CN104831120A - 钛合金无缝管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钛合金及加工方法技术领域，公开了一种钛合金无缝管及其制造方法。其主要技术特征为：包括管体，所述管体包括有下列重量份的成分：Ti：90份；V：3.5～4.5份；Al：5.5～6.5份；Ru：0.08～0.12份；Fe≤0.28份；O≤0.13份；C≤0.07份；N≤0.03份；H≤0.015份。在坯料上反复均匀涂覆防氧化涂层，经过加热、斜轧穿孔变形、加热并控制温度在850～780℃进行轧管变形，并控制温度在850～780℃情况下进行多道次定减径变形最后矫直并喷丸处理，得到成品的钛合金管产品。该方法具有工序简单、制造过程更环保、制造钛合金管尺寸范围较宽、制造产品的显微组织和力学性能好、钛合金管表面缺陷少等优点。制成的钛合金无缝管具有低成本和易锻造的加工性能、高耐腐蚀性能等特性，广泛应用于复杂腐蚀环境中。
Description
技术领域
本发明属于无缝管材及其制造方法技术领域，尤其涉及一种钛合金无缝管及其制造方法。
背景技术
钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构材料，钛合金是以Ti为基体加入其他元素组成的合金，钛及钛合金因具有低密度、高比强、耐高温、耐腐蚀、无磁性、生物相容性好等优异的综合性能，在航空、航天、舰船、兵器、石油、化工、医疗等领域得到广泛的应用，受到世界各国的高度重视。
钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面：
1）比强度高，钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686~1176Mpa，而密度仅为钢的3/5，铜的一半，比强度很高。
2）硬度较高，钛合金（退火态）的硬度为HRC32~38。
3）弹性模量低，钛合金（退火态）的弹性模量为107.8~117.6Gpa，约为钢和不锈钢的一半，易于挠曲。在某些情况下，可以利用钛合金的比值大的特点制作弹性元件。
4）高温和低温性能优良。在高温下钛合金仍能保持良好的力学性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600℃。在低温下，钛合金的强度反而比在常温时有所增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在-253℃还能保持良好的韧性。
5）钛的抗腐烛性强。钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐烛性优于大多数不锈钢。特别是在海水和海洋大气环境中抗蚀性极高此外纯钛在碱溶液中和大多数有机酸和化合物中的抗蚀性也很高；而且钛合金的腐烛性能的突出特点是不发生局部腐烛和晶间腐烛，一般为均匀腐烛。
6）钛具有强烈的钝化倾向。钛与氧有很强的亲合力，在空气中或含氧的介质中，钛表面会生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损氧化膜受到损伤，亦会很快自愈。
由于钛合金在600℃以下的热导率不到不锈钢的一半，因此，在变形过程中易升温、难传热；钛合金密度小、比热容与钢相当，在900℃以下钛合金管的温降快。受相变温度和变形抗力随变形温度剧烈变化的规律影响，部分钛合金的热加工温度窗口窄（如α+β型钛合金）。由于钛合金这些特点，使得钛合金管热加工困难，尤其是中厚壁（径壁比12～20）和薄壁管（径壁比大于20～25）。
钛及钛合金管的制造方法多种多样，主要包括：热挤压、热轧、冷变形和焊接或多种方法的组合等方式，主要方法包括以下几个方面：
（1）挤压法：是采用挤压机将实心圆坯料或空心圆坯料经过内外模具挤压成管的方法（如专利公开文献CN103316941A），该方法的优点是能制造塑性低的钛合金、镍基合金等金属管材，缺点是由挤压比(多限制挤压比<15)的限制，制造管材的径壁比较大的厚壁管或管坯。另外，为获得好的钛管表面质量，需要对钛合金管坯做铜包覆处理，但在高温时铜与钛会发生反应，生成Cu3Ti金属间化合物，发生界面复合，因此铜层去除困难。
（2）挤压-冷轧/冷拔：就是采用热挤压方法获得的管坯，在表面处理后进行冷轧或冷拔，然后退火消除加工硬化和调整组织、力学性能。受钛合金加工特性的限制，为了保证管材的壁厚和性能，薄壁管往往需要多次冷轧、退火处理（如专利公开文献CN 102626724B）。该方法的优点是：生成钛或钛合金管的表面质量高，尺寸精度高，性能均匀性好；缺点是：表面处理往往采用强酸（如专利公开文献CN 104308461A中采用HF2酸和HNO3），酸洗易造成污染环境，制造周期长，生产单位能耗高，成材率较低，生产成本高。
