TiNi合金密封體性能研究

安少云

(承德石油高等專科學校機械工程系，河北 承德 067000)

某些特殊合金中具存在有形狀記憶效應這一現(xiàn)象是由美國人在上世紀60年代發(fā)現(xiàn)的，這種形狀記憶合金材料已經(jīng)被公認為是可以代替以往金屬連結(jié)結(jié)構(gòu)中最安全的連接材料[1］，然而從目前開發(fā)成型的產(chǎn)品來看，雖然種類很多，但在油井設施中利用記憶合金這種新型功能材料的實例是少之又少。經(jīng)過大量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國油田生產(chǎn)中使用的封隔器其使用壽命都很短，大多一年至一年半油井封隔器就會失效，造成極大的浪費。分析原因，主要是封隔器內(nèi)部的密封部位橡膠材料，其耐久性、耐腐蝕性比較差，在工作時會同時受到高溫和管道擠壓的雙重作用，特別容易發(fā)生老化繼而造成碎裂，使得封隔器工作中的密封作用逐漸消失。假如當密封件不再起到密封作用，那么整個采油工作難以繼續(xù)進行，造成生產(chǎn)中斷。另外，在發(fā)生皮碗密封碎裂的同時，許多橡膠密封體掉入到原油中，造成了原油清潔費用的提高。將我國和國外的采油生產(chǎn)過程對比，我國在原油的開采成本上大大超過國外具有先進采油技術(shù)的國家，而對有問題的封隔器進行維修和替換是非常困難的。因此開發(fā)具有長壽命的封隔器是十分必要的。

根據(jù)以往用不銹鋼合金絲材繞制成的密封體力學性能研究，結(jié)論表明:由不銹鋼合金制造的金屬密封體的應力與應變在變化的階段方面出現(xiàn)了明顯的加工硬化的現(xiàn)象，而且變化不會同步進行。而新的記憶合金材料的彈性模量和回復力變化幅度稍稍落后于應變的開始階段，但變化的幅度要比應變大得多。這種材料隨著外力的變化而發(fā)生的變形現(xiàn)象能預防合金材料發(fā)生太大的尺寸變化，因而采用功能金屬材料開發(fā)的一些密封裝置不需要增加其他的附屬實驗裝置。盡管以往研究的各種合金材料能夠隨外力的增加發(fā)生較大的變形而不發(fā)生破壞，可是如果變形量超過合金其最大值時，合金材料就會產(chǎn)生剩余變形。而如果采用新型的形狀記憶合金材料來代替以往其他合金材料制造的金屬密封件則可以解決很多問題。眾多的研究結(jié)果表明:一些特殊合金具有著較好的形狀記憶效應，這些合金當加熱后，如果升高溫度超過合金的奧氏體開始相變結(jié)束溫度，記憶合金的形狀就會發(fā)生自動恢復的現(xiàn)象，所以如果應用這種材料制備的封隔器密封體，當在油田現(xiàn)場中發(fā)生殘留變形時，只要當生產(chǎn)任務結(jié)束后對這種材料制成的封隔器進行加熱保溫處理，變形則會消除徹底，這也正是本次研究所提出的研究思路。

為解決采油井下封隔器密封問題，本文研究并制備了新型功能合金-鎳鈦合金密封件[2］，從其外形尺寸恢復程度和力學性能兩個角度進行了試驗并加以分析。第一步首先對這種合金彈簧絲進行實驗，記錄了預變形量與TiNi合金密封材料超彈性的變化關系曲線，并測定TiNi合金的力學性能;其次測試TiNi經(jīng)過多次坐封解封循環(huán)次數(shù)對TiNi合金密封件超彈性的影響;然后將兩種類型的合金試件在壓力下尺寸發(fā)生變化，當外力去掉后，密封件的外形尺寸發(fā)生變化，外形沒有完全恢復，留下少量的變形，隨之把密封件放入熱處理爐中內(nèi)進行加熱保溫時效處理，得到密封件試樣的外形尺寸恢復性能;然后將這些試件再次安裝在力學試驗機上并測試它們在循環(huán)載荷下的力學性能[3］，這是為了進一步分析形狀記憶合金密封件在外形尺寸基本恢復以后能否保持穩(wěn)定的力學性能。

