引言

鈦及鈦合金具有抗腐蝕性能、比強(qiáng)度高、磁導(dǎo)率低等優(yōu)秀性能，鈦合金無(wú)縫管材被較多地應(yīng)用于飛機(jī)管路系統(tǒng)、化工用傳輸管道和船舶用熱交換器管等特種行業(yè)。近年來(lái)，也逐步被應(yīng)用于發(fā)電站用冷凝器、石油開(kāi)采用鉆桿和海水淡化用加熱器等高附加值民用領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，2021 年全球鈦無(wú)縫管市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)了 20 億元，預(yù)計(jì) 2027 年將達(dá)到 29 億元。

鈦從礦石中提取比較困難，且傳統(tǒng)無(wú)縫管制備工藝復(fù)雜、成本高昂，這限制了鈦及鈦合金無(wú)縫管在市場(chǎng)上得到更廣泛的應(yīng)用。由于成本的限制，目前國(guó)內(nèi)外很多民品行業(yè)依然選用傳統(tǒng)的不銹鋼管或者鈦焊接管，而不是性能更為優(yōu)秀的鈦及鈦合金無(wú)縫管。

現(xiàn)階段，除鈦及鈦合金無(wú)縫管材制備主要參照不銹鋼管行業(yè)的設(shè)備和加工工藝進(jìn)行加工，工藝成熟度高，改進(jìn)空間小，無(wú)法有效縮短加工周期和降低加工成本。為了降本增效，本文決定從源頭上進(jìn)行改進(jìn)，規(guī)避了傳統(tǒng)的熔煉、鍛造、穿孔等工序，進(jìn)行了全流程的工藝創(chuàng)新和優(yōu)化。新工藝依次通過(guò)熔煉鑄態(tài)空心管坯、徑向鍛造、雙重退火和機(jī)加工流程，得到鈦合金管材，縮短加工周期的同時(shí)，有效降低了生產(chǎn)成本。

1、國(guó)內(nèi)無(wú)縫管制備技術(shù)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)鈦合金無(wú)縫管制備工藝首先經(jīng)過(guò)熔煉生產(chǎn)柱狀鈦合金錠，并采用熱鍛工藝制備棒材，每火次均需要加熱、保溫、變形和扒皮。棒坯加工完成后，后續(xù)再采用斜軋穿孔、熱擠法等方法制備管坯。最后配以熱軋、冷軋、機(jī)加工等輔助工藝制備成品無(wú)縫管，如圖 1 所示。

棒坯制備工藝生產(chǎn)能耗大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，原材料生產(chǎn)損耗大，成材率低；使用熱擠法穿孔制備管坯時(shí)，由于擠壓法最終需要留出料頭，導(dǎo)致材料利用率偏低，工藝流程長(zhǎng)，且鈦合金變形抗力大，需要較大噸位擠壓設(shè)備，也限制了鈦合金無(wú)縫管的生產(chǎn)。使用斜軋穿孔工藝制備管坯，這種工藝加工周期短，但是由于加工時(shí)溫度高，所以得到的產(chǎn)品組織差，大多數(shù)為網(wǎng)籃組織或者魏氏組織，且設(shè)備占地面積大，能耗高。

2、新型無(wú)縫管制備技術(shù)

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，以快速高效生產(chǎn)低成本的高強(qiáng)高韌鈦合金無(wú)縫管材，本文現(xiàn)提出一種鈦及鈦合金管材的短流程制備方法[1]，包括：鑄鈦管坯生產(chǎn)、徑向鍛造、雙重退火和機(jī)加工流程，得到鈦合金管材，如圖 2。具體表現(xiàn)為直接利用等離子槍或者電子束槍融化原材料生產(chǎn)空心管坯，然后通過(guò)徑向鍛造改良管坯的組織，再利用雙重退火均勻組織和消除徑向鍛造的內(nèi)應(yīng)力，最后采用機(jī)加工保證成品管的表面質(zhì)量和尺寸。直接熔煉生產(chǎn)管坯除了縮短工藝，同時(shí)可以有效去除高低密度夾雜，得到純潔度更高的產(chǎn)品。區(qū)別于傳統(tǒng)的鍛造，徑向鍛造可以直接對(duì)管坯進(jìn)行鍛造， 提高加工效率和材料利用率。雙重退火首先通過(guò)高溫促進(jìn)產(chǎn)品再結(jié)晶，然后進(jìn)行低溫處理均勻化組織的同時(shí)消除內(nèi)應(yīng)力。

3、加工工藝

3.1 鑄態(tài)管坯制備

使用等離子槍或者電子束槍直接對(duì)海綿鈦和中間合金混合物進(jìn)行熔煉，避免了煩瑣的鈦合金壓電極、焊電極和真空熔煉工序的同時(shí)，直接熔煉出高純凈度的管狀空心鑄錠，如圖 3。也可以將傳統(tǒng)柱狀鈦合金鑄錠經(jīng)過(guò)鉆孔工藝得到管坯，然后將鈦屑回收重熔。