（3）温轧法：是将钛或钛合金坯料在保护气氛下加热到其再结晶温度以下，进行充分预热（500℃～700℃），通过高速、大变形轧制产生的变形热将坯料升温到再结晶温度（如850℃～1250℃），变形后进行快速冷却（100℃/s～160℃/s）的形变热处理工艺方法（如ZL 1172758C）。该方法的优点是工序少、成本低。
（4）穿孔-冷轧法：就是通过穿孔方法获得的管坯（毛管），其后进行冷轧或冷拔、退火，获得成品尺寸、组织、力学性能的方法。其工艺与挤压-冷轧/冷拔方法类似。受钛合金加工特性的限制，为了保证管材的壁厚和性能，薄壁管往往需要多次冷轧、退火处理。与挤压法的区别是，由于穿孔方法可以获得更长的毛管坯料，因此，经过冷加工后可以制作更长的钛管，提高材料率。专利公开文献CN101190444A，CN 104308461A，CN104138927A给出了类似的方法。
（5）焊接法：就是采用钛及钛合金坯料经过加热轧制成带材，带材经过剪切、冷弯成形和气体保护快速熔焊方式，进行堆焊快速成形的制备方法（如专利公开文献CN 103231218A）。当然，还可以在此基础上进一步对焊接钛、钛合金管进行冷轧、热处理，获得无缝化处理的管材（如专利公开文献CN 102581062 A）。该方法具有操作方法简单，成形效率高，设备简便，生产成本低40%，使用范围广等优点，在生产小口径、薄壁和超长管上有优势。但焊缝的存在影响了其周向性能一致性，限制了钛合金焊接管的使用范围；另外，焊接管的圆度上比无缝管低，受焊接方法限制，焊机法多用于制造薄壁管材。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题就是提供一种高断裂韧性、高抗疲劳断裂性能和高延伸性能、高耐腐蚀性能、使用寿命长的钛合金无缝管。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：包括管体，所述管体包括有下列重量份的成分：Ti：90份；V：3.5～4.5份；Al：5.5～6.5份；Ru：0.08～0.12份；Fe≤0.28份；O≤0.13份；C≤0.07份；N≤0.03份；H≤0.015份。
其附加技术特征为：
所述Ti：90份；V：3.9～4.1份；Al：5.9～6.1份；Ru：0.09～0.10份；Fe≤0.16份；O≤0.10份；C≤0.04份；N≤0.02份；H≤0.01份；
所述管体还包括有下列重量份的材料：Bi：0.03～0.08份；Po：0.05～0.07份；Pt：0.02～0.04份；Ir: 0.03～0.08份。
本发明解决的第二个技术问题就是提供一种上述钛合金无缝管的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：该方法包括下列步骤：
第一步，在坯料上反复均匀涂覆防氧化涂层，至涂层厚度在0.10-1.0mm，等涂层干燥；
第二步，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至590-600℃，在加热段加热至890～1030℃，并保持该温度；
第三步，将加热的坯料进行斜轧穿孔变形，得到高温的空心毛管；
第四步，对高温的空心毛管轧管变形，得到所需尺寸的荒管，在空心毛管进入变形区前将的空心毛管加热，并对加热温度进行控制，使轧管前的毛管温度到达850～750℃，轧管出口的温度控制在850～780℃；
第五步，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在850～780℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度850～780℃，最终得到轧成的钛合金管；
第六步，定减径后的钛合金管材冷却至700℃～350℃进行热矫直；
第七步：冷却后管材喷丸处理，得到成品的钛合金管产品。
其附加技术特征为：
在所述第二步中，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至600℃，在加热段加热至910～950℃，并保持该温度；在所述第四步中，使轧管前的毛管温度到达830～800℃，轧管出口的温度控制在830～800℃；在所述第五步中，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在830～800℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度830～800℃。
