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钛合金管钛无缝管的研制现状与影响管材质量的因素

发布时间:2021-09-20 06:33:52 浏览次数 :

自 1950 年美国钛金属公司生产的第一个钛合金产品问世以来,已研制出的钛合金有数百种,其中应用较广泛的有: Ti-6Al-4V 、 Ti-5Al-2.5Sn 、 Ti-6242 、Ti-6246 、 Ti-1023 等合金。 目前我国钛加工材料每年的产量大约在 5×10 4 t ,其中管材的产量约占 20% [1] 。钛管相对传统钢管、不锈钢管、铜合金管等有很多优点,如,耐腐蚀性好,特别是耐海水腐蚀、生物腐蚀;比强度高,在保证结构强度和稳定性的同时,可以达到减重的目的;合金种类多,可满足各个领域的使用要求;生物相容性好,能稳定存在在生物体组织中;加工性能好,容易焊接等。由于钛管材的加工难度大,对设备要求高,在我国钛管的应用受到限制, 主要还是以代替传统钢管为主。但国外,钛合金管材已在各个领域得到广泛应用,特别是在航空、航天中。 本文主要总结了钛合金无缝管的研制技术、应用现状及发展趋势,为其在各领域广泛和成熟的应用提供指导。

1、钛合金无缝管材研制现状

目前国际上钛管材的制造工艺已基本成熟。 管坯的制造主要有钻孔挤压和斜轧穿孔,再通过轧制、拉拔、 旋压等方法制备出不同规格和用途的成品管材。 对于低强度、 低合金化的钛材 (如 TA1 、 TA2 、TA3 、 TA5 等)通常采用多道次冷轧并配合真空退火工艺制造管材, 而对于中、 高强度钛材 (如 TC4 、TC18 、 TA18 等)常采用温轧、热拉拔、热旋等变形温度在再结晶温度以下 100℃ 左右的热加工工艺。

1.1 钛合金管材的挤压

挤压技术具有高效、优质、低能耗、少 / 无切削工艺特点,因此在钛合金管、棒、型、线材及零件生产方面得到广泛应用。一些常见钛合金管材挤压工艺见表 1 [2-7] 。 挤压比是挤压工艺中的重要参数。 在一定范围内,挤压比越大原始晶粒破碎地越完全,得到的挤压管材晶粒越细小,力学性能也越好。 钛合金的挤压比相对较小(通常小于 30 )。 坯料的选择会影响挤压成品的表面质量,刘守田 [8] 等就不同坯料对纯钛挤压材质量进行了研究, 发现铸态坯料的金属流动性差,挤压后表面质量较锻造坯料差。

钛合金管材挤压工艺参数

润滑剂在挤压中主要起防粘模、降低挤压力的作用。钛合金管材常用润滑剂见表 2 [9] 。有限元模拟技术也被广泛应用于挤压工艺。 如 DDamodaran [10] 等通过有限元软件建立了钛合金玻璃润滑热挤压模型,可以有效地预测各工艺参数对钛合金挤压变形过程中的影响。 相较于铝、镁合金,钛合金挤压技术发展较慢,主要是由于钛合金变形抗力大,要求挤压机吨位大,热导率差,金属流动不均匀,属高活性金属,在空气中极易被污染等。

钛合金管材挤压常用润滑剂

1.2 钛合金管材的轧制

钛合金管材的轧制主要分为两辊( LG 型)轧制和多辊( LD 型)轧制,两辊轧制多用于开坯,多辊轧制则用于定径和精整。 目前国内广泛应用的轧管机型 号 有 LG-30 、 LG-90 、 LG-180 、 LD-90 、 LD-180 等 ,管材加工尺寸从 3mm 到最大 250mm [11] 。在钛管轧制过程中,变形量的大小受合金性能、管材尺寸限制, 部分合金冷轧所允许的变形量如表3 所示。 相对减壁量与相对减径量的比值( Q 值)严重影响管材的织构取向。在一定范围内, Q 值越大即管材在轧制中减壁量越大, 晶粒会沿着变形量较大的方向择优排列,形成管材的径向织构,进而提高管材的力学性能。 贠鹏飞 [12] 等在研究轧制 Q 值对 TA2管材组织和性能的影响时发现: 制备 准6mm×1mm的 TA2 管时,最佳 Q 值为 1.65 左右。 JinYX [13] 等研究了冷轧工艺对 TC4 管材微观组织和织构的影响,发现轧制过程中管材( 0002 )和( 1010 )方向的极图在轧向聚集, 且大的轧制变形量增加织构强度且促进织构的重组。 在合理设计轧辊孔型及确定变形参数方面,尹业宏 [14] 等人利用 Deform-3D 软件对钛管材的轧制过程进行了有限元分析, 为现场试验提供了可靠依据。

部分合金冷轧的允许变形量

1.3 钛合金无缝管其他制造方法

除了挤压、 轧制外, 科研人员还探索了拉拔、旋压、扩径等制造工艺。 晏小兵 [15] 等就 TA15 钛合金管材拉拔时模具参数对尺寸精度、 变形量对管材性能以及润滑工艺对表面质量的影响进行了研究,并制定出合理的拉拔工艺。 牟少正 [16] 等人对铸造钛合金管坯的旋压成形进行了研究, 发现该铸造钛合金在一定旋压条件下铸态晶粒被压扁拉长,形成明显的纤维组织,减薄率超过 72% 时,铸态组织基本消除。

对于一些特殊规格钛管材, 如大直径或薄壁管材,通常先将管坯经环轧后管壁减薄,管径扩大,再通过旋压工艺,增加管材长度,进一步减薄管壁,最终获得大直径薄壁钛管 [17] 。除此之外, LiuG [18] 等人还研究了高压充气成形时流动应力、 压力加载途径和温度对 Ti-3Al-2.5V 管材性能的影响。

