Φ610 mm TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管的研制

王 何，何鳳敏，胡順忠，郭 海，鄭 兵，陳 雨

（1.四川三洲特種鋼管有限公司，四川 成都 610300；2.成都軍區(qū)善后工作辦公室，四川 成都 610000）

鈦合金是一種密度小、質(zhì)量輕、比強度高、韌性好的綜合性能優(yōu)異的材料，且具有良好的耐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、導(dǎo)彈、艦船、化工和體育用品、食品機械、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

目前國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3624—2010《鈦及鈦合金無縫管》規(guī)定鈦及鈦合金無縫管的組距為Φ3～110 mm，實際最大生產(chǎn)組距為Φ219 mm［1］，前期某公司已能生產(chǎn)Φ273 mm的鈦合金熱軋無縫管［2］。本次研究著眼于更大直徑610 mm鈦合金無縫管的開發(fā)，以求接近或超過美國及俄羅斯熱軋（不含鍛造和擠壓工藝）鈦合金無縫管的最大直徑［1］，并保證各項檢驗指標(biāo)均符合ASME SB 861—2013《鈦和鈦合金無縫管道規(guī)范》對Gr5的要求。

從工藝技術(shù)方案來看，鍛造工藝由于工藝復(fù)雜、生產(chǎn)流程長、管材長度受限、幾何尺寸精度不高（機加工余量大，故金屬損失大），最終材料利用率低（成材率12%～18%）；擠壓工藝對工模具設(shè)計和潤滑等要求較高，加工成本大，最終材料利用率也較低（成材率22%～27%）。采用周期軋制工藝的產(chǎn)品，由于其組織均勻、性能穩(wěn)定、幾何尺寸精度高，最終材料利用率較高（成材率能達到28%～45%）。

1 TC4鈦合金熱軋無縫管生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)前期多規(guī)格（Φ273～560 mm）TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管的試制經(jīng)驗，確定新的工藝路線為：鈦棒冶煉→鍛造→機加工扒皮→滲透探傷（PT）→機加工打通孔→超聲波探傷（UT）→臺車爐加熱→穿孔→冷卻→缺陷清理→毛管性能檢測→臺車爐再加熱→周期軋制→退火→高溫矯直→機加工→交付。

2 TC4熱軋無縫管研究與試驗

2.1 管坯制造工藝

2.1.1 鈦棒化學(xué)成分

TC4鈦合金為國內(nèi)鈦合金行業(yè)生產(chǎn)工藝最為成熟、使用最為廣泛的材料，其成分設(shè)計已經(jīng)非常成熟，此次目標(biāo)產(chǎn)品Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值與實測值見表1。

表1 大直徑TC4鈦合金無縫管化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）要求與實測值%

2.1.2 鈦棒冶煉工藝

TC4鈦合金冶煉主要難點在于冶煉設(shè)備和生產(chǎn)的控制。此次材料冶煉使用了從德國引進的電子束冷床爐，有效減少高密度及低密度夾雜和成分偏析，獲得成分均勻且雜質(zhì)含量低的錠坯，同時還減少了電極和破碎料的損耗。通過控制海綿鈦及中間化學(xué)成分的均勻性和不同批次質(zhì)量的一致性，利用全封閉自動、混布料生產(chǎn)線的優(yōu)勢，提高合金元素分布均勻性，尤其是對Al元素揮發(fā)控制有效，可確保大型鑄錠冶煉質(zhì)量。熔煉方法為三次真空自耗熔煉，材料成分均勻、雜質(zhì)含量和氣體含量低。

2.1.3 鈦棒鍛造工藝

鍛造過程采用三鐓三拔工藝，發(fā)揮萬噸壓機鍛造壓力大、鍛造變形滲透性好、鍛造尺寸精度高等特點，保證原始晶粒的細小與均勻，同時保證不同批次棒材質(zhì)量的一致性和較高的成材率。

