發(fā)布日期：2021-9-8 23:31:51
自 1950 年美國(guó)鈦金屬公司生產(chǎn)的第一個(gè)鈦合金產(chǎn)品問世以來，已研制出的鈦合金有數(shù)百種，其中應(yīng)用較廣泛的有： Ti-6Al-4V 、 Ti-5Al-2.5Sn 、 Ti-6242 、Ti-6246 、 Ti-1023 等合金。 目前我國(guó)鈦加工材料每年的產(chǎn)量大約在 5×10 4 t ，其中管材的產(chǎn)量約占 20% [1] 。鈦管相對(duì)傳統(tǒng)鋼管、不銹鋼管、銅合金管等有很多優(yōu)點(diǎn)，如，耐腐蝕性好，特別是耐海水腐蝕、生物腐蝕；比強(qiáng)度高，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時(shí)，可以達(dá)到減重的目的；合金種類多，可滿足各個(gè)領(lǐng)域的使用要求；生物相容性好，能穩(wěn)定存在在生物體組織中；加工性能好，容易焊接等。由于鈦管材的加工難度大，對(duì)設(shè)備要求高，在我國(guó)鈦管的應(yīng)用受到限制， 主要還是以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼管為主。但國(guó)外，鈦合金管材已在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是在航空、航天中。 本文主要總結(jié)了鈦合金無縫管的研制技術(shù)、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，為其在各領(lǐng)域廣泛和成熟的應(yīng)用提供指導(dǎo)。
1、鈦合金無縫管材研制現(xiàn)狀
目前國(guó)際上鈦管材的制造工藝已基本成熟。 管坯的制造主要有鉆孔擠壓和斜軋穿孔，再通過軋制、拉拔、 旋壓等方法制備出不同規(guī)格和用途的成品管材。 對(duì)于低強(qiáng)度、 低合金化的鈦材 （如 TA1 、 TA2 、TA3 、 TA5 等）通常采用多道次冷軋并配合真空退火工藝制造管材， 而對(duì)于中、 高強(qiáng)度鈦材 （如 TC4 、TC18 、 TA18 等）常采用溫軋、熱拉拔、熱旋等變形溫度在再結(jié)晶溫度以下 100℃ 左右的熱加工工藝。
1.1 鈦合金管材的擠壓
擠壓技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、低能耗、少 / 無切削工藝特點(diǎn)，因此在鈦合金管、棒、型、線材及零件生產(chǎn)方面得到廣泛應(yīng)用。一些常見鈦合金管材擠壓工藝見表 1 [2-7] 。 擠壓比是擠壓工藝中的重要參數(shù)。 在一定范圍內(nèi)，擠壓比越大原始晶粒破碎地越完全，得到的擠壓管材晶粒越細(xì)小，力學(xué)性能也越好。 鈦合金的擠壓比相對(duì)較小（通常小于 30 ）。 坯料的選擇會(huì)影響擠壓成品的表面質(zhì)量，劉守田 [8] 等就不同坯料對(duì)純鈦擠壓材質(zhì)量進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)坯料的金屬流動(dòng)性差，擠壓后表面質(zhì)量較鍛造坯料差。
潤(rùn)滑劑在擠壓中主要起防粘模、降低擠壓力的作用。鈦合金管材常用潤(rùn)滑劑見表 2 [9] 。有限元模擬技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于擠壓工藝。 如 DDamodaran [10] 等通過有限元軟件建立了鈦合金玻璃潤(rùn)滑熱擠壓模型，可以有效地預(yù)測(cè)各工藝參數(shù)對(duì)鈦合金擠壓變形過程中的影響。 相較于鋁、鎂合金，鈦合金擠壓技術(shù)發(fā)展較慢，主要是由于鈦合金變形抗力大，要求擠壓機(jī)噸位大，熱導(dǎo)率差，金屬流動(dòng)不均勻，屬高活性金屬，在空氣中極易被污染等。
1.2 鈦合金管材的軋制