3.2 徑向鍛造

將鑄態(tài)管坯加熱至鈦合金 β 相變點(diǎn)以上，再進(jìn)行三次徑向鍛造，然后經(jīng)過(guò)雙重?zé)崽幚恚詈蟮玫匠善饭芘鳎鐖D 4。區(qū)別于傳統(tǒng)的鍛造，徑向鍛造可以直接對(duì)管坯進(jìn)行鍛造，提高加工效率和材料利用率的同時(shí)，通過(guò)大量變形使得管坯的鑄態(tài)晶粒被充分破壞，再使用高速錘擊，使得晶粒得到細(xì)化，從而使得管坯的致密性、連續(xù)性以及力學(xué)性能得到提高，得到優(yōu)秀的組織。

徑向鍛造前，管坯中間插入芯棒，并裝夾到徑向鍛造機(jī)上，且第一夾頭夾持在管坯的一端，錘頭位于管坯的另一端，第二夾頭夾持在與錘頭同一端的芯棒上；三次鍛造前，均需更換芯棒，所述芯棒的直徑比裝夾的管坯的內(nèi)徑小 15 ～ 20 mm，如圖 5。

加熱溫度在鈦合金 β 相變點(diǎn)以上 80 ～ 100 ℃，保溫時(shí)間≥ 2 h；多次徑向鍛造包括三次徑向鍛造。

第一次徑向鍛造中，采用四個(gè)平面錘頭，并控制管坯沿中心軸方向移動(dòng)[2]，移動(dòng)的速度為 1 ～ 3 m/min，錘擊速度為 1 000 ～ 2 000 n/min，管坯變形量控制在 40% ～80%。第一次徑向鍛造后，得到的管坯，其截面呈外正方形內(nèi)圓形的形狀，如圖 6。

第二次徑向鍛造中，采用四個(gè)平面錘頭，控制管坯繞自身軸向旋轉(zhuǎn) 40 ～ 50°后，開(kāi)始鍛造，并使管坯沿中心軸方向移動(dòng)，移動(dòng)的速度為 3 ～ 5 m/min，錘擊速度為2 000 ～ 3 000 n/min，管坯變形量控制在 30% ～ 60%。第二次徑向鍛造后，得到的管坯，其截面呈外八邊形內(nèi)圓形的形狀，如圖 7。

第三次徑向鍛造前，均需更換芯棒，所述芯棒的直徑比裝夾的管坯的內(nèi)徑小 15 ～ 20 mm。鍛造時(shí)，采用四個(gè)曲面錘頭，所述曲面錘頭的曲面直徑比管坯的外徑大80 ～ 120 mm。待工件溫度降低到鈦合金 β 相變點(diǎn)以下 40～ 60 ℃，并控制管坯進(jìn)行自轉(zhuǎn)及沿中心軸方向移動(dòng)，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 300 ～ 600 rpm，移動(dòng)的速度為 3 ～ 5 m/min，錘擊速度為 50 ～ 100 n/min，管坯變形量控制在 30% ～40%。第三次徑向鍛造后，產(chǎn)品恢復(fù)為圓形管坯，鈦合金管材的總體形變量≥ 100%。

將管坯加熱至鈦合金 β 相變點(diǎn)以上 80 ～ 100 ℃，再進(jìn)行三次徑向鍛造，經(jīng)過(guò)高速錘擊，使管坯的溫度升高，從而減小變形抗力，但同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)溫度過(guò)熱燒壞工件的情況 [3]；且在三次鍛造的過(guò)程中，管坯的外管在鍛造中，由圓形鍛造成正方形，再由正方形鍛造成八邊形，最后由八邊形再鍛造回圓形，使得管坯的鑄態(tài)晶粒被充分破壞，再經(jīng)過(guò)高速錘擊，加大管坯的變形量，使得晶粒得到細(xì)化，從而使得管坯的致密性、連續(xù)性以及力學(xué)性能得到提高，力學(xué)性能提高 15% 以上，且直接得到等軸或雙態(tài)組織。

3.3 雙重退火

將徑向鍛造后的鍛態(tài)管坯進(jìn)行雙重退火，通過(guò)高溫促進(jìn)組織的再結(jié)晶，消除鍛造變形的影響，再利用低溫處理，消除熱應(yīng)力的同時(shí)，進(jìn)一步均勻組織。具體工藝如下：先將經(jīng)過(guò)多次徑向鍛造后的鈦合金管加熱到 850 ～930 ℃，并保溫 0.5 ～ 5h后空冷至室溫；再次加熱到 450～ 550 ℃。并保溫 0.5 ～ 5h后空冷至室溫，消除管材內(nèi)應(yīng)力。

3.4 機(jī)械加工

將退火態(tài)鈦合金管進(jìn)行機(jī)械加工，以達(dá)到尺寸、表面粗糙度的精度要求，得到所需的鈦合金管材。

4、樣件試制

通 過(guò) 上 文 所 述 短 流 程 生 產(chǎn) 工 藝 生 產(chǎn) ODФ200*IDФ150 mm 規(guī)格的 TC4 鈦合金無(wú)縫管[4]。