1 NiTi合金金屬密封件的性能實驗

本文研究中采用的合金由北京有色金屬研究院所制造，原料采用TiNi合金，加工成彈簧絲，合金材料的組織相變溫度為:馬氏體組織開始發(fā)生相變時的溫度Ms是58℃，馬氏體組織結(jié)束相變的最終溫度Mf為11.8℃，奧氏體組織開始轉(zhuǎn)變溫度As=36.8℃，奧氏體組織結(jié)束轉(zhuǎn)變的溫度Af是75℃。如果想使得合金具有良好的多次雙程記憶效應，應該對TiNi合金密封件的變形自回復功能進行研究，同時也要對具有其可控性進行了解。本實驗試樣的實驗階段分成了以下三大階段:1)把粗直徑的TiNi合金絲拉拔成直徑較小的合金絲、通過相應的絞絲設備繞制成為彈簧形狀試件;2)將螺旋彈簧試件按一定方式編織成薄薄的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并將這個結(jié)構(gòu)制成密封件的形狀;3)密封件試樣放入相應的模具中進行沖壓，得到準確形狀。在本試驗中，記憶合金彈簧絲的外直徑為19 mm，密封件成型尺寸為5 cm，加工過程中在兩步之間進行了加熱保溫即時效熱處理，即在第一階段結(jié)束將記憶合金彈簧絲加熱到500℃并保溫30 min，然后冷卻到220℃。

1.1 密封件的變形自回復性能實驗

1.1.1 實驗準備

在力學性能實驗室為研究NiTi合金密封件材料的發(fā)生變形后當外力去除后密封件變形恢復后的性能變化情形，進行了以下試驗:

對密封件試件在壓力的作用下尺寸發(fā)生了變化，使之應變量達到43%，這時發(fā)生的塑性變形相對原件本身變形量較大，隨后將發(fā)生變形的密封件試樣放人熱處理爐中加熱。由于NiTi合金材料隨著溫度的變化發(fā)生了形狀記憶現(xiàn)象，當溫度升高到奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度以后時，試件的殘留變形完全消失，外形恢復。在NiTi合金密封試件形狀恢復階段，在實驗室用溫度測試儀表和形變測試儀表同步進行試件變形和內(nèi)部溫度變化的測量，觀測記錄它們之間的變化，試驗中安裝了兩臺形變測試表，分別在兩個相互垂直的方向上來進行密封件形變量的測試，一個垂直試件受拉的加工方向放置，另一個沿試件受壓的加工方向放置，然后在兩個方向上分別測量試件的形變量，將測溫度表安裝在試件內(nèi)部，以便準確地測量試件內(nèi)部溫度。當試件變形回復后，將兩種試件再次安裝在拉伸試驗機上測試其力學性能。

1.1.2 NiTi合金密封件的變形恢復實驗結(jié)果

圖1表示了經(jīng)過不同處理后的兩種NiTi合金試件，當進行殘余變形消失過程中所測定的溫度與外形的變化過程也就是外力變化-應力與形變量-應變之間發(fā)生的變化關系。在圖1中的負應變值表示試樣的殘留形變數(shù)值，零應變數(shù)值表示密封件試樣尺寸完全恢復尺寸，剩余形變量為零，正應變的數(shù)值代表試件發(fā)生了過恢復的情況。在圖1中，對所選試件施加外應力，并對試件進行了時效處理，圖1的曲線動向準確反映出了NiTi合金密封件試樣隨外力的變化所對應的應變大小。當出現(xiàn)剩余的形變數(shù)值ε大于0時，結(jié)果標明密封件試樣在外力去除時，外形恢復階段出現(xiàn)了“過恢復”的情形，就是說當密封件發(fā)生變形以后，外力消除，密封件尺寸發(fā)生的恢復變化超出了試樣原始尺寸的數(shù)值。分析上述試驗結(jié)果，密封件形變量ε在與拉伸方向的垂直方向上比較小，幾乎為零，而在與壓力與密封件試樣垂直的方向上明顯看到，對密封試樣加熱后溫度超過37℃(奧氏體相變的開始溫度為37℃)時，這個密封件試樣的外形尺寸都同時發(fā)生恢復。為保證密封件原始尺寸完全恢復，在整個試驗階段始終進行溫度控制，并觀察形變值的變化量，并將應變量作為標準參數(shù)。分析圖1的試驗曲線，可以明顯看到，密封件試樣在開始時的形變恢復的速度比較快，而其尺寸恢復的整個階段難以控制，此時試樣容易發(fā)生“超恢復”現(xiàn)象，分析變化的原因是NiTi合金密封件試樣均恢復到了最初的直線形狀。圖1中描述了以下兩種試件:曲線1無時效處理的試樣;曲線2時效處理的試樣。

