熱穿軋工藝制備大口徑TC4鈦合金無縫管

余 偉， 董恩濤，蔡慶伍

(北京科技大學(xué) 高效軋制國家工程研究中心,北京 100083)

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熱穿軋工藝制備大口徑TC4鈦合金無縫管

余 偉， 董恩濤，蔡慶伍

(北京科技大學(xué) 高效軋制國家工程研究中心,北京 100083)

采用熱穿軋工藝試制大口徑TC4鈦合金無縫管，測試分析了試制的φ160 mm×8 mm TC4鈦合金無縫管的加工精度、表面質(zhì)量、顯微組織與力學(xué)性能。結(jié)果表明：熱穿軋TC4鈦合金無縫管的表面質(zhì)量、尺寸精度和力學(xué)性能均合格；管材的加工態(tài)組織主要由變形魏氏組織和少量網(wǎng)籃狀組織構(gòu)成，其沖擊韌性好，延伸率達(dá)到16%以上，無需熱處理就可進(jìn)行冷軋加工，以獲得更高精度和表面質(zhì)量的鈦合金無縫管；熱穿軋工藝可用來制備大口徑TC4鈦合金無縫管，具有金屬利用率高、流程短、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

TC4鈦合金；熱穿軋；大口徑無縫管；顯微組織；力學(xué)性能

0 引 言

鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、高溫性能好和耐腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、化工和船舶等領(lǐng)域[1-3]。TC4鈦合金是應(yīng)用最廣泛的鈦合金，占鈦合金總用量的50%。

近年來，高壓高溫油井不斷涌現(xiàn)，致使勘探開發(fā)難度增大，所處條件可能超出許多耐蝕合金(如鎳基合金)長期順利運(yùn)行的能力范圍，而大口徑鈦合金管作為鎳基合金油管的補(bǔ)充和替代產(chǎn)品，其研究和應(yīng)用成為目前高壓高溫井選材和腐蝕控制最熱門的課題。

相對鈦合金板材、棒材加工，鈦合金管材加工由于材料變形過程溫度范圍窄和變形抗力高等原因?qū)е鹿ば驈?fù)雜、生產(chǎn)周期長、加工難度大、成品率低[4-6]。對于大口徑高強(qiáng)TC4鈦合金無縫管，通常采用擠壓-機(jī)加工、擠壓-冷軋-退火等工藝，擠壓坯多為機(jī)加工的空心坯，降低了成材率。此外，采用熱擠壓-機(jī)加工工藝制備的鈦合金管通常還要經(jīng)過熱處理才能保證力學(xué)性能[7-8]；采用擠壓-冷軋-退火工藝，還需要對擠壓管材進(jìn)行機(jī)械加工或酸洗和清洗處理方可冷軋，且其冷變形能力差，管材加工成形難度大，往往需要多個冷軋工序，因而效率低、能耗高。因此，采用熱穿軋方法試制大口徑TC4鈦合金無縫管，并對組織及性能進(jìn)行了表征，旨在為更經(jīng)濟(jì)、更高效地生產(chǎn)大口徑TC4鈦合金無縫管提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為采用真空電弧爐熔煉的TC4鈦合金鑄錠。鑄錠經(jīng)鍛造開坯后，機(jī)加工得到φ180 mm的圓坯，其化學(xué)成分見表1。

1.2 管材加工工藝

穿孔設(shè)備為兩輥錐形斜軋穿孔機(jī)，軋制設(shè)備為三輥斜軋機(jī)。熱穿軋工藝過程：加熱 → 斜軋穿孔→ 管壁特殊處理 → 三輥斜軋 → 加熱 → 減徑→ 定徑 → 預(yù)矯直 → 冷卻 → 矯直 →管端切割→表面處理。軋制時采用防氧化涂層，并采用硼砂和石墨作為固體潤滑劑。成品為φ160 mm×8 mm TC4鈦合金無縫管。

表1 TC4鈦合金圓坯化學(xué)成分(w/%)

