cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2023-4-60-69cvmet-1520Research ArticleМеталловедение и термическая обработкаPhysical Metallurgy and Heat TreatmentВлияние структурно-фазового состояния на физико-механические свойства горячепрессованных труб из титанового сплава Ti–3Al–2,5VEffect of structure and phase composition on the physical and mechanical properties of hot extruded titanium alloy Ti–3Al–2.5V tubeshttps://orcid.org/0000-0002-7571-1179ИлларионовА. Г.IllarionovA. G.

Анатолий Геннадьевич Илларионов – кандидат технических наук, доцент кафедры «Термообработка и физика металлов», Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ); науч. сотрудник Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19;

620108, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

Anatoly G. Illarionov – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department “Heat Treatment and Physics of Metals”, Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin (UrFU); Research Scientist, Institute of Metal Physics named after M.N. Mikheev of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

19 Mira Str., Yekaterinburg 142432б

18 S. Kovalevskaya Str., Yekaterinburg 620108

 

a.g.illarionov@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6311-131XВодолазскийФ. В.VodolazskiyF. V.

Федор Валерьевич Водолазский – кандидат технических наук, доцент кафедры «Термообработка и физика металлов»

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Fedor V. Vodolazskiy – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department “Heat Treatment and Physics of Metals”

19 Mira Str., Yekaterinburg 142432

f.v.vodolazskiy@urfu.ruИлларионоваС. М.IllarionovaS. M.

Светлана Михайловна Илларионова – зав. лабораторией кафедры «Термообработка и физика металлов»

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Scopus-ID: 56572890900

Svetlana M. Illarionova – Head of the Laboratory of the Department “Heat Treatment and Physics of Metals”

19 Mira Str., Yekaterinburg 142432

Scopus-ID: 56572890900

s.m.illarionova@urfu.ruКосмацкийЯ. И.KosmatskiyYa. I.

Ярослав Игоревич Космацкий – доктор технических наук, зам. ген. директора по научной работе

454139, г.Челябинск, ул. Новороссийская 30

Scopus-ID: 36166718600

Yaroslav I. Kosmatskiy – Dr. Sci. (Eng.), Deputy General Director for Scientific Work

30 Novorossiyskaya Str., Chelyabinsk 454139

Scopus-ID: 36166718600

Kosmatski@rosniti.ruШиринкинаН. А.ShirinkinaN. A.

Наталья Александровна Ширинкина – начальник отдела

620025, г. Екатеринбург, ул. Бахчиванджи, 2г

Scopus-ID: 57193270781

Natalia A. Shirinkina – Head of the Department

2g Bakhchivandzhi Str., Yekaterinburg 620025

Scopus-ID: 57193270781

nata382@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0008-6725-1724ШабановМ. А.ShabanovM. A.

Максим Александрович Шабанов – инженер исследователь кафедры «Термообработка и физика металлов»

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Maksim A. Shabanov – Research Engineer of the Department “Heat Treatment and Physics of Metals”

19 Mira Str., Yekaterinburg 142432

m.a.shabanov@urfu.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина; Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАНРоссияUral Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin; Institute of Metal Physics named after M.N. Mikheev of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the First President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationАО «Русский научно-исследовательский трубный институт»РоссияJSC “The Russian Research Institute of the Tube & Pipe Industries”Russian FederationАО «Уральский завод гражданской авиации»РоссияJSC “Ural Works of Civil Aviation”Russian Federation2023210820232946069Copyright © Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Космацкий Я.И., Ширинкина Н.А., Шабанов М.А., 20232023Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Илларионова С.М., Космацкий Я.И., Ширинкина Н.А., Шабанов М.А.Illarionov A.G., Vodolazskiy F.V., Illarionova S.M., Kosmatskiy Y.I., Shirinkina N.A., Shabanov M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1520

Исследовано влияние изменения  параметров  горячего  прессования  на  физико-механические  свойства  труб  из сплава Ti–3Al–2,5V. Материалом для исследования служили  четыре  патрубка,  отобранные  от  разных  горячепрессованных труб из сплава Ti–3Al–2,5V с внешним диаметром 90 мм и толщиной стенки 20 мм, полученных из экспандированных гильз с внешним диаметром 195 мм на горизонтальном гидравлическом прессе. Экспандированные гильзы перед прессованием  нагревались до температуры 850–865 °С. Образцам исследуемых горячепрессованных труб присвоены номера 1, 2, 3 и 4 согласно последовательности  их  получения  в  промышленных  условиях.  Показано,  что  увеличение  количества  проведенных  прессовок в α + β-области от трубы 1 к трубе 4 приводит к закономерному уменьшению объемной доли первичной α-фазы в их структуре, а также к росту объемной доли β-превращенной структуры вследствие повышения температуры окончания прессования, вызванного более активным деформационным разогревом из-за увеличения температуры инструмента (матрицы и иглы). Обнаружено, что фиксируемое структурно повышение температуры окончания прессования от 1-й трубы к 4-й влечет за собой характерное уменьшение объемной  доли  остаточного  β-твердого  раствора  и  снижение  «остроты»  наблюдаемой  тангенциальной текстуры α-фазы. Установлено, что выявленные изменения структурно-фазового состояния сплава от 1-й трубы к 4-й оказывают закономерное влияние на получаемый в них уровень свойств – контактного модуля упругости и микротвердости. Полученные  закономерности  необходимо  учитывать  при  разработке  технологического  режима   многоразового   прессования труб из сплава Ti–3Al–2,5V.

