海洋工程用TC4鈦合金管材組織與性能

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，本試驗針對Φ140×4（壁厚）×4000mm典型規(guī)格的TC4鈦合金擠壓管材進行試制，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)準備。

關(guān)鍵詞：海洋工程；TC4鈦合金；擠壓；管材

前言

21世紀是海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展時代，海洋資源是經(jīng)濟發(fā)展的重要板塊。遼闊的海洋蘊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、比強度高、在海水中不腐蝕等優(yōu)點，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绹鴮ⅵ担?8～610）×26×2600mm的TC4合金管用作地?zé)?、海上鉆井管道。美國RMI公司生產(chǎn)的Φ650×（22～25）×35000mm超長Ti-3Al-2.5V合金管用于海底石油開采。挪威北海鉆井支撐平臺立管用的是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[2]。

本研究工作，通過開展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)準備。

1 試驗方法

1.1 試驗方案

試驗采用寶雞鈦業(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)機械加工制成擠壓坯料，坯料采用雙包套進行表面防護與潤滑。用3150t臥式擠壓機在兩相區(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?；瘜W(xué)成分見表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。嚴重時，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程熱效應(yīng)顯著，嚴重時可造成擠壓管材的組織過熱，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。本次試驗根據(jù)前期研制經(jīng)驗，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。擠壓變形圖見圖1，擠壓管材成品見圖2。

2 試驗結(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)過機械加工后的管材尺寸滿足設(shè)計要求。

2.2 顯微組織

鈦合金擠壓管材在相變點以下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。

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行室溫力學(xué)性能測試，各項指標匹配良好，可滿足設(shè)計、使用要求。

3 結(jié)束語

（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）管材各項指標均達到了設(shè)計要求，可用于海底油氣資源輸送管道。

參考文獻

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

[2]韓明臣，等.大口徑TC4鈦合金管材的擠壓組織與性能[J].鈦工業(yè)進展，2014，31（5）.

[3]賈如雷，計波.鈦材熱擠壓成型技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].世界有色金屬，2010（11）.