Как в России производят титан: технология настоящего

Легкость, прочность, ударная вязкость, стойкость к высоким температурам — все это превратило титан в незаменимый материал для аэрокосмической промышленности. Но, конечно же, не чистый титан, а его разнообразные сплавы, в которых благодаря легирующим элементам полезные свойства титана усиливаются многократно, а недостатки нейтрализуются.

Россия удачно села на «титанового конька» и планирует развивать успех. Сейчас в районе Верхней Салды создается особая экономическая зона «Титановая долина». Это не проект ВСМПО-АВИСМА, хотя ведущее титановое предприятие России и мира претендует здесь на статус резидента. В «долине» будут развиваться производства по механической обработке изделий из титановых сплавов, то есть цель проекта — создавать в России как можно больше добавленной стоимости и как можно меньше отдавать на сторону сырья или заготовок с невысокой степенью обработки. Этим же путем идет и само Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение. Его партнер по корпорации, предприятие АВИСМА из Березников (Пермский край), занимается сырьем, а ВСМПО — металлургией.

Почему производство титана для аэрокосмической отрасли распределено во всем мире между столь немногими предприятиями? Потому что это дорогое и сложное производство, которое должно обеспечить высокий уровень качества и надежности. Михаил Ледер, директор научно-технического центра ВСМПО, показывает нам презентацию, где наглядно продемонстрировано, какие нагрузки испытывают разнообразные детали из титановых сплавов. Нагрузка на лопатку турбины эквивалентна весу переполненного лондонского автобуса-«даблдекера», а диск турбины постоянно «останавливает» легковой автомобиль, несущийся со скоростью 100 км/ч. «Если диск или лопатка разрушатся из-за некачественного металла, — говорит Михаил Ледер, — нетрудно себе представить, какой катастрофой все закончится: куски титана с огромной скоростью прошьют самолет, как шрапнель. А стойки шасси? Если они не выдержат нагрузки при посадке, последствия тоже будут печальными. Именно поэтому на нас и нашей продукции лежит высокая ответственность. Брак здесь недопустим».

В Верхнюю Салду мы приехали, чтобы посмотреть, как создаются титановые сплавы и титановые изделия, которые так востребованы во всем мире. ВСМПО — предприятие с богатой историей. Оно берет свое начало от завода алюминиевых изделий в Москве, основанного в районе станции Сетунь в 1933 году. В годы вoйны завод эвакуировали в Верхнюю Салду на площадку предприятия, занимавшегося производством крупных металлоконструкций. Когда наступила ракетно-космическая эпоха, здесь по поручению партии и правительства занялись титаном: первый слиток, полученный в 1957 году, до сих пор хранится в музее ВСМПО. Верхняя Салда — моногород, большинство его жителей так или иначе связаны с ВСМПО, и, честно говоря, в соседстве с таким могучим и знаменитым предприятием город мог бы выглядеть и получше. Объяснение плохим дорогам, некошеным газонам и не радующим глаз жилым домам — стандартное для нашей прекрасной российской глубинки: все деньги уходят в центр, городу перепадает мало. Остается лишь надеяться, что дальнейшее развитие отрасли, в частности появление «Титановой долины», даст урбанистическому росту Верхней Салды новый позитивный импульс.

Титан не лежит в земле в слитках. Его выделение из руд в металлическом виде представляет собой довольно сложный физико-химический процесс. Последний этап — восстановление титана из тетрахлорида с помощью магния и высоких температур. Конечным продуктом этой операции становится губчатый титан — остающиеся в печи большие пористые блоки. Эти блоки дробят, создавая шихту, с которой уже могут работать мастера плавки. ВСМПО получает титановую шихту с «братского» предприятия в Березниках. Дальше нужно создать сплав, добавив в титан такие элементы, как алюминий, хром, молибден. Плавят титан в вакуумно-дуговых печах, и это значит, что для начала сыпучая шихта должна превратиться в так называемый расходуемый электрод. Шихта, состоящая из мелких фрагментов разной формы, вместе с отходами титанового производства и необходимыми присадками формуется с помощью вертикального гидравлического пресса в длинный цилиндр — он-то и станет расходным электродом. Снаружи он выглядит довольно рыхлым, по нему даже то здесь, то там могут пробегать трещины, но электрод обладает достаточной прочностью, чтобы не разрушиться, когда его подвесят в печи. Как нам рассказали на предприятии, технология создания расходуемого электрода исключительно с помощью пресса практикуется только в России. В других странах применяется более дорогая технология плазменной сварки электрода из отдельных прессованных элементов, но российский метод вполне обеспечивает требуемое качество электрода.

В печи образуется дуга между висящим электродом и стекающим вниз расплавленным металлом. Посмотреть на этот процесс во всей красе нельзя, однако можно заглянуть в оптический прибор, который стоит на пульте оператора плавки. В него виден переливающийся тоненький бело-голубоватый полумесяц — это приоткрытый участок поверхности жидкого титанового сплава. Продуктом плавки становится цилиндрический слиток. Что происходит со слитком? Ему снова суждено стать электродом. В той же самой печи титан (а точнее, сплав) переплавляется еще раз. Цель — добиться гомогенности и химической однородности металла. В принципе, говорят нам инженеры, двух раз достаточно. Но если речь идет о металле rotor-grade, то есть о таком, который идет на изготовление деталей газотурбинных двигателей, то его подвергают для надежности третьей плавке.