1.3 性能檢測

將熱穿軋管沿縱向切取并加工成圓柱形拉伸試樣，在CMT5105萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測試。截取尺寸為 7.5 mm×10 mm×55 mm 橫向沖擊試樣，在擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上測試沖擊功。利用Quanta FEG 450 掃描電鏡進(jìn)行沖擊斷口形貌觀察。在管壁上沿縱向取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后，采用5%HF+10%HNO3的水溶液腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡觀察管壁外表面、中部及內(nèi)表面處的金相組織。

2 結(jié)果與分析

2.1 尺寸精度與表面質(zhì)量

表2給出了熱穿軋法制備的TC4鈦合金無縫管的尺寸精度與表面質(zhì)量?？梢钥闯?，管材表面質(zhì)量良好，尺寸精度高。

鈦的熱摩擦系數(shù)大，且在高溫時與其他材料有很強(qiáng)的親和力，因此傳統(tǒng)工藝中穿孔時坯料受導(dǎo)板反向壓力的作用，在滑動摩擦條件下鈦合金材料很容易粘附在導(dǎo)板上，造成管坯缺陷嚴(yán)重。

表2 TC4鈦合金無縫管的尺寸精度與表面質(zhì)量

圖1為TC4鈦合金無縫管熱穿軋現(xiàn)場及管材外觀照片。由于本工藝采用的是錐形穿孔機(jī)，在穿孔過程中，管體的外表面與軋制工具間主要是滾動摩擦，因此管材表面無明顯缺陷。另外，錐形穿孔機(jī)的軋輥直徑沿穿孔變形區(qū)是逐漸增加的，因此，在很大程度上減少了管坯變形過程中的切向剪切應(yīng)力，抑制旋轉(zhuǎn)橫鍛效應(yīng)，改善了毛管表面質(zhì)量，使得鈦合金管坯可以在這種軋機(jī)上順利軋制，且輥身具有較長的均整精軋段，提高了毛管的重軋系數(shù)，極大改善了毛管的壁厚精度。經(jīng)三輥斜軋機(jī)軋制的減壁率可以達(dá)40%以上，壁厚精度高，延伸系數(shù)可達(dá)2左右，能保證金屬變形均勻性和壁厚精度。定減徑之前的再加熱工序可解決管材溫降造成的變形抗力過大的問題。此外，采取多道矯直工藝，能有效控制TC4鈦合金管材彎曲等現(xiàn)象，直線度較好，降低鈦合金管廢品率。矯直之后，對TC4鈦合金管材表面產(chǎn)生的氧化皮、內(nèi)折疊缺陷和吸氧層進(jìn)行機(jī)械研磨和酸洗處理，處理后表面質(zhì)量良好，如圖 1c 所示。

圖1 TC4鈦合金無縫管熱穿軋現(xiàn)場及管材外觀照片F(xiàn)ig.1 The process of hot piercing-rolling and surface morphologies of TC4 alloy tube

2.2 顯微組織

熱穿軋后的TC4鈦合金管壁不同部位的金相照片見圖2。從圖中可以看到明顯的加工流線，組織主要為變形魏氏組織，另有少量網(wǎng)籃狀組織，在晶界周圍分布著部分集束為羽毛狀的初生α相。對比三個位置的組織可以看出，外層組織由于比中部和內(nèi)層組織β晶粒變形破碎充分，所以組織相對細(xì)小。由于熱穿軋時變形量大，β晶粒尺寸與坯料的初始組織相比較為細(xì)小，β晶界較窄，晶內(nèi)塊狀α相少，這種組織不會影響管材的綜合性能[9]，所以熱穿軋管無須經(jīng)熱處理就可滿足進(jìn)一步冷加工的要求。

圖2 熱穿軋TC4鈦合金管壁不同部位的金相照片F(xiàn)ig.2 Microstructures of hot piercing-rolling TC4 alloy tubes at different positions

圖3為TC4鈦合金坯料及熱穿軋無縫管橫截面金相照片。從圖中可以看出，采取有效的表面抗氧化處理和加熱制度后，坯料的吸氧層可控制在200 μm左右，見圖3a；而熱穿軋無縫管經(jīng)表面處理后，管內(nèi)外壁幾乎沒有吸氧層，見圖3b、c。

圖3 TC4鈦合金坯料及熱穿軋管橫截面金相照片F(xiàn)ig.3 Cross-section surface morphologies of billet and tube of TC4 titanium alloy

