深海工程用TC4鈦合金管的性能及加工工藝

發(fā)布時間：2022-10-01 09:56:56 瀏覽次數(shù) ：

前言

21世紀(jì)是海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展時代，海洋資源是經(jīng)濟(jì)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)?、生物和微生物等自然資源，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(qiáng)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。

鈦合金管

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?。美國將?48~610) ×26×2600mm的TC 4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Φ600×25×15000mmTC4ELI合金管。俄羅斯VS MPO公司生產(chǎn)的含Pd、Ru的合金及Ti-6A 1-4V合金管用于石油開采【¹】。

TC4(Ti-6A1-4V)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(jī)【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(zhǔn)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a+β區(qū)多火次鍛造成Φ270mm棒坯，經(jīng)機(jī)械加工制成擠壓坯料，坯料采用雙包套進(jìn)行表面防護(hù)與潤滑。用3150t臥式擠壓機(jī)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(jī)加內(nèi)外表面，得到D140×4mm的成品TC4管材。鑄錠化學(xué)成分符合GB/T3620要求。化學(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(yán)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(yán)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(jìn)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。