This study investigates the impact the hot extrusion process variables on the physical and mechanical properties of Ti–3Al–V alloy The research examines four tube segments extracted from various hot-extruded tubes of Ti–3Al–2.5V alloy, with an outer diameter (OD) of 90 mm and a wall thickness of 20 mm. The manufacturing process involves expanding sleeves with a horizontal hydraulic press to achieve an OD of 195 mm, followed by heating to 850–865 °C prior to extrusion. The tube segments are labeled as 1, 2, 3, and 4, corresponding to their order of production. Our findings demonstrate that an increase in the number of extrusions in the α + β area from tube 1 to tube 4 leads to a reduction in the primary α-phase volume fraction and an increase in the β-transformed structure volume fraction. These changes are attributed to the higher final extrusion temperature resulting from more intense deformation heating during hot tooling (die and mandrel) processes. Additionally, elevating the final extrusion temperature from tube 1 to tube 4 leads to a notable decrease in the residual β-solid solution volume fraction and a reduction in the “sharpness” of the α-phase tangent-oriented texture. The alterations in the structural and phase state of the alloy from tube 1 to tube 4 are found to influence the contact modulus of elasticity and microhardness. These identified relationships can be utilized to optimize the process variables for the extrusion of multiple Ti–3Al–2.5V alloy tubes.

