石油行業(yè)用TA18鈦合金厚壁管材的研制

李永林，朱寶輝，王培軍，韓寶峰，鞠 順，任麗萍，巴萬(wàn)興

(寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

石油行業(yè)用TA18鈦合金厚壁管材的研制

李永林，朱寶輝，王培軍，韓寶峰，鞠 順，任麗萍，巴萬(wàn)興

(寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

石油行業(yè)用TA18鈦合金厚壁管材的軋制難度較大，易出現(xiàn)表面開(kāi)裂等現(xiàn)象，為此提出了2種不同冷軋工藝并對(duì)其軋制過(guò)程及效果進(jìn)行了對(duì)比。此外，還研究了退火溫度對(duì)管材性能和組織的影響。結(jié)果表明:采用兩輥冷軋配合熱矯直方法，可以縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，最終獲得室溫力學(xué)性能滿足客戶指標(biāo)要求的TA18厚壁管材，且平直度可以達(dá)到0.75 mm/m左右，內(nèi)表面粗糙度平均為0.864 μm。

TA18;鈦合金;厚壁管;石油工業(yè)

1 前言

TA18(Ti-3Al-2.5V)鈦合金是從TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金演變而來(lái)的低鋁當(dāng)量近α型鈦合金［1］。它具有良好的室溫、高溫力學(xué)性能，耐腐蝕性能，焊接性能等［2－5］，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的液壓及燃油管路系統(tǒng)、石油鉆井用套管及熱交換器管等［6－7］。目前，我國(guó)主要采用兩輥冷軋和三輥冷軋相結(jié)合的方式生產(chǎn)這種合金管材［8－10］。但是，由于TA18鈦合金變形抗力較大，加工硬化強(qiáng)烈，軋制工藝控制不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂，尤其是軋制厚壁管材不易軋透，內(nèi)外層金屬變形極不均勻，內(nèi)壁容易產(chǎn)生縱向裂紋，且多輥軋制時(shí)，內(nèi)壁還容易粘接芯棒。

石油行業(yè)用的TA18鈦合金厚壁管材的生產(chǎn)遇到的主要問(wèn)題有:①采用多輥軋機(jī)軋制徑厚比＜10的厚壁管材，軋制道次多，且易出現(xiàn)開(kāi)裂、內(nèi)表面粘接等缺陷;②采用冷矯直的方式無(wú)法保證成品管材的平直度達(dá)到0.3～1 mm/m要求。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)比了采用兩種不同的冷軋工藝生產(chǎn)TA18鈦合金厚壁管材的可行性，研究了退火溫度對(duì)管材組織和性能的影響，以及管材的后續(xù)處理工藝，旨在為工業(yè)化生產(chǎn)石油行業(yè)用的高質(zhì)量TA18鈦合金厚壁管材提供指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用TA18鈦合金為采用3t真空自耗電弧爐經(jīng)2次熔煉得到的φ600 mm ×2 400 mm鑄錠(化學(xué)成分見(jiàn)表1)。鑄錠再經(jīng)16MN快鍛機(jī)鍛造鍛成棒坯，棒坯經(jīng)深孔鉆鏜床鉆鏜孔后，用銅薄板包覆，在3500t擠壓機(jī)上擠壓成φ70 mm ×8 mm管坯。

管坯采用以下2種冷軋工藝軋制φ48 mm ×5 mm成品管材。

表1 TA18鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TA18 titanium alloy ingot

對(duì)工藝1和工藝2生產(chǎn)得到的φ48 mm ×5 mm管材分別按照600℃ ×1 h、650℃ ×1 h、700℃ ×1 h和750℃×1 h進(jìn)行真空退火處理，熱處理后在RX－600箱式電阻爐內(nèi)加熱到500～600℃保溫30 min，進(jìn)行矯直，并用150A14塞尺檢測(cè)其平直度。再通過(guò)鏜孔和機(jī)械拋光的方法分別消除管材內(nèi)外表面的氧化污染層，最終得到成品管材。在鏜孔前后分別取樣，采用Mitutoyo SJ－201手持式粗糙度儀對(duì)其內(nèi)表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。在成品管材上取樣分別進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)和金相檢測(cè)。拉伸試驗(yàn)在INSTRON 4505電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，顯微組織在Leica MM－6金相顯微鏡上進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 2種冷軋工藝比較

工藝1:三輥軋制的道次加工率均較小，分別為13.1%和14.1%。由于管坯壁厚，且TA18鈦合金強(qiáng)度相對(duì)較高，存在嚴(yán)重帶料現(xiàn)象，且軋后內(nèi)表面有微裂紋和局部開(kāi)裂等缺陷。工藝2:直接使用兩輥軋機(jī)進(jìn)行開(kāi)坯和成品軋制，成品的道次加工率為25.35%，并且在軋制成品時(shí)采用的芯棒錐度合適，有效減少了空減徑量，保證了成品管的內(nèi)表面質(zhì)量。相對(duì)三輥軋制，兩輥軋制生產(chǎn)管材軋制力較大，管材變形更充分，生產(chǎn)效率更高，對(duì)比工藝1與工藝2即可證明這一點(diǎn)。工藝2比工藝1減少了一個(gè)軋制道次，有效地縮短了軋制周期，提高了生產(chǎn)效率。

