1.1. Кристаллическая структура  
и физические свойства титана

Х

имический элемент титан располагается в IV группе Перио‑
дической системы элементов вместе с цирконием и гафни‑
ем, имеет атомный номер 22 и атомную массу 47,90. Титан 
принадлежит к 3d-переходным металлам. Его атом имеет кроме двух 
4s‑электронов, два 3d‑электрона и может проявлять в соединениях ва‑
лентность, равную II, III и IV. Валентность в металлическом соедине‑
нии различна и зависит от давления и примесного элемента. Атомный 
радиус титана, по данным различных источников, составляет от 0,145 
до 0,147 нм. Плотность чистого титана при комнатной температуре 
4,505 г/см 3. Температура плавления титана — 1668 °C (1941 К), тем‑
пература кипения — 3169 °C.
Титан относится к металлам, обладающим полиморфизмом. При 
комнатной температуре и нормальном давлении титан имеет гек‑
сагональную плотноупакованную решетку (a‑титан) с периодами 
а = 0,2952 нм, с = 0,4679 нм с отношением с/а = 1,587, а при темпера‑
туре выше 882,5 °C происходит переход к объемно‑центрированной 
кубической (ОЦК) решетке (b‑титан). Высокотемпературная β‑фаза 
нестабильна, и зафиксировать ее при комнатной температуре для чи‑
стого титана не представляется возможным. Период ее решетки мож‑
но определить методом экстраполяции до комнатной температуры, 
период решетки b‑титана составляет 0,328 нм. Температура превраще‑
ния понижается с увеличением давления (рис. 1). При высоком давле‑
нии титан имеет еще одну модификацию с гексагональной решеткой 
(w‑титан) с периодами а = 0,460; с = 0,282 нм. Особой точкой на диа‑

1.1. Кристаллическая структура и физические свойства титана

грамме является тройная точка равновесия между a‑, b‑ и w‑фазами. 
Она имеет следующие координаты: давление около 9,0 ГПа и темпе‑
ратуру 667 °C. Образование w‑фазы при повышении давления имеет 
характер изотермического мартенситного превращения. Скорость та‑
кого превращения зависит от многих факторов, и поэтому сведения 
о величине давления, необходимого для его реализации, различны 
(см. линии α « w превращения на рис. 1). Превращение a « w про‑
текает с большим гистерезисом, и поэтому w‑фаза сохраняется и по‑
сле снятия высокого давления при температуре ниже 110 °C. При бо‑
лее высоких температурах она превращается в a‑фазу.

0
2
4
6
10
12
14
8

0

200

400

600

800

Температура, С

Давление, ГПа

→
←

0
2
4
6
10
12
14
8

0

α

α

ω
α

β

ω

ω

200

400

600

800

Температура, С

Давление, ГПа

→

←

Рис. 1. t‑p диаграмма титана:

 — линия равновесия; 
 — линия превращения ω → α;  

 — линия превращения α → ω; 
 — линия превращения α → ω

Периоды решетки фаз также зависят от температуры. Температур‑
ная зависимость изменения периодов решетки α‑фазы выражается 
уравнениями:

 
at = [1 + 9,928(t – 25) · 10–6 – 0,626(t – 25) 2 · 10–10]; 
 (1)

 
ct = c0[1 + 11,079(t – 25) · 10–6 + 9,698(t — 25) 2 · 10–10]. 
 (2)

Также влияние на периоды решетки фаз оказывают легирующие 
элементы. К основным легирующим элементам в титановых сплавах 
относятся алюминий, молибден, ванадий, хром, железо, марганец, 
кремний, цирконий и олово. Вводимые элементы изменяют температу‑
ру полиморфного превращения и фазовый состав. Элементы, которые 
стабилизируют α‑фазу, называются α‑стабилизаторами, другие эле‑
менты, которые стабилизируют β‑фазу называются β‑стабилизаторами. 
Более подробно их влияние будет рассмотрено в подглаве 1.2.