титановый сплав Ti–3Al–25Vгорячее прессованиеструктуратекстурамеханические свойстваtitanium alloy Ti–3Al–2.5Vhot extrusionstructuretexturemechanical propertiesИсследования проведены в рамках выполнения проекта Российского научного фонда (№ 18-79-10107-П)This study is supported by the Russian Science Foundation, grant No. 18-79-10107-PReferencesИльин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник. М.: ВИЛС—МАТИ, 2009. 520 с.Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник. М.: ВИЛС—МАТИ, 2009. 520 с.Пумпянский Д.А., Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Космацкий Я.И., Попов А.А. Перспективные сплавы титана для изготовления холоднодеформированных труб. Металлург. 2023;1:37—48. https://doi.org/10.52351/00260827_2023_01_37Pumpyanskiy D.A., Illarionov A.G, Vodolazskiy F.V., Kosmatskiy Y.I., Popov A.A. Promising titanium alloys for manufacture of cold-worked pipes. Metallurg. 2023;1:37—48. https://doi.org/10.52351/00260827_2023_01_37Романцев Б.А., Гончарук А.В., Алещенко А.С., Гамин Ю.В. Получение полых толстостенных профилей и труб из титановых сплавов методом винтовой прокатки. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015;(4):38—41. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2015-4-38-41Romantcev B.A., Goncharuk A.V., Aleshchenko A.S., Gamin Yu.V. Production of thick-wall hollow profiles and tubes made of titanium alloys by screw rolling. Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2015;(4):38—41. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0021-3438-2015-4-38-41Пилипенко С.В. Анализ влияния технологических факторов процесса холодной прокатки труб на изменение распределения Q-фактора вдоль конуса деформации. Известия вузов. Цветная металлургия. 2019;(3):30—35. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2019-3-30-35Pilipenko S.V. Analysis of the influence of cold pipe rolling technological factors on the change in Q-factor distribution along the deformation cone. Izvestiya. NonFerrous Metallurgy. 2019;(3):30—35. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0021-3438-2019-3-30-35Boyer R., Welsch G., Collings E.W. Materials roperties Handbook: Titanium alloys. ASM Int., The Material Information Society, 1994. 1176 p.Boyer R., Welsch G., Collings E.W. Materials roperties Handbook: Titanium alloys. ASM Int., The Material Information Society, 1994. 1176 p.Chen S., Li X., Xu D. Manufacture of Gr9 titanium alloy tube for small size and extra-thin wall. In: Chinese Materials Conference. High Performance Structural Materials. 2018. Р. 531—538. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0104-9_56Chen S., Li X., Xu D. Manufacture of Gr9 titanium alloy tube for small size and extra-thin wall. In: Chinese Materials Conference. High Performance Structural Materials. 2018. Р. 531—538. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0104-9_56Пышминцев И.Ю., Космацкий Я.И., Филяева Е.А., Илларионов А.Г., Водолазский Ф.В., Баранникова Н.А. Структура и свойства металла горячепрессованной трубы из сплава Ti—3Al—2,5V. Металлург. 2018;4:70—75. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0671-5Pyshmintsev I.Y., Kosmatskii Y.I., Filyaeva E.A., Illarionov A.G., Barannikova N.A. Alloy Ti—3Al—2.5V hot-extruded pipe metal structure and properties. Metallurgist. 2018;62(3-4):374—379. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0671-5Li H., Wei D., Zhang H.Q., Yang H., Zhang D., Li G.J. Tooling design—related spatial deformation behaviors and crystallographic texture evolution of high-strength Ti—3Al—2.5V tube in cold pilgering. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019;104: 2851—2862. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04151-wLi H., Wei D., Zhang H.Q., Yang H., Zhang D., Li G.J. Tooling design—related spatial deformation behaviors and crystallographic texture evolution of high-strength Ti—3Al—2.5V tube in cold pilgering. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019;104: 2851—2862. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04151-wYang Q., Hui S., Ye W., Xu Z., Dai C., Lin Y. Effect of “Q” ratio on texture evolution of Ti—3Al—2.5V alloy tube during rolling. Materials. 2022;15(3):817. https://doi.org/10.3390/ma15030817Yang Q., Hui S., Ye W., Xu Z., Dai C., Lin Y. Effect of “Q” ratio on texture evolution of Ti—3Al—2.5V alloy tube during rolling. Materials. 2022;15(3):817. https://doi.org/10.3390/ma15030817Никольский Л.А., Фиглин С.З., Бойцов В.В., Калпин Ю.Г., Бахарев А.В. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1975. 285 с.Никольский Л.А., Фиглин С.З., Бойцов В.В., Калпин Ю.Г., Бахарев А.В. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1975. 285 с.Космацкий Я.И., Фокин Н.В., Филяева Е.А., Баричко Б.В. Исследование деформационной способности титанового сплава Ti—3Al—2,5V и оценка технологической возможности изготовления из него горячепрессованных труб. Титан. 2016;2(52): 18—22.Kosmatskiy Ya.I., Fokin N.V., Filyaeva E.A., Barichko B.V. Deformation ability research of the titanium alloy Ti—3Al—2.5V and the assessment of the technological capability production of hot-extrusion tube from him. Titan. 2016;2(52):18—22. (In Russ.).Космацкий Я.И., Филяева Е.А., Фокин Н.В., Яковлева К.Ю. Определение технологической возможности изготовления нового вида бесшовных труб TREX из титанового сплава Ti—3Al—2.5V. Качество в обработке материалов. 2016;2:15—22.Kosmatskiy Ya.I., Filyaeva E.A., Fokin N.V., Yakovleva K.Yu. Determination of the production possibilities to preparing a new form of seamless TREX pipes of Ti—3Al—2.5V alloy. Kachestvo v obrabotke materialov. 