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海洋工程用TC4钛合金管材组织与性能

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 摘 要:为了满足海洋工程深海油气传输,以及深海通信光缆的工况需求,本试验针对Φ140×4(壁厚)×4000mm典型规格的TC4钛合金挤压管材进行试制,旨在掌握管材组织、性能与加工工艺的关系,为深海工程用大规格钛合金管材的生产做好技术准备。
  关键词:海洋工程;TC4钛合金;挤压;管材
  前言
  21世纪是海洋经济可持续发展时代,海洋资源是经济发展的重要板块。辽阔的海洋蕴藏着极其丰富的油气、金属矿物、地热、生物和微生物等自然资源,海洋油气、地热资源的传输以及海底通信光缆的铺设对深海装备的研发提出了更高的要求。钛合金具有密度小、比强度高、在海水中不腐蚀等优点,因此成了深海装备制造的首选材料。
  随着石油、天然气钻采步伐的加快,大直径热挤压钛合金管需求也随之增加。这种管材主要用作油井、地热和天然气井管道等。美国将Φ(48~610)×26×2600mm的TC4合金管用作地热、海上钻井管道。美国RMI公司生产的Φ650×(22~25)×35000mm超长Ti-3Al-2.5V合金管用于海底石油开采。挪威北海钻井支撑平台立管用的是Φ600×25×15000mm TC4ELI合金管。俄罗斯VSMPO公司生产的含Pd、Ru的合金及Ti-6Al-4V合金管用于石油开采[1]。
  TC4(Ti-6Al-4V)钛合金具有优异的综合性能,其良好的工艺塑性和超塑性适合于各种压力加工成形,在航空和航天工业中获得广泛的应用,可用于制作工作温度在400℃以下的各类零件,占钛合金使用量的50%以上。大规格钛合金管材均采用热挤压的方法生产,技术成熟、关键在于是否具备大型挤压机[2]。
  本研究工作,通过开展Φ140×4(壁厚)×4000mm典型规格的TC4钛合金挤压管材的试制,旨在掌握管材组织、性能与加工工艺的关系,为深海工程用大规格钛合金管材的生产做好技术准备。
  1 试验方法
  1.1 试验方案
  试验采用宝鸡钛业股份有限公司经两次真空自耗电弧炉生产的TC4钛合金铸锭,在β和α+β区多火次锻造成Φ270mm棒坯,经机械加工制成挤压坯料,坯料采用双包套进行表面防护与润滑。用3150t卧式挤压机在两相区挤压成型得到管坯,在线矫直后碱酸洗表面氧化皮,然后机加内外表面,得到Φ140×4mm的成品TC4管材。铸锭化学成分符合GB/T3620要求。化学成分见表1。
  1.2 挤压成型
  钛合金导热性差,坯料表层与中心层易产生较大的温度差,促使金属流动不均匀性加剧,这样表层就产生较大的附加拉应力,在产品表面易形成裂纹。严重时,在挤压棒材及管材上可能产生大的挤压缩孔[3]。钛合金管材在挤压过程热效应显著,严重时可造成挤压管材的组织过热,从而影响产品的组织和性能。因此,挤压参数、工艺的合理选择非常重要。本次试验根据前期研制经验,锭坯在950℃加热,采用3~10的挤压比,另外选择50~120毫米/秒的挤压速度进行挤压,避免产生热效应,使制品表面质量和性能变劣。挤压变形图见图1,挤压管材成品见图2。
  2 试验结果与讨论
  2.1 表面及尺寸
  挤压管材表面质量较好,管材直线度较好,经过机械加工后的管材尺寸满足设计要求。
  2.2 显微组织
  钛合金挤压管材在相变点以下40~50℃加热,在两相区挤压变形,并合理控制变形速率,避免变形温升,管材显微组织均为两相区加工组织,显微组织晶粒沿受力方向被压扁、拉长。
  2.3 力学性能
  挤压管材及经750℃/1h空冷退火处理后切取试样进行室温力学性能测试,各项指标匹配良好,可满足设计、使用要求。
  3 结束语
  (1)采用热挤压成形,选用合理的工艺参数,制取的TC4钛合金管材组织、性能优异。
  (2)管材各项指标均达到了设计要求,可用于海底油气资源输送管道。
  参考文献
  [1]林永新.钛及钛合金管材生产现状[J].稀有金属快报,2005,24(2).
  [2]韩明臣,等.大口径TC4钛合金管材的挤压组织与性能[J].钛工业进展,2014,31(5).

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