由于多次鍛造變形，總鍛壓比高達7以上，故鈦棒組織已較為理想，基本可以判定為網(wǎng)籃組織，不均勻非典型網(wǎng)籃組織如圖1所示。

圖1 不均勻非典型網(wǎng)籃組織

2.1.4 鈦棒機加工

由于鈦棒鍛造后幾何尺寸不規(guī)則、表面氧化嚴重、鍛造裂紋不易檢測，故需對鈦棒外表面進行機加工扒皮處理，機加工刀頭采用鈦及鈦合金機加工專用刀頭，設(shè)計最小扒皮量為5 mm。

2.2 鈦棒的檢查與驗收

2.2.1 滲透檢驗

為避免鈦合金棒材鍛造表面缺陷進入加熱工序產(chǎn)生裂紋擴展，需進行鈦棒表面著色滲透檢驗。

2.2.2 機加工打通孔

因鈦元素親和力較強，容易與其他金屬（頂頭）產(chǎn)生黏連，從而導(dǎo)致生產(chǎn)故障，同時為避免穿孔中心線偏移，需在鈦棒中心機加工通孔，通孔直徑要求不小于頂頭鼻部直徑，偏心度≤5 mm。

2.2.3 超聲波探傷

為避免鈦棒鍛造內(nèi)部缺陷導(dǎo)致軋制廢品，需進行鈦棒超聲波檢驗。

2.3 加 熱

2.3.1 加熱制度的工藝研究

鈦元素非常活潑，易與氧、氫、氮等氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此加熱鈦合金最理想的加熱爐是真空或純氬氣保護爐。但是，無縫管生產(chǎn)線上的加熱爐只有環(huán)形爐和車底式爐，無法進行真空或純氬氣保護加熱，只能通過控制爐內(nèi)氣氛來避免加熱對軋管質(zhì)量產(chǎn)生的不良影響。

車底式爐和環(huán)形爐均是以天然氣為燃料，如果以常規(guī)控制即保持微還原性氣氛加熱，則加熱過程中鈦合金吸氫強烈，氫會擴散到鈦合金內(nèi)部，降低其塑性，對熱變形極其不利；如果以氧化性氣氛加熱，則以氧滲入為主，充分抑制吸氫效應(yīng)，只是加熱管坯表面會產(chǎn)生氧化鈦和富氧α層，氧化鈦對變形沒有影響，但富氧α層又硬又脆、塑性極差，在變形時會產(chǎn)生表面微裂紋，影響管材質(zhì)量，且加熱溫度越高、時間越長，富氧α層越厚，對表面質(zhì)量越不利，故高溫段加熱時間應(yīng)盡可能短［3］。

按照臺車爐控制空燃比12∶1，控制殘氧量為2%～3%，使?fàn)t內(nèi)氣氛為微氧化氣氛，避免TC4鈦合金在加熱過程吸氫，同時通過高溫段快速加熱盡量減少氧化鈦和富氧α層厚度，避免破壞鈦合金的塑性變形性能［3］。

鈦合金對加熱制度的控制要求嚴格，PLC控溫的臺車爐由于采用天然氣為燃料，大火加熱時與小火保溫時的溫差達到30℃，而穿孔和軋制時的加熱溫度與TC4鈦合金的β相轉(zhuǎn)變溫度非常接近（僅相差30℃），加熱溫度過高會產(chǎn)生晶粒粗大，加熱溫度過低則變形抗力過大，本目標(biāo)產(chǎn)品對臺車爐的合理加熱制度與執(zhí)行提出考驗。

TC4鈦合金的熱導(dǎo)率小，僅為鋼的1/5，隨著溫度的升高，熱導(dǎo)率增加。因此，為保證加熱質(zhì)量，必須控制合理的加熱速度和保溫時間。根據(jù)鈦合金熱導(dǎo)率變化特點，采取低溫段緩慢升溫、高溫段快速加熱、緩慢升溫時間原則上占總加熱時間的2/3來分配加熱爐各段加熱時間。