在實驗過程中，NiTi合金絲材均記憶并恢復到彈簧原始形狀。試件能夠基本準確恢復到原始尺寸，特別是進行時效處理后的NiTi合金(2)沒有出現(xiàn)“過恢復”現(xiàn)象，這主要是因為對試件在加工過程中進行的時效熱處理工藝，使得試件記住了其原始形狀。

1.2 NiTi合金試件變形回復后的力學性能

為測試NiTi合金密封件試樣在外形恢復后是否仍保持穩(wěn)定的力學性能，在實驗室做了如下實驗:將外形已經(jīng)恢復的試樣再一次安裝在力學實驗機上，并同時由小到大增加循環(huán)應力，將測試結(jié)果繪制成圖2，圖2中描述了試樣發(fā)生了變形回復后的應力－應變曲線。

根據(jù)NiTi合金材料的力學性能的變化特點，其性能與加載頻率無關。從圖2中可以看到，為了進一步做出明確比較合金的力學性能，應考慮加載頻率為0.5 Hz的情況，實驗中同步記錄了密封件前的應變曲線，從變形前后的兩種曲線對比結(jié)果可以看出，密封件沒發(fā)生形狀恢復前的應力應變曲線的重合程度較好，結(jié)果表明這種密封件在變形發(fā)生消失以后會保持力學性能變化幅度較小。但是當密封件的應變?yōu)?5%時，試件的恢復力大約降低20%。從上述分析得出以下結(jié)論，NiTi合金材料具有良好的形狀恢復的性能，同時具有隨溫度變化同時發(fā)生形變的能力，從得出的結(jié)果也符合了油井封隔器在工作中對密封零件所提出的性能要求，即密封部件必須在油井工作的高溫環(huán)境下發(fā)生變形。因此，我們可以將它作為較為理想的封隔器密封材料，在石油開采中大量使用。

2 結(jié)論

通過對不同加工處理工藝下的兩種形狀記憶合金NiTi合金密封件試樣進行實驗，得出的結(jié)論為:

1)應變量的大小對鈦鎳合金密封的超彈性有較大影響，應變率越低，超彈性應力越平穩(wěn)。

2)應力-應變的循環(huán)次數(shù)對對鈦鎳合金密封件的超彈性有相應的影響。

3)NiTi合金密封件的應變－應力曲線隨著應力的增加，應變數(shù)值的變化量較小，卻發(fā)生了明顯的加工硬化現(xiàn)象，說明記憶合金密封件具有應變滯后的能力。

4)當循環(huán)應力加載時間達到800個h以后，密封件的應力與應變曲線變化幅度較小，而對于增加卸載應力循環(huán)時間和數(shù)量對NiTi合金密封件的應變與應力的相適應變化能力沒有任何影響，從圖中可以看到曲線變化只有在開始階段應力－應變曲線出現(xiàn)了比較明顯的降低。

5)NiTi合金試件的應力－應變變化同步性與加載頻率無關。

6)正是眾所周知的記憶合金具備形狀記憶效應，實驗中合金的溫度達到奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度時，出現(xiàn)了殘留的形變量，結(jié)果導致NiTi合金密封件會自動恢復，形狀恢復到其原始輪廓。與試樣1對比，對試件2采取了相應的加熱保溫時效，試樣2具有更好的形狀恢復能力，而且當剩余的變形徹底消失后，記憶合金試件2比合金類試件1具有了比較明顯的形狀恢復結(jié)果。

[1]王永善，賀志榮，王啟，等.Ti-Ni形狀記憶合金性能及應用研究進展[J］.材料熱處理技術(shù)，2009，38(20):18.

[2]安少云，劉春哲，韓光明.在油井封隔器中的應用研究[J］.承德石油高等?？茖W校學報，2012，14(3):47－50.

[3]江漢石油管理局采油工藝研究所 .封隔器理論基礎與應用[M］.北京:石油工業(yè)出版社，1999.