3.2 退火溫度對(duì)管材性能和組織的影響

對(duì)2種冷軋工藝生產(chǎn)出的φ48 mm×5 mm管材分別在600、650、700、750℃下保溫1 h，進(jìn)行真空退火，再經(jīng)熱矯直及精整后觀察顯微組織(見(jiàn)圖1)，測(cè)試室溫拉伸性能(見(jiàn)表2)。

表2 TA18鈦合金管材經(jīng)不同退火制度退火后的室溫力學(xué)性能Table 2 Room-temperature mechanical properties of TA18 titanium alloy tube after different annealing treatments

由表2可以看出，隨著退火溫度的逐步升高，無(wú)論是經(jīng)工藝1還是工藝2生產(chǎn)的管材，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均逐漸降低，延伸率不斷提高，且材料的拉伸性能指標(biāo)全部滿足客戶指標(biāo)要求。綜合考慮強(qiáng)度和塑性的合理匹配，認(rèn)為700℃×1 h是比較理想的退火工藝，所獲得的管材綜合性能良好。

從圖1可以看出，無(wú)論是經(jīng)工藝1還是工藝2生產(chǎn)的管材在700℃ ×1 h退火后其顯微組織均為細(xì)小的等軸組織，但工藝2生產(chǎn)的管材的顯微組織晶粒更加細(xì)小。

綜合室溫力學(xué)性能測(cè)試和顯微組織觀察結(jié)果，采用工藝1和工藝2都可以獲得滿足客戶指標(biāo)要求的TA18厚壁管材，且工藝2獲得的管材綜合性能優(yōu)于工藝1的。

3.3 成品管材平直度和表面質(zhì)量控制

相對(duì)來(lái)講TA18鈦合金變形抗力大，加工硬化強(qiáng)烈，因此，為了保證成品管材的平直度達(dá)到0.3～1 mm/m的要求，避免管材表面產(chǎn)生微裂紋，采取熱矯直方法整形。矯直前，管材的平直度在5 mm/m左右，經(jīng)冷矯直后平直度在3.0 mm/m左右，而經(jīng)熱矯直后平直度可以達(dá)到0.75 mm/m左右，完全可以滿足成品管材的平直度要求，且開(kāi)裂現(xiàn)象較冷矯直也明顯減少。

圖1 工藝1和工藝2生產(chǎn)的TA18厚壁管材經(jīng)不同溫度退火處理后的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographs of TA18 titanium alloy thick-walled tube produced by process 1 and process 2 after annealing treatment

TA18厚壁管材經(jīng)兩輥冷軋后，內(nèi)表面偶爾會(huì)出現(xiàn)不同程度的局部細(xì)微缺陷，見(jiàn)圖2a。此外，經(jīng)熱矯直后內(nèi)表面還會(huì)有一定程度的氧化。

圖2 工藝2生產(chǎn)的φ48 mm ×5 mm TA18厚壁管材矯直及鏜孔后的內(nèi)表面照片F(xiàn)ig.2 Photos of inner surface of φ48 mm ×5 mm TA18 titanium alloy tube before and after straightening and boring

為了保證石油行業(yè)用TA18鈦合金厚壁管材內(nèi)外表面粗糙度Ra≤3.2 μm以及無(wú)滲氧污染層的要求，首先采用機(jī)械拋光去除外表面缺陷及氧化污染層，再通過(guò)單邊鏜孔0.1～0.3 mm去除其內(nèi)表面的氧化污染層，鏜孔后的內(nèi)表面見(jiàn)圖2b。經(jīng)測(cè)量，鏜孔后管材的內(nèi)表面粗糙度平均為0.864 μm，而鏜孔前平均為 1.090 μm。

4 結(jié)論

(1)與工藝1相比，采用工藝2可以更容易地獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的TA18厚壁管材，且軋制過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)，不僅縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，其綜合性能也優(yōu)于工藝1生產(chǎn)的管材。

(2)700℃×1 h真空退火，管材的室溫力學(xué)性能可達(dá)到最佳匹配，且等軸組織晶粒更加細(xì)小均勻。

(3)經(jīng)熱矯直后TA18厚壁管材的平直度可以達(dá)到0.75 mm/m左右，鏜孔后內(nèi)表面粗糙度平均為0.864 μm。

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Research on Process of TA18 Titanium Alloy Thick-Walled Tube Used in Oil Industry

Li Yonglin，Zhu Baohui，Wang Peijun，Han Baofeng，Ju Shun，Ren Liping，Ba Wanxing
(Ningxia Orient Tantalum Industry Co.，Ltd.，Shizuishan 753000，China)

The rolling process of TA18 titanium alloy thick-walled tube used in oil industry was usually difficult，and surface cracking was easy to appear.So two different cold rolling processes and effects were compared，and the influences of annealing temperature on properties and microstructures were also studied.The results show that the process of two-roll cold rolling with thermal straightening can greatly shorten production cycle and improve production efficiency，and the room-temperature mechanical properties can meet the requirements of the customers，flatness can reaches 0.75 mm/m ，the average inner surface roughness is only 0.864 μm.

TA18;titanium alloy;thick-walled tube，oil industry

2013－01－12

李永林(1980—)，男，工程師。