本发明所提供的钛合金无缝管与现有技术相比，具有以下优点：其一，由于包括管体，所述管体包括有下列重量份的成分：Ti：90份；V：3.5～4.5份；Al：5.5～6.5份；Ru：0.08～0.12份；Fe≤0.28份；O≤0.13份；C≤0.07份；N≤0.03份；H≤0.015份，耐腐蚀性强，特别适合于330℃以下海水、含有甜气、酸性气体的盐水环境和pH值低于2.3时的环境；具有低成本和易锻造的加工性能，适合于无缝管生产，所制备的无缝管具有良好的机械加工性，类似于双相不锈钢；优良的可焊性；仅（α-β）两相，无有害相或析出物，无需时效处理；高断裂韧性、疲抗劳断裂性能和延伸性性；其二，由于所述管体还包括有下列重量份的材料：Bi：0.03～0.08份；Po：0.05～0.07份；Pt：0.02～0.04份；Ir: 0.03～0.08份，耐腐蚀更强，特别适合在热的酸性油井中使用，如:高的H2S气体分压，或有单质硫存在，油气井下温度超过165℃，富含氯化物水相，井深超过4880m等多重因素、复杂腐蚀环境的深井。
本发明所述的钛合金无缝管制造方法具有以下特点：
第一，工序简单。无需一个或多个周期的冷轧（或冷拔）和退火，只有一个周期的热变形就可以得到所需要钛合金产品，。
第二，制造过程更环保。制造过程无需酸洗、润滑、脱脂等可能导致环境污染的过程，制造经过热变形和机械式表面处理的喷丸工序，只有可控范围的少量粉尘排放。
第三，制造钛合金管尺寸范围较宽：适合实现径壁比12～25的厚壁和中厚壁钛合金无缝管制造；可生产长度达25m的钛合金管，也可根据需要再将轧后长管分割成指定长度。
第四，制造产品的显微组织和力学性能好。制造过程中，变形过程温度严格可控，可有效保障变形在最佳窗口完成，从而保证了钛合金管的组织与力学性能。
第五，钛合金管表面缺陷少。由于及时弥补钛合金荒管和毛管表面温降，减少了轧制变形和定减径变形过程中内外表面温差，可有效控制变形失稳导致的内表面缺陷。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明钛合金无缝管的结构和使用原理做进一步详细说明。
本发明钛合金无缝管包括管体，所述管体包括有下列重量份的成分：Ti：90份；V：3.5～4.5份；Al：5.5～6.5份；Ru：0.08～0.12份；Fe≤0.28份；O≤0.13份；C≤0.07份；N≤0.03份；H≤0.015份。
作为本发明的进一步改进，所述Ti：90份；V：3.9～4.1份；Al：5.9～6.1份；Ru：0.09～0.10份；Fe≤0.16份；O≤0.10份；C≤0.04份；N≤0.02份；H≤0.01份；
所述管体还包括有下列重量份的材料：Bi：0.03～0.08份；Po：0.05～0.07份；Pt：0.02～0.04份；Ir: 0.03～0.08份。
上述钛合金无缝管的制造方法包括下列步骤：
第一步，在坯料上反复均匀涂覆防氧化涂层，至涂层厚度在0.10-1.0mm，等涂层干燥；
第二步，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至590-600℃，在加热段加热至890～1030℃，并保持该温度；
第三步，将加热的坯料进行斜轧穿孔变形，得到高温的空心毛管；
第四步，对高温的空心毛管轧管变形，得到所需尺寸的荒管，在空心毛管进入变形区前将的空心毛管加热，并对加热温度进行控制，使轧管前的毛管温度到达850～750℃，轧管出口的温度控制在850～780℃；
第五步，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在850～780℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度850～780℃，最终得到轧成的钛合金管；
第六步，定减径后的钛合金管材冷却至700℃～350℃进行热矫直；
第七步：冷却后管材喷丸处理，得到成品的钛合金管产品。
作为进一步改进，在所述第二步中，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至600℃，在加热段加热至910～950℃，并保持该温度；在所述第四步中，使轧管前的毛管温度到达830～800℃，轧管出口的温度控制在830～800℃；在所述第五步中，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在830～800℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度830～800℃。
实施例1
管体包括有下列重量份的成分：Ti：90份；V：3.5份；Al：5.5份；Ru：0.08份；Fe：0.28份；O：0.13份；C：0.07份；N：0.03份；H：0.015份。
第一步，经过机械加工和探伤合格的钛合金，在坯料上反复均匀涂覆防氧化涂层，至涂层厚度在0.10mm，等涂层干燥；
第二步，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至590℃，在加热段加热至890℃，并保持该温度；