S1：準(zhǔn)備 ODФ520 mm*IDФ200 mm 的鑄態(tài)鈦合金管材坯料。

S2：將管坯表面涂抹防氧化涂層，加熱到 1 070 ℃，并保溫 6 h。

S3：將管坯料裝夾到徑向鍛造機(jī)上，第一夾頭夾持管坯。另準(zhǔn)備 Ф180 mm 芯棒一根，插入管坯內(nèi)，錘頭在管坯的另一端，且該端的芯棒具有 60°的錐度，第二夾頭夾 持在與錘頭同一端的芯棒上。

S4：第一次徑向鍛造，管坯變形量 60%，四個(gè)錘頭作徑向往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，錘擊速度 1 500 n/min，第一夾頭和第二夾頭控制管坯和芯棒沿中心軸方向移動(dòng)，移動(dòng)的速度為 2 m/min，得到截面為外正方形內(nèi)圓形的管坯。

S5： 第 二 次 徑 向 鍛 造， 更 換 芯 棒， 芯 棒 尺 寸 為Ф160 mm，芯棒和管坯的夾持方式與步驟 S3 相同，管坯繞自身軸向旋轉(zhuǎn) 45°后開(kāi)始鍛造，管坯變形量在 60%，四個(gè) 錘頭作徑向往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，錘擊速度 2 500 n/min，第一夾頭和第二夾頭控制管坯和芯棒沿中心軸方向移動(dòng)，移動(dòng)的速度為 4 m/min，得到截面為外八邊形內(nèi)圓形的管坯。

S6：更換芯棒，芯棒尺寸為 Ф140 mm，芯棒和管坯的夾持方式與步驟 S3 相同，等工件溫度空冷到 930 ℃開(kāi)始第三次徑向鍛造，管坯變形量在 40%，四個(gè)錘頭作徑向往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，錘擊速度 70 n/min，第一夾頭和第二夾頭控制管坯和芯棒進(jìn)行自轉(zhuǎn)及沿中心軸方向移動(dòng)，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 550 rpm，移動(dòng)的速度為 4 m/min，管坯尺寸變?yōu)镺DФ210 mm*IDФ140 mm。

第三次徑向鍛造后，管坯的總變形量為 160%。其中曲面錘頭的曲面直徑為 360 mm。

S7：將 S6 所得的無(wú)縫管材進(jìn)行雙重退火，雙重退火首先加熱到 900 ℃，保溫 3 h 后空冷至室溫，再次加熱到500 ℃保溫 3 h 后空冷至室溫，使亞穩(wěn)相全部分解，管材內(nèi)應(yīng)力完全消除。

S8：將 S7 所得雙重退火態(tài)鈦合金管進(jìn)行車(chē)削加工，使管材直徑加工至 ODФ200 mm*IDФ150 mm，得到優(yōu)良組織的鈦合金無(wú)縫成品管。

利用上述短流程工藝制備的鈦合金無(wú)縫管材，從鑄錠到成品管，總共花費(fèi)的時(shí)間不到 16 h，成本約 120 元 /kg，加工周期短，成本低[5]。

對(duì)上述鈦合金管材進(jìn)行性能測(cè)試，其金相測(cè)試結(jié)果顯示，組織形態(tài)為等軸（圖 8）或雙態(tài)組織（圖 9）；其抗拉強(qiáng)度為 900 ～ 950 MPa，屈服強(qiáng)度 880 ～ 920 MPa，斷后收縮率 20%，斷后延伸率 40%。

5、結(jié)論

綜上所述，本文所述的高強(qiáng)高韌鈦合金無(wú)縫管材制備技術(shù)，從管坯加熱工序開(kāi)始，加熱溫度低，保溫時(shí)間短，且直接經(jīng)過(guò)三次徑向鍛造就可以直接得到具有優(yōu)良組織以及優(yōu)異 力學(xué)性能的鈦合金管材，一體成型，材料利用率高，且整個(gè)工藝加工周期短、能耗低，從而降低了成本，更有利于工業(yè)化生產(chǎn)，可以用于高強(qiáng)高韌鈦合金無(wú)縫管材的批量生產(chǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

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[2] 車(chē)永平，田宇興，張亞峰，等 . 近 β 型 TLM 鈦合金細(xì)徑薄壁管材力學(xué)行為研究 [J]. 稀有金屬材料與工程，2016，45(4):923-927.

[3] 董恩濤 . 高強(qiáng) α+β 鈦合金無(wú)縫管熱軋工藝及組織性能調(diào)控研究 [D]. 北京 : 北京科技大學(xué)，2022.

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[5] 吳捍疆，張豐收，燕根鵬 . 基于數(shù)值模擬的 TC4 鈦合金航空葉片精鍛過(guò)程的金屬流動(dòng)規(guī)律 [J]. 鍛壓技術(shù)，2020，45(2):7-14.

作者簡(jiǎn)介：王長(zhǎng)江（1985— ），男，江蘇無(wú)錫，本科，工程師，研究方向：鈦及鈦合金制備技術(shù)和設(shè)備。

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