按照TC4鈦合金的變形抗力在920℃以下會急劇上升［3］，而加熱爐與穿孔機之間的運輸需要較長時間，故為考慮設(shè)備安全和產(chǎn)品成型，將加熱溫度定在1 010℃，此時經(jīng)過一定保溫均溫后出爐，穿孔初始溫度可達920℃及以上，加上穿孔過程中的溫升，其終軋溫度維持在外表面≥920℃、內(nèi)表面≥980℃。穿孔前的加熱曲線如圖2所示。

圖2 鈦棒穿孔前的加熱曲線

2.3.2 加熱工序的設(shè)備

鍛造和斜軋穿孔由于不是最終變形，對最終產(chǎn)品的性能和組織影響不大，因此對加熱溫度的精度要求相對普通，主要以順利實現(xiàn)二輥斜軋穿孔成型為目的，故目前穿孔加熱時臺車爐采用的按時間段分時設(shè)定溫度的加熱方式及PLC自動控制和檢測系統(tǒng)可以滿足加熱溫度要求。

2.4 穿 孔

斜軋穿孔是Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管的主變形工藝之一。由于在斜軋穿孔過程中，管坯內(nèi)外層金屬流動速度不同，金屬受到各種拉、壓、剪切、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的綜合作用，變形條件惡劣，產(chǎn)品極易產(chǎn)生諸如外折、內(nèi)折、內(nèi)外表面裂紋等缺陷；同時由于鈦合金熱變形的主要工藝難點在于其最佳變形溫度區(qū)間窄，在斜軋穿孔過程中變形量較大，形變熱效應(yīng)溫升（通常達到100℃左右）使材料進入塑性急劇降低的溫度區(qū)間，導(dǎo)致材料與工模具黏合在一起而軋卡，同時，如果管坯加熱溫度偏高或穿孔過程降溫措施不力，行進中的毛管表面溫度上升過大則降低了與軋輥間的摩擦因數(shù)，軋制動力下降可能造成軋卡；在穿孔至尾端時，因管坯與軋輥接觸面積減少、軋制動力不足以克服頂頭和導(dǎo)板的阻力而打滑產(chǎn)生穿孔尾卡。

通過精確計算和三維模擬后，將斜軋穿孔工藝由常規(guī)的減徑變形優(yōu)化為擴徑變形，可大大改善坯料在穿孔過程中的變形條件，有效抑制產(chǎn)品內(nèi)、外表面缺陷的產(chǎn)生；增加軋輥冷卻水并使冷卻水能沖向毛管，以控制形變熱效應(yīng)溫升，避免材料塑性降低，與軋輥黏合在一起而軋卡；設(shè)計制作專用噴水式內(nèi)水冷頂頭，控制形變熱效應(yīng)溫升，并使水蒸氣形成的蒸汽膜起到潤滑頂頭的作用，避免材料與頂頭黏合在一起而產(chǎn)生軋卡或劃傷毛管內(nèi)表面；設(shè)計制作專用噴水式導(dǎo)板，控制形變熱效應(yīng)溫升，并使水蒸氣形成的蒸汽膜起到潤滑導(dǎo)板的作用，避免材料與導(dǎo)板黏合在一起而產(chǎn)生軋卡或劃傷毛管外表面。

為避免鈦合金管坯接觸冷狀態(tài)的工模具及工裝夾具造成局部溫度不均帶來變形抗力不均，對工模具及工裝夾具需進行預(yù)熱，具體措施為：離線加熱2支3 m左右長度毛管，提前30 min放在穿孔機前臺和孔型內(nèi)，使靜態(tài)工模具溫度達到100℃左右。