第三步，将加热的坯料进行斜轧穿孔变形，得到高温的空心毛管；
第四步，对高温的空心毛管轧管变形，得到所需尺寸的荒管，在空心毛管进入变形区前将的空心毛管加热，并对加热温度进行控制，使轧管前的毛管温度到达850℃，轧管出口的温度控制在850℃；
第五步，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在850℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度850℃，最终得到轧成的钛合金管；
第六步，定减径后的钛合金管材冷却至700℃℃进行热矫直；
第七步：冷却后管材喷丸处理，得到成品的钛合金管产品。
实施例2
管体包括有下列重量份的成分：Ti：90份；V： 4.5份；Al： 6.5份；Ru： 0.12份；Fe：0.20份；O：0.1份；C：0.05份；N：0.02份；H：0.01份。
第一步，在坯料上反复均匀涂覆防氧化涂层，至涂层厚度在1.0mm，等涂层干燥；
第二步，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至600℃，在加热段加热至1030℃，并保持该温度；
第三步，将加热的坯料进行斜轧穿孔变形，得到高温的空心毛管；
第四步，对高温的空心毛管轧管变形，得到所需尺寸的荒管，在空心毛管进入变形区前将的空心毛管加热，并对加热温度进行控制，使轧管前的毛管温度到达750℃，轧管出口的温度控制在780℃；
第五步，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在780℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度780℃，最终得到轧成的钛合金管；
第六步，定减径后的钛合金管材冷却至350℃进行热矫直；
第七步：冷却后管材喷丸处理，得到成品的钛合金管产品。
实施例3
所述管体包括有下列重量份的成分：Ti ：90份；V：3.9份；Al：5.9份；Ru：0.09份；Fe：0.16份；O：0.10份；C：0.04份；N：0.02份；H：0.01份。
第一步，在坯料上反复均匀涂覆防氧化涂层，至涂层厚度在0.10-1.0mm，等涂层干燥；
第二步，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至595℃，在加热段加热至910℃，并保持该温度；
第三步，将加热的坯料进行斜轧穿孔变形，得到高温的空心毛管；
第四步，对高温的空心毛管轧管变形，得到所需尺寸的荒管，在空心毛管进入变形区前将的空心毛管加热，并对加热温度进行控制，使轧管前的毛管温度到达830℃，轧管出口的温度控制在830℃；
第五步，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在830℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度830℃，最终得到轧成的钛合金管；
第六步，定减径后的钛合金管材冷却至450℃进行热矫直；
第七步：冷却后管材喷丸处理，得到成品的钛合金管产品。
实施例4
所述管体包括有下列重量份的成分：Ti：90份；V：4.1份；Al： 6.1份；Ru：0.10份；Fe：0.12份；O：0. 05份；N：0.01份；Bi：0.03份；Po：0.05份；Pt：0.02份；Ir: 0.03份。
第一步，在坯料上反复均匀涂覆防氧化涂层，至涂层厚度在0.5mm，等涂层干燥；
第二步，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至590℃，在加热段加热至950℃，并保持该温度；
第三步，将加热的坯料进行斜轧穿孔变形，得到高温的空心毛管；
第四步，对高温的空心毛管轧管变形，得到所需尺寸的荒管，在空心毛管进入变形区前将的空心毛管加热，并对加热温度进行控制，使轧管前的毛管温度到达800℃，轧管出口的温度控制在800℃；
第五步，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在800℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度800℃，最终得到轧成的钛合金管；
第六步，定减径后的钛合金管材冷却至480℃进行热矫直；
第七步：冷却后管材喷丸处理，得到成品的钛合金管产品。
实施例5
所述管体包括有下列重量份的成分：Ti：90份；V：4.1份；Al： 6.1份；Ru：0.10份；Fe：0.12份；O：0. 05份；N：0.01份；Bi：0.08份；Po：0.07份；Pt：0.04份；Ir: 0.08份。
第一步，在坯料上反复均匀涂覆防氧化涂层，至涂层厚度在0.4mm，等涂层干燥；