2.3 力學(xué)性能

采用熱穿軋工藝加工的大口徑TC4鈦合金管的力學(xué)性能見表3。管材屈服強(qiáng)度都在785 MPa以上，抗拉強(qiáng)度在 885 MPa以上，延伸率達(dá)到16%以上，力學(xué)性能優(yōu)良，可以滿足后續(xù)冷加工要求。實(shí)驗(yàn)所測非標(biāo)試樣(尺寸為7.5 mm×10 mm×55 mm)的沖擊功為43.4 J和43.9 J，折算為10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊功可達(dá)55 J以上，與經(jīng)復(fù)雜熱處理的TC4鈦合金所獲得的高韌性接近[10]。高的沖擊功可能與熱穿軋后 TC4 鈦合金無縫管的組織有關(guān)。

表3 φ160 mm×8 mm TC4鈦合金熱穿軋管的室溫力學(xué)性能

2.4 沖擊斷口

圖4為熱穿軋TC4鈦合金管沖擊試樣斷口的SEM照片。從圖中可以看出，斷口由大量韌窩及少量斷面起伏的準(zhǔn)解理面組成，在大韌窩周圍密集分布著小韌窩，大韌窩尺度與轉(zhuǎn)變β相晶粒尺寸相近。熱穿軋管通過細(xì)化β相晶粒尺寸、改變α+β組織形態(tài)提高韌性，這與圖2金相組織和表3沖擊韌性結(jié)果一致。

圖4 TC4鈦合金熱穿軋管沖擊試樣斷口形貌Fig.4 SEM fractographs of hot piercing-rolling TC4 titanium alloy tube

2.5 工藝特點(diǎn)

采用熱穿軋工藝生產(chǎn)φ160 mm×8 mm的TC4鈦合金無縫管，外徑壁厚比達(dá)20，單根鈦合金管的長度可達(dá)12 m，而傳統(tǒng)的工藝所能生產(chǎn)的鈦合金管長多在10 m以內(nèi)，具有明顯優(yōu)勢。由于防氧化層的保護(hù)和加熱工藝控制，除少量熱燒損和頭尾需切除外，在坯料準(zhǔn)備和變形過程中幾乎無損耗。此外，為了控制鈦管軋制過程中的溫降，斜軋生產(chǎn)節(jié)奏較快(從一支管開始軋制到下一支管開始軋制間隔時間為60～70 s)。與傳統(tǒng)工藝相比，能耗大幅降低，且能夠保證產(chǎn)品的組織性能。

3 結(jié) 論

(1)采用熱穿軋工藝制備出φ160 mm×8 mm大口徑TC4鈦合金無縫管，其表面質(zhì)量、尺寸精度和力學(xué)性能合格。

(2)熱穿軋TC4鈦合金無縫管的加工態(tài)組織主要由變形魏氏組織和少量網(wǎng)籃狀組織構(gòu)成，其沖擊韌性好，延伸率達(dá)到16%以上，無需熱處理就可進(jìn)行冷軋加工，以獲得更高精度和表面質(zhì)量的鈦合金無縫管。

(3)熱穿軋工藝可用來制備大口徑TC4鈦合金無縫管，具有金屬利用率高、流程短和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

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Study on Hot Piercing and Rolling of TC4 Titanium Alloy Seamless Tube with Large Diameter

Yu Wei,Dong Entao,Cai Qingwu

(National Research Center for Advanced Rolling Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

TC4 titanium alloy seamless tube with large diameter was produced by hot piercing and rolling process. The size precise,surface quality, microstructure and mechanical properties ofφ160 mm×8 mm TC4 titanium alloy seamless tube were tested and analyzed. Results show that the surface quality, size precise and mechanical properties all can meet the requirements. The microstructure is composed of widmanstatten structure and basket shaped structure. The impact toughness is good, and the elongation can reach 16%. The seamless tube with large diameter can be produced by cold rolling without heat treatment. The whole process can meet the requirements of industrial production with high utilization of metal, short process and low energy consumption.

TC4 titanium alloy；hot piercing and rolling；seamless tube with large diameter; microstructure; mechanical properties

2016-01-10

董恩濤(1989—)，男，博士研究生。

TG337.6

A

1009-9964(2016)04-0036-04