鈦合金管材的軋制主要分為兩輥（ LG 型）軋制和多輥（ LD 型）軋制，兩輥軋制多用于開坯，多輥軋制則用于定徑和精整。 目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的軋管機(jī)型 號(hào) 有 LG-30 、 LG-90 、 LG-180 、 LD-90 、 LD-180 等 ，管材加工尺寸從 3mm 到最大 250mm [11] 。在鈦管軋制過程中，變形量的大小受合金性能、管材尺寸限制， 部分合金冷軋所允許的變形量如表3 所示。 相對(duì)減壁量與相對(duì)減徑量的比值（ Q 值）嚴(yán)重影響管材的織構(gòu)取向。在一定范圍內(nèi)， Q 值越大即管材在軋制中減壁量越大， 晶粒會(huì)沿著變形量較大的方向擇優(yōu)排列，形成管材的徑向織構(gòu)，進(jìn)而提高管材的力學(xué)性能。 贠鵬飛 [12] 等在研究軋制 Q 值對(duì) TA2管材組織和性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)： 制備 準(zhǔn)6mm×1mm的 TA2 管時(shí)，最佳 Q 值為 1.65 左右。 JinYX [13] 等研究了冷軋工藝對(duì) TC4 管材微觀組織和織構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)軋制過程中管材（ 0002 ）和（ 1010 ）方向的極圖在軋向聚集， 且大的軋制變形量增加織構(gòu)強(qiáng)度且促進(jìn)織構(gòu)的重組。 在合理設(shè)計(jì)軋輥孔型及確定變形參數(shù)方面，尹業(yè)宏 [14] 等人利用 Deform-3D 軟件對(duì)鈦管材的軋制過程進(jìn)行了有限元分析， 為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供了可靠依據(jù)。
1.3 鈦合金無縫管其他制造方法
除了擠壓、 軋制外， 科研人員還探索了拉拔、旋壓、擴(kuò)徑等制造工藝。 晏小兵 [15] 等就 TA15 鈦合金管材拉拔時(shí)模具參數(shù)對(duì)尺寸精度、 變形量對(duì)管材性能以及潤(rùn)滑工藝對(duì)表面質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究，并制定出合理的拉拔工藝。 牟少正 [16] 等人對(duì)鑄造鈦合金管坯的旋壓成形進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)該鑄造鈦合金在一定旋壓條件下鑄態(tài)晶粒被壓扁拉長(zhǎng)，形成明顯的纖維組織，減薄率超過 72% 時(shí)，鑄態(tài)組織基本消除。
對(duì)于一些特殊規(guī)格鈦管材， 如大直徑或薄壁管材，通常先將管坯經(jīng)環(huán)軋后管壁減薄，管徑擴(kuò)大，再通過旋壓工藝，增加管材長(zhǎng)度，進(jìn)一步減薄管壁，最終獲得大直徑薄壁鈦管 [17] 。除此之外， LiuG [18] 等人還研究了高壓充氣成形時(shí)流動(dòng)應(yīng)力、 壓力加載途徑和溫度對(duì) Ti-3Al-2.5V 管材性能的影響。
2、影響鈦合金無縫管材質(zhì)量的主要因素
鈦合金種類繁多， 管材加工工藝和方法各不相同， 影響管材質(zhì)量的因素也很多。 表 4 列舉了主要影響因素及其控制措施 [19] 。 從鈦合金的熔煉制備開始，雜質(zhì)元素（如 O 、 C 、 N ）的含量對(duì)成品鈦合金管材的組織和性能有一定影響 [20] ，一般高的間隙元素含量會(huì)使管材強(qiáng)度提高，塑性降低。制備方法的選擇也極大地影響管材的性能。 如，擠壓管坯的晶粒細(xì)小、綜合性能好，斜軋穿孔管坯的晶粒粗大、不均勻且常常有高溫變形組織，前者更易于后續(xù)管材的加工。制備方法還能影響管材的殘余應(yīng)力狀態(tài) [21] ，當(dāng)管材有殘余壓應(yīng)力時(shí)能提高疲勞極限和應(yīng)力腐蝕抗力。
管材加工過程中， 道次變形量顯著影響管材的性能。 大的變形量不僅可以提高生產(chǎn)效率而且可以更好地破碎粗大的鑄態(tài)組織，使管材晶粒細(xì)小均勻，但是過大會(huì)使管材成形抗力增加， 產(chǎn)生的變形熱導(dǎo)致局部溫度升高，使變形不均勻、晶粒出現(xiàn)異常長(zhǎng)大。
合理的變形量可以在管材的徑向、軸向、環(huán)向形成織構(gòu)，從而提高性能。 楊英麗 [22] 等發(fā)現(xiàn)在純鈦管軋制過程中，當(dāng) Q 值在 1.2～2.3 時(shí)，形成較強(qiáng)的徑向織構(gòu)，使管材性能提高。 同時(shí)，合理的退火工藝、矯直工藝、高效的去油方法等都是保證鈦管材質(zhì)量的關(guān)鍵。
3、鈦合金無縫管材的應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 鈦合金無縫管材的廣泛應(yīng)用
鈦合金管材應(yīng)用于海上油田平臺(tái)的運(yùn)輸， 主要是為了減輕平