2、影响钛合金无缝管材质量的主要因素

钛合金种类繁多, 管材加工工艺和方法各不相同, 影响管材质量的因素也很多。 表 4 列举了主要影响因素及其控制措施 [19] 。 从钛合金的熔炼制备开始,杂质元素(如 O 、 C 、 N )的含量对成品钛合金管材的组织和性能有一定影响 [20] ,一般高的间隙元素含量会使管材强度提高,塑性降低。制备方法的选择也极大地影响管材的性能。 如,挤压管坯的晶粒细小、综合性能好,斜轧穿孔管坯的晶粒粗大、不均匀且常常有高温变形组织,前者更易于后续管材的加工。制备方法还能影响管材的残余应力状态 [21] ,当管材有残余压应力时能提高疲劳极限和应力腐蚀抗力。

影响钛管质量的因素及控制措施

管材加工过程中, 道次变形量显著影响管材的性能。 大的变形量不仅可以提高生产效率而且可以更好地破碎粗大的铸态组织,使管材晶粒细小均匀,但是过大会使管材成形抗力增加, 产生的变形热导致局部温度升高,使变形不均匀、晶粒出现异常长大。

合理的变形量可以在管材的径向、轴向、环向形成织构,从而提高性能。 杨英丽 [22] 等发现在纯钛管轧制过程中,当 Q 值在 1.2~2.3 时,形成较强的径向织构,使管材性能提高。 同时,合理的退火工艺、矫直工艺、高效的去油方法等都是保证钛管材质量的关键。

3、钛合金无缝管材的应用现状

3.1 钛合金无缝管材的广泛应用

钛合金管材应用于海上油田平台的运输, 主要是为了减轻平台重量、降低成本、增加使用寿命 [23] 。

宝钛研制生产的直径为 准90~准120mm 的油气开采用 TC4S 合金高性能挤压管完全满足 API5CT 中P110 钢的性能指标,已成功交付并使用 [24] 。 钛合金还具有突出的耐海水特性和耐氯化物腐蚀特性,使其在地热工业应用时不仅增加了设备可靠性, 而且降低了运营成本。进一步还有望在防止蓄水层枯竭、利用干热岩产生蒸汽等方面得到应用 [25] 。

钛合金作为先进的轻量化结构材料,具有优异的力学性能、高的比强度,被广泛用于航空航天领域,特别是在管路系统,如:引气管路、液压管路、燃油管路。 其中 TA18 钛合金由于有良好的室温、高温力学性能( 700℃ 时抗拉强度 ≥620MPa ),优异的冷、热加工塑性和焊接性,使其一直是航空航天用管的最佳选择 [26] 。另外,钛合金良好的生物相容性,使它在生物医疗和骨科植入等领域得到广泛应用, 典型的 Paragon 支架就是利用镍钛超弹合金毛细管通过激光雕刻后制成的球囊扩张型马氏体支架 [27] 。一些商业化钛合金管材的性能和用途如表 5 所示 [28-32] 。

商用钛合金无缝管材的性能及用途

3.2 制约钛合金无缝管材广泛应用的因素

目前, 国际上钛管材的制造工艺已基本成熟,但是钛管的应用一直受到成本方面的制约,尤其对于薄壁管、超高强度管、超长管等特殊要求管材,钛无缝管的生产难度较大、设备复杂、周期长、成品率低。因此,钛焊管应运而生。 在发达国家,滨海电站和核电站中的凝汽器已用钛焊管逐步替代钛无缝管 [33] 。 我国每年钛焊管产量已经超过 12000t [34] 。 可以预见,由于成本方面的优势,未来钛焊管将部分替代钛无缝管。

钛管材在服 役环 境 中 并 不 是 零 腐 蚀 。 H MShalaby 等人研究发现, 纯钛冷凝器管在服役 15 年后内外表面均有严重腐蚀穿孔和边缘破裂 [35] 。 另外 ,在钛管的装配应用过程中, 往往还需对管材进行弯曲、焊接、端头加工等处理。 由于钛管的屈弹比高,在弯曲时回弹显著,过度回弹导致难以控制管子几何和精度 [36] 。 Li 等 [37] 人利用有限元模拟对 Ti-3Al-2.5V 管在冷弯曲工艺中的回弹现象进行了分析和预测,但工艺十分复杂,成形较难控制。钛管由于化学活性强、熔点高、导热性差等物理化学特性,在焊接时容易产生气孔、裂纹等缺陷,对焊接设备和保护装置要求高 [38] 。这些都是制约钛合金无缝管材广泛应用的因素。

4、结语

钛合金无缝管材有比强度高、耐腐蚀性强、耐热性好、低温性能好、弹性模量和导热系数低、化学活性高、 生物相容性好等特点, 使其受到各领域的青睐。 但是由于生产钛无缝管的设备复杂、周期长、成品率低、造价高等缺点,让它的应用受到限制。另外,我国低端钛管材产能过剩,但在重要化工装置、航空航天液压管路、火箭发动机燃油管、生物医疗等领域用高性能钛管材的研究和生产方面还不足。

目前钛无缝管材的研制不断向高性能化、 低成本化、 功能化发展。 一方面大量应用有限元软件对成形过程进行模拟以实现对现有设备和工艺的优化, 提高质量和成材率将成为趋势。 另一方面要不断探索创新钛管材制备方法,简化工艺,降低成本,积极推广钛无缝管材的应用。 这些都需要相关科研人员的共同努力。

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