2016;2:15—22. (In Russ.).Tarin P., Corral N., Simon A.G. Evolution of alpha-beta transformation in Ti—3Al—2,5V alloy. Microstructural changes and properties obtained. In: Proceedings of the 12 th World Conference on Titanium. Beijing: Science Press., 2012. Vol. 1. P. 481—484.Tarin P., Corral N., Simon A.G. Evolution of alpha-beta transformation in Ti—3Al—2,5V alloy. Microstructural changes and properties obtained. In: Proceedings of the 12 th World Conference on Titanium. Beijing: Science Press., 2012. Vol. 1. P. 481—484.Illarionov A.G., Vodolazskiy F.V., Barannikova N.A., Kosmatskiy Y.A., Khudorozhkova Y.V. Influence of phase composition on thermal expansion of Ti—0.4Al, Ti—2.2Al—2.5Zr and Ti—3Al—2.5V alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2021;857:158049. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158049Illarionov A.G., Vodolazskiy F.V., Barannikova N.A., Kosmatskiy Y.A., Khudorozhkova Y.V. Influence of phase composition on thermal expansion of Ti—0.4Al, Ti—2.2Al—2.5Zr and Ti—3Al—2.5V alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2021;857:158049. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158049Илларионов А.Г., Космацкий Я.И., Филяева Е.А., Водолазский Ф.В., Баранникова Н.А. Экспериментальное определение температурных параметров для оценки возможности изготовления горячепрессованных труб из сплава Ti–3Аl–2,5V. Металлург. 2016;9:83—87. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0396-xIllarionov A.G., Kosmatskii Y.I., Filyaeva E.A. Vodolazskii F.V., Barannikova N.A., Experimental determination of temperature parameters for evaluating the possibility of manufacturing alloy Ti—3Al—2.5V hotextruded tubes. Metallurgist. 2017;9-10(60):983—988. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0396-xАношкин Н.Ф., Борисова Е.А., Бочвар Г.А., Брун М.Я., Глазунов С.Г., Колачев Б.А., Коробов О.С., Мальков А.В., Моисеев В.Н., Ноткин А.Б. и др. Титановые сплавы. Металлография титановых сплавов. М.: Металлургия, 1980. 464 с.Аношкин Н.Ф., Борисова Е.А., Бочвар Г.А., Брун М.Я., Глазунов С.Г., Колачев Б.А., Коробов О.С., Мальков А.В., Моисеев В.Н., Ноткин А.Б. и др. Титановые сплавы. Металлография титановых сплавов. М.: Металлургия, 1980. 464 с.Rietveld H.M. A profile refinement method for nuclear and magnetic structures. Journal of Applied Crystallography. 1969;2:65—71.Rietveld H.M. A profile refinement method for nuclear and magnetic structures. Journal of Applied Crystallography. 1969;2:65—71.Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research. 1992;7(6):1564—1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research. 1992;7(6):1564—1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564Shao G., Miodownik A.P., Tsakiropoulos P. ω-phase formation in V—Al and Ti—Al—V alloys. Philosophical Magazine A. 1995;71(6):1389—1408.Shao G., Miodownik A.P., Tsakiropoulos P. ω-phase formation in V—Al and Ti—Al—V alloys. Philosophical Magazine A. 1995;71(6):1389—1408.Aurelio G., Fernandez Guillermet A., Cuello G.J., Campo J. Metastable Phases in the Ti—V System: Pt. I. Neutron Diffraction study and assessment of structural properties. Metallurgical and Materials Transactions A. 2002;33A:1307—1317. https://doi.org/10.1007/s11661-002-0057-xAurelio G., Fernandez Guillermet A., Cuello G.J., Campo J. Metastable Phases in the Ti—V System: Pt. I. Neutron Diffraction study and assessment of structural properties. Metallurgical and Materials Transactions A. 2002;33A:1307—1317. https://doi.org/10.1007/s11661-002-0057-xЖелнина А.В., Калиенко М.С., Илларионов А.Г., Щетников Н.В. Трансформация структуры, параметров фаз при старении сплава титана Ti-10V— 2Fe—3Al и их связь упрочнением. Физика металлов и металловедение. 2020;121(12):1220—1226. https://doi.org/10.1134/S0031918X20120133Zhelnina A.V., Kalienko M.S., Illarionov A.G., Shchetnikov N.V. Transformation of the structure and parameters of phases during aging of a titanium Ti—10V—2Fe—3Al alloy and their relation to strengthening. Fizika metallov i metallovedenie. 2020;121(12):1220—1226. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S0031918X20120133Федулов В.Н. Прогнозирование эффективности термического упрочнения титановых сплавов. Литье и металлургия. 2006;1(37):130—135.Fedulov V.N. Prediction of the efficiency of thermal hardening of titanium alloys, Lit’ye i metallurgiya. 2006; 1(37):130—135. (In Russ.).Forney C.E., Meredith S.E. Ti—3Al—2.5V seamless tubing engineering guide. Sandvik special Metals Corp., Kennewick, Wash., USA, 1990. 3rd ed. 144 p.Forney C.E., Meredith S.E. Ti—3Al—2.5V seamless tubing engineering guide. Sandvik special Metals Corp., Kennewick, Wash., USA, 1990. 3rd ed. 144 p.Логинов Ю.Н., Семенов А.П. Изменение температуры инструмента при горячем прессовании прутков из меди и латуни. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2006;4:10—13.Loginov Y.N., Semenov A.P. Changing the temperature of the tool during hot pressing of copper and brass bars. Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo. Obrabotka materialov davleniem. 2006;4:10—13. (In Russ.).Логинов Ю.Н. Прессование как метод интенсивной деформации металлов и сплавов. Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2016. 156 с. https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/40656/1/978-5-7996-1623-6_2016.pdfЛогинов Ю.Н. Прессование как метод интенсивной деформации металлов и сплавов. Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2016. 156 с. https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/40656/1/978-5-7996-1623-6_2016.pdfWeiss I., Semiatin S.L. Thermomechanical processing of alpha titanium alloys — an overview. Materials Science and Engineering A. 1999;263:243—256. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)01155-1Weiss I., Semiatin S.L. Thermomechanical processing of alpha titanium alloys — an overview. Materials Science and Engineering A. 1999;263:243—256. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)01155-1Zwicker U. Titan und titanlegierungen. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1974. 717 р. https://doi.org/10.1007/978-3-642-80587-5Zwicker U. Titan und titanlegierungen. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1974. 717 р. https://doi.org/10.1007/978-3-642-80587-5

The authors declare that there are no conflicts of interest present.