第二步，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至593℃，在加热段加热至930℃，并保持该温度；
第三步，将加热的坯料进行斜轧穿孔变形，得到高温的空心毛管；
第四步，对高温的空心毛管轧管变形，得到所需尺寸的荒管，在空心毛管进入变形区前将的空心毛管加热，并对加热温度进行控制，使轧管前的毛管温度到达820℃，轧管出口的温度控制在810℃；
第五步，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在8150，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度825℃，最终得到轧成的钛合金管；
第六步，定减径后的钛合金管材冷却至500℃进行热矫直；
第七步：冷却后管材喷丸处理，得到成品的钛合金管产品。
实施例6
所述管体包括有下列重量份的成分：Ti：90份；V：4.1份；Al： 6.1份；Ru：0.10份；Fe：0.12份；O：0. 05份；N：0.01份；Bi：0.05份；Po：0.06份；Pt：0.03份；Ir: 0.05份。
第一步，在坯料上反复均匀涂覆防氧化涂层，至涂层厚度在0.7mm，等涂层干燥；
第二步，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至598℃，在加热段加热至915℃，并保持该温度；
第三步，将加热的坯料进行斜轧穿孔变形，得到高温的空心毛管；
第四步，对高温的空心毛管轧管变形，得到所需尺寸的荒管，在空心毛管进入变形区前将的空心毛管加热，并对加热温度进行控制，使轧管前的毛管温度到达815℃，轧管出口的温度控制在820℃；
第五步，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在825℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度815℃，最终得到轧成的钛合金管；
第六步，定减径后的钛合金管材冷却至400℃进行热矫直；
第七步：冷却后管材喷丸处理，得到成品的钛合金管产品。
本发明的保护范围不仅仅局限于上述实施例，只要结构与本发明钛合金无缝管结构相同，就落在本发明保护的范围。
Claims (5)
1.钛合金无缝管，包括管体，其特征在于：所述管体包括有下列重量份的成分：Ti：90份；V：3.5～4.5份；Al：5.5～6.5份；Ru：0.08～0.12份；Fe≤0.28份；O≤0.13份；C≤0.07份；N≤0.03份；H≤0.015份。
2.根据权利要求1所述的钛合金无缝管，其特征在于：所述Ti：90份；V：3.9～4.1份；Al：5.9～6.1份；Ru：0.09～0.10份；Fe≤0.16份；O≤0.10份；C≤0.04份；N≤0.02份；H≤0.01份。
3.根据权利要求1所述的钛合金无缝管，其特征在于：所述管体还包括有下列重量份的材料：Bi：0.03～0.08份；Po：0.05～0.07份；Pt：0.02～0.04份；Ir: 0.03～0.08份。
4.权利要求1、2或3所述的钛合金无缝管的制备方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：
第一步，在坯料上反复均匀涂覆防氧化涂层，至涂层厚度在0.10-1.0mm，等涂层干燥；
第二步，将坯料在坯料加热炉预热段充分预热至590-600℃，在加热段加热至890～1030℃，并保持该温度；
第三步，将加热的坯料进行斜轧穿孔变形，得到高温的空心毛管；
第四步，对高温的空心毛管轧管变形，得到所需尺寸的荒管，在空心毛管进入变形区前将的空心毛管加热，并对加热温度进行控制，使轧管前的毛管温度到达850～750℃，轧管出口的温度控制在850～780℃；
第五步，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在850～780℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度850～780℃，最终得到轧成的钛合金管；
第六步，定减径后的钛合金管材冷却至700℃～350℃进行热矫直；
第七步：冷却后管材喷丸处理，得到成品的钛合金管产品。
5.根据权利要求4所述的钛合金无缝管的制备方法，其特征在于：在所述第二步中，将坯料加热至910～950℃，并保持该温度；在所述第四步中，使轧管前的毛管温度到达830～800℃，轧管出口的温度控制在830～800℃；在所述第五步中，荒管经过再加热升温和均温后，温度控制在830～800℃，进行多道次定减径变形，在定减径变形道次间对管材进行加热，定减径出口温度830～800℃。
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