Следующий этап титанового производства — кузнечно-прессовый. Что делать со слитками? Их превращают либо в биллеты, либо в слябы. Billet — по-английски «бревно» или «полено». Это кузнечная заготовка, действительно похожая на бревно или чурбан, — она формируется из слитка с помощью нагрева и воздействия гидравлического пресса. Производство биллетов являет собой завораживающее зрелище. Между печью, где нагреваются слитки, и прессами резво передвигаются транспортеры с захватами. Тут их называют «гламами», хотя Glama — это бренд лишь одной из фирм, выпускающих подобные машины. Водители «глам» достигли такого уровня мастерства, что, работая рядом, удивительно четко разъезжаются друг с другом, а движения машин напоминают танец, вроде хорошо известного «танкового балета».

Гидравлический пресс — это не молот. Он не бьет по слитку, а давит на него силой, например, 6000 т. Сплав поддается как пластилин, а с боков раскаленной до апельсиново-оранжевого цвета заготовки живописно ссыпается небольшое количество окалины. Пока пресс жмет — один раз, другой, третий, — заготовка начинает остывать, и чтобы металл не утратил пластичность, «глама» снова везет его в раскаленные недра печи. Так происходит несколько раз. Готовые биллеты подхватывает мостовой кран, катающийся под потолком цеха, и складывает их на одну из площадок для остывания. Здесь, в цеху, надо быть очень осторожным, а то можно нечаянно прислониться к какому-нибудь большому куску металла, который уже перестал светиться, но жаром от него пышет сильнее, чем из разогретой духовки.

После того как биллет сформирован, поверхность его зачищают, механически обрабатывают на токарном станке и подвергают неразрушающему (ультразвуковому) контролю с целью выявления неоднородностей. После этого биллеты — уже готовая продукция, и, если заказчик берет на себя дальнейшую обработку, он может их покупать. Те же биллеты, которые идут в дальнейшее производство на ВСМПО, распиливаются ленточнопильными станками на заготовки. Из биллетов делают прутки, кольца или штамповки.

Другой путь для слитков — превращение не в биллеты, а в слябы, то есть заготовки для плоского проката — листов или плит. Плиты применяются тогда, когда титановая деталь имеет не очень сложный трехмерный профиль, проще не штамповать ее, а вырезать по контуру из плиты и дообработать фрезой.

Слябы также можно использовать для изготовления титанового листа. Более простая технология — это скатывание листа в рулоны. Однако при этом происходит односторонняя деформация металла, и в листе возникает анизотропия, то есть неравномерность свойств в зависимости от направления. А это нежелательный эффект, если учесть, в сколь чувствительных сферах применяется титан. Для избегания анизотропии используется технология полистного проката, когда с прокатного стана выходят отдельные листы и укладываются в стопку. У этого метода тоже есть недостатки: листы активнее окисляются и вбирают в себя водород. Однако на ВСМПО создали технологию так называемой пакетной прокатки: стопку титановых листов заключают в стальной пакет и так прокатывают. В результате из-за отсутствия контакта с атмосферным воздухом листы из титановых сплавов не окисляются и не насыщаются водородом.

Титановый лист применяется для изготовления деталей методом сверхпластичной деформации, когда за один «жим» сразу создается сложный профиль. Правда, для этого структура металла должна быть очень мелкозернистой. Из листа нарезают заготовки для производства сварных труб. В некоторых же устройствах, где наличие сварного шва в трубе нежелательно (например, из-за высокого давления в трубе), применяются цельнотянутые трубы, которые тоже производятся на ВСМПО.

В одном из цехов ВСМПО висит серия занятных плакатов. На них изображены крупные штамповки — заготовки для будущих элементов шасси огромных лайнеров. Рядом с изображением, скажем, десять автомобилей определенной марки. Цель — показать сотрудникам, насколько дорога продукция предприятия и как высока цена ошибки или брака. Крупные штампованные детали для турбовентиляторных двигателей, силовых конструкций центроплана и, конечно, шасси — наиболее впечатляющая часть ассортимента ВСМПО. Самая большая из этих деталей — балка тележки шасси от гигантского лайнера А380. Немногим ей уступает подобная же деталь от Boeing 787. Для производства больших штамповок применяются мощные прессы, среди которых уникальный гидравлический, массой 75 000 т. Таких машин в мире только три — правда, недавно китайцы объявили о создании 80 000-тонного пресса, так что рекорд мира, похоже, уплыл в Поднебесную. Еще в недавние времена штампы для прессов создавали по старинке: делали деревянную форму, а по ней копировальный станок изготавливал металлический штамп. Сейчас уже научились обходиться без дерева. Заказчик предоставляет компьютерную модель изделия, затем другое ПО моделирует процесс штамповки с учетом распределения температур, текучести металла и т. д., и уже на основе этих данных выдается оптимальная форма штампа, которая и воплощается в металле.

Разумеется, штамповка — это не готовое изделие. Чтобы штамповка, например балка тележки шасси, превратилась в готовую деталь, ее надо обработать на токарном станке, провести глубокое сверление центральной части, просверлить технические отверстия и, наконец, фрезерным станком создать окончательный профиль поверхности. Полную финишную мехобработку на ВСМПО не делают, но доля предприятия в этом процессе увеличивается. Сейчас с изделий, выходящих из стен ВСМПО, остается снять еще примерно 1,5 мм металла.

Недавно в цех мехобработки были поставлены единственные на сегодняшний день в России пятипортальные фрезерные станки MAG Cincinnati. С их появлением ребристый рельеф на балку тележки шасси от новейшего Boeing 787−9 наносят уже в стенах ВСМПО.