1. Общая характеристика титановых сплавов 

Существенное влияние на периоды решеток a‑ и b‑модификаций 
титана оказывают примеси. Периоды решетки a‑титана увеличива‑
ются вследствие внедрения в октаэдрические поры азота, кислорода 
и углерода (рис. 2, а).
      а                                                                      б

а, нм

с, нм

с, нм

с/а, нм

ат. %
ат. %

с/а, нм

а, нм

Рис. 2. Влияние элементов внедрения (а) и замещения (б)  
на периоды решетки a‑титана [6, с. 19]

Сильнее всего влияет углерод, который также сдвигает осевое соот‑
ношение с/а к максимальным размерам, резко увеличивая период с. 
Для b‑титана эта тенденция сохраняется. Но, так как нелегированную 
b‑фазу при комнатной температуре зафиксировать невозможно, кон‑
кретных данных о влиянии элементов внедрения на период решетки 
b‑титана нет [6, с. 19–20].
Влияние элементов замещения на периоды решетки a‑титана бо‑
лее сложно (рис. 2, б). Оно определяется соотношением атомных ра‑
диусов (атомных объемов) легирующего элемента и титана в соответ‑
ствии с правилом Вегарда [6, с. 20]. 

1.1. Кристаллическая структура и физические свойства титана

Атомные радиусы в нанометрах (нм) основных легирующих эле‑
ментов в титановых сплавах приведены ниже:

Ti .......................................................0,145
Mo .....................................................0,140
V ........................................................0,136
Cr ......................................................0,128
Fe ......................................................0,127
Al .......................................................0,143
Zr.......................................................0,160
Sn ......................................................0,158
Nb .....................................................0,147
Mn .....................................................0,130

Алюминий, который является основным a‑стабилизатором, не вли‑
яет на период решетки по оси с при его содержании до 3 ат. %, а при 
большей концентрации — уменьшает. Период а монотонно уменьша‑
ется с увеличением алюминия в сплаве, а отношение с/а возрастает. 
При легировании оловом, галлием, серебром и индием отношение с/а 
также возрастает, а при легировании ванадием — уменьшается при 
слабом изменении периодов решетки. Тантал в небольших концен‑
трациях практически не оказывает влияния на периоды с и а, а цир‑
коний равномерно увеличивает оба параметра, незначительно изме‑
няя отношение с/а.
Таким образом, большинство легирующих элементов увеличива‑
ют отношение с/а и тем самым препятствуют призматическому и пи‑
рамидальному скольжению дислокаций, снижают пластичность. Ис‑
ключением является только ванадий, который несколько уменьшает 
с/а и повышает способность a‑фазы к пластической деформации.
Для b‑титана сохраняется тот же принцип. Введение хрома, марган‑
ца, железа, ванадия и молибдена понижает период решетки, циркония 
и олова — увеличивает, а ниобия и тантала — практически не влияет 
на него (рис. 3) [6, с. 20].
В титановых сплавах часто возникает анизотропия свойств, кото‑
рая связана с наличием текстуры. Процесс образования преимуще‑
ственной ориентации напрямую связан с особенностями деформации. 
Так, например, в сплавах на основе титана при соотношении близком 
к с/а = 1,587 скольжение происходит в направлении <1120> в призма‑
тических {1010} и пирамидальных {1011}, {1121} плоскостях. При по‑
вышении с/а возрастает роль базисного скольжения по плоскостям 

1. Общая характеристика титановых сплавов 

{0001} (рис. 4). Более подробно вопросы образования текстуры в тру‑
бах будут рассмотрены в параграфе 2.2.2.

ат. %

а

ат. %

а

Рис. 3. Влияние элементов замещения на периоды решетки b‑титана [6, с. 20]:

а — Cr, Mn, Fe; б — V, Zr, Mo, Nb, Ta

Пирамидальная 
плоскость (1011)
Призматическая 
плоскость (1010)

Обычное направление 
скольжения <1120>
Базисная 
плоскость (0001)

Рис. 4. Обычные системы скольжения в сплавах на основе титана