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        海洋工程用TC4鈦合金管的組織與性能

        發(fā)布時間 :2021-07-10 06:04:41 瀏覽次數(shù) :

        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、地熱、生物和微生物等自然資源,海洋油氣、地熱資源的傳輸以及海底通信光纜的鋪設對深海裝備的研發(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、地熱和天然氣井管道等。美國將 φ(48~610)×26×2600mm 的 TC4 合金管用作地熱、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600×25×15000mm 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 。

        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。

        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。鑄錠化學成分符合 GB/T3620 要求?;瘜W成分見表1。

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        1.2 擠壓成型

        鈦合金導熱性差,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。鈦合金管材在擠壓過程熱效應顯著,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,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。

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        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計要求。

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        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。

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