穿制鈦合金管坯前應(yīng)先穿1支碳素鋼，調(diào)試孔型并預(yù)熱夾鉗、升降料槽、軋輥、導(dǎo)板（由于碳素鋼采用鈦合金的加熱制度，加熱溫度較低且保溫時間較短，為保證穿孔機不過載，需選用空心毛管進行穿孔），上料方式為夾鉗直接吊運至穿孔機升降料槽，不得通過輥道運輸，以免鈦合金棒材接觸冷輸送輥道產(chǎn)生局部溫差。試孔型料生產(chǎn)時關(guān)閉軋輥冷卻水和頂頭冷卻水，生產(chǎn)完畢測量尺寸后吊至前臺預(yù)熱夾具、運輸設(shè)備，頂頭不進行外水冷，避免鈦合金接觸冷器具產(chǎn)生局部溫降使坯料溫度不均。Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4穿孔工藝參數(shù)見表2。

表2 Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4鈦合金穿孔工藝參數(shù)

2.5 缺陷清理

為避免內(nèi)、外表面缺陷進入下工序使加熱裂紋擴展或軋制裂紋延伸，需在完全清理缺陷以后方能進行后續(xù)研制。

2.6 毛管性能檢測

2.6.1 力學(xué)性能

TC4鈦合金穿孔毛管的力學(xué)性能見表3。由于國家標(biāo)準(zhǔn)尚未涉及大直徑鈦及鈦合金無縫管的力學(xué)性能檢測，測試另參照GB/T 2965—2007《鈦及鈦合金棒材》的要求進行。由表3可以看出，穿孔毛管的力學(xué)性能已完全達到技術(shù)要求。

表3 TC4鈦合金穿孔毛管的力學(xué)性能

圖3 毛管的金相組織

2.6.2 金相組織

毛管的金相組織為粗晶魏氏組織（圖3）。

由于TC4鈦合金的變形抗力在920℃以下會急劇上升［4］，而加熱爐與穿孔機之間的運輸需要較長時間，故為考慮設(shè)備安全和產(chǎn)品成型，將加熱溫度定在1 010℃（高于β轉(zhuǎn)變溫度30℃），經(jīng)過長達1 h以上的保溫后，管坯原始晶粒發(fā)生了較大變化，故經(jīng)過穿孔變形后，組織形貌由無明顯晶界的網(wǎng)籃組織轉(zhuǎn)變?yōu)榇志菏辖M織，魏氏組織為有害的不理想組織，但從材料的力學(xué)性能（特別是沖擊吸收能量指標(biāo)）來看，此結(jié)論在鈦合金的熱變形加工過程后尚待研究。

2.7 再加熱

2.7.1 再加熱制度設(shè)計

由于周期軋制是Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管最主要的變形工藝（變形量52%），是決定最終產(chǎn)品力學(xué)性能和金相組織的關(guān)鍵工序，故其對毛管的加熱制度要求極為嚴格：①為獲得合格的力學(xué)性能和理想的金相組織，要求在相變點以下的α+β兩相區(qū)內(nèi)進行軋制；②實際料溫必須控制在規(guī)定溫度±10℃范圍。

原設(shè)計加熱溫度為950℃，確保軋制變形在980℃β轉(zhuǎn)變溫度以下的α+β兩相區(qū)內(nèi)進行，以期獲得理想的金相組織。后因考慮到臺車爐到軋管機距離較長，軋前溫降預(yù)計達到90℃，而周期軋管機的軋制時間長達4 min，低溫狀態(tài)下鈦合金的變形抗力會急劇上升，軋管機存在過載停車的風(fēng)險，將加熱溫度提高到970℃，高溫段保溫時間延長至3.5 h，既保證軋制變形在兩相區(qū)內(nèi)進行又保護了設(shè)備安全。毛管加熱制度如圖4所示。

2.7.2 再加熱制度執(zhí)行

運輸過程中溫降較大，且周期軋管機的純軋時間長，低溫狀態(tài)下鈦合金的變形抗力會急劇上升，軋管機存在過載停車的風(fēng)險，為確保軋制周期順利，必須采取相應(yīng)措施加以彌補：①冷狀態(tài)在爐頭（溫度最差位置）安裝1只接觸式鎧裝熱電偶，位于毛管內(nèi)孔下部位置，以期精確檢測實際料溫。經(jīng)實際檢測，在低溫段由于TC4鈦合金的導(dǎo)熱率小，到溫時間和均溫時間與設(shè)定相差較大，而到高溫段（900℃）以后，由于熱導(dǎo)率顯著增加，到溫時間和均溫時間與設(shè)定已能達到基本一致；②實際料溫與規(guī)定溫度控制在±10℃范圍，毛管實際加熱曲線如圖5所示。

