海洋工程用TC4鈦合金管材組織與性能

2018-10-23 IP屬地陜西10130

　　摘要：為了滿足海洋工程深海油氣傳輸，以及深海通信光纜的工況需求，本試驗(yàn)針對(duì)Φ140×4（壁厚）×4000mm典型規(guī)格的TC4鈦合金擠壓管材進(jìn)行試制，旨在掌握管材組織、性能與加工工藝的關(guān)系，為深海工程用大規(guī)格鈦合金管材的生產(chǎn)做好技術(shù)準(zhǔn)備。

　　關(guān)鍵詞：海洋工程；TC4鈦合金；擠壓；管材

　　前言

　　21世紀(jì)是海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展時(shí)代，海洋資源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要板塊。遼闊的海洋蘊(yùn)藏著極其豐富的油氣、金屬礦物、地?zé)帷⑸锖臀⑸锏茸匀毁Y源，海洋油氣、地?zé)豳Y源的傳輸以及海底通信光纜的鋪設(shè)對(duì)深海裝備的研發(fā)提出了更高的要求。鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、在海水中不腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此成了深海裝備制造的首選材料。

　　隨著石油、天然氣鉆采步伐的加快，大直徑熱擠壓鈦合金管需求也隨之增加。這種管材主要用作油井、地?zé)岷吞烊粴饩艿赖取Ｃ绹?guó)將Φ（48～610）×26×2600mm的TC4合金管用作地?zé)帷⒑Ｉ香@井管道。美國(guó)RMI公司生產(chǎn)的Φ650×（22～25）×35000mm超長(zhǎng)Ti-3Al-2.5V合金管用于海底石油開(kāi)采。挪威北海鉆井支撐平臺(tái)立管用的是Φ600×25×15000mm TC4ELI合金管。俄羅斯VSMPO公司生產(chǎn)的含Pd、Ru的合金及Ti-6Al-4V合金管用于石油開(kāi)采[1]。

　　TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能，其良好的工藝塑性和超塑性適合于各種壓力加工成形，在航空和航天工業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用，可用于制作工作溫度在400℃以下的各類零件，占鈦合金使用量的50%以上。大規(guī)格鈦合金管材均采用熱擠壓的方法生產(chǎn)，技術(shù)成熟、關(guān)鍵在于是否具備大型擠壓機(jī)[2]。

　　本研究工作，通過(guò)開(kāi)展Φ140×4（壁厚）×4000mm典型規(guī)格的TC4鈦合金擠壓管材的試制，旨在掌握管材組織、性能與加工工藝的關(guān)系，為深海工程用大規(guī)格鈦合金管材的生產(chǎn)做好技術(shù)準(zhǔn)備。

　　1 試驗(yàn)方法

　　1.1 試驗(yàn)方案

　　試驗(yàn)采用寶雞鈦業(yè)股份有限公司經(jīng)兩次真空自耗電弧爐生產(chǎn)的TC4鈦合金鑄錠，在β和α+β區(qū)多火次鍛造成Φ270mm棒坯，經(jīng)機(jī)械加工制成擠壓坯料，坯料采用雙包套進(jìn)行表面防護(hù)與潤(rùn)滑。用3150t臥式擠壓機(jī)在兩相區(qū)擠壓成型得到管坯，在線矯直后堿酸洗表面氧化皮，然后機(jī)加內(nèi)外表面，得到Φ140×4mm的成品TC4管材。鑄錠化學(xué)成分符合GB/T3620要求。化學(xué)成分見(jiàn)表1。

　　1.2 擠壓成型

　　鈦合金導(dǎo)熱性差，坯料表層與中心層易產(chǎn)生較大的溫度差，促使金屬流動(dòng)不均勻性加劇，這樣表層就產(chǎn)生較大的附加拉應(yīng)力，在產(chǎn)品表面易形成裂紋。嚴(yán)重時(shí)，在擠壓棒材及管材上可能產(chǎn)生大的擠壓縮孔[3]。鈦合金管材在擠壓過(guò)程熱效應(yīng)顯著，嚴(yán)重時(shí)可造成擠壓管材的組織過(guò)熱，從而影響產(chǎn)品的組織和性能。因此，擠壓參數(shù)、工藝的合理選擇非常重要。本次試驗(yàn)根據(jù)前期研制經(jīng)驗(yàn)，錠坯在950℃加熱，采用3～10的擠壓比，另外選擇50～120毫米/秒的擠壓速度進(jìn)行擠壓，避免產(chǎn)生熱效應(yīng)，使制品表面質(zhì)量和性能變劣。擠壓變形圖見(jiàn)圖1，擠壓管材成品見(jiàn)圖2。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　2.1 表面及尺寸

　　擠壓管材表面質(zhì)量較好，管材直線度較好，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后的管材尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.2 顯微組織

　　鈦合金擠壓管材在相變點(diǎn)以下40～50℃加熱，在兩相區(qū)擠壓變形，并合理控制變形速率，避免變形溫升，管材顯微組織均為兩相區(qū)加工組織，顯微組織晶粒沿受力方向被壓扁、拉長(zhǎng)。

　　2.3 力學(xué)性能

　　擠壓管材及經(jīng)750℃/1h空冷退火處理后切取試樣進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)匹配良好，可滿足設(shè)計(jì)、使用要求。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　（1）采用熱擠壓成形，選用合理的工藝參數(shù)，制取的TC4鈦合金管材組織、性能優(yōu)異。

　　（2）管材各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可用于海底油氣資源輸送管道。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]林永新.鈦及鈦合金管材生產(chǎn)現(xiàn)狀[J].稀有金屬快報(bào)，2005，24（2）.