圖4 毛管加熱制度

圖5 毛管實際加熱曲線

2.8 周期軋制

2.8.1 軋制準(zhǔn)備

（1）工模具。為保證軋輥表面粗糙度滿足軋制需要，要求軋輥表面必須為車削表面，且腐蝕時間≥1周。由于鈦合金與工模具接觸并發(fā)生相對摩擦?xí)r容易黏附在工模具上而造成軋制變形時縱向流動不暢、軋完后抱緊芯棒，因而設(shè)計制作專用的2 000∶1錐度芯棒，保證軋制中金屬的縱向延伸、軋完后順利脫棒。

（2）工模具及走鋼線預(yù)熱。為避免鈦合金坯料接觸冷狀態(tài)的工模具及工裝夾具造成局部溫度不均而使變形抗力不均，對工模具及工裝夾具進行預(yù)熱，具體措施為：試軋1支試孔型料，試孔型料按鈦合金軋管的工藝參數(shù)進行調(diào)整，軋制完成后再退至軋管機前臺預(yù)熱毛管升降臺、活動導(dǎo)槽和夾鉗10 min。

2.8.2 周期軋制

（1）軋制過程及工藝參數(shù)。Φ610 mm×30 mm TC4鈦合金管軋制參數(shù)見表4。

（2）幾何尺寸。TC4鈦合金管的荒管幾何尺寸見表5。

表4 Φ610 mm×30 mm TC4鈦合金管軋制參數(shù)

表5 TC4鈦合金管的荒管幾何尺寸mm

2.9 力學(xué)性能和金相組織

2.9.1 力學(xué)性能

TC4鈦合金管的力學(xué)性能見表6。

由表6可以看出，TC4鈦合金管的力學(xué)性能完全達到 ASME SB 861—2013和 GB/T 2965—2007的技術(shù)要求，且富余量充足。

2.9.2 金相組織

TC4鈦合金管的金相組織為網(wǎng)籃組織（圖6）。由于軋制總變形量達到52%，且周期軋制的變形方式為鍛、軋、擠的三向壓應(yīng)力相結(jié)合，使穿孔毛管的原始晶粒得到充分的破碎變形，且在970℃保溫時間足夠長，使得毛管內(nèi)、中、外溫度已經(jīng)非常均勻，故最終得到比較均勻的網(wǎng)籃組織［4］。

2.10 機加工

TC4鈦合金管的機加工流程見表7。

2.11 成 品

Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4鈦合金成品管尺寸檢測結(jié)果見表8。

表6 TC4鈦合金管的力學(xué)性能

圖6 TC4鈦合金管金相組織

3 結(jié) 語

（1）周期軋管機的變形方式為鍛、軋、擠相結(jié)合的制造工藝，采用該工藝生產(chǎn)的TC4鈦合金管，其產(chǎn)品綜合性能良好，且縱、橫向性能均勻，力學(xué)性能富余量較大。

（2）該大直徑TC4鈦合金熱軋無縫管的研制成功，將國內(nèi)可生產(chǎn)鈦合金熱軋無縫管的規(guī)格外徑上限由219 mm大幅度提高到610 mm，已接近或超過美國及俄羅斯熱軋（不含鍛造和擠壓工藝）鈦合金無縫管的最大直徑。

（3）該TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管的主要變形工序僅采用斜軋穿孔+周期軋管兩道工序，大幅降低了管材的制造成本和制造周期。

表7 TC4鈦合金管的機加工流程

表8 Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4鈦合金機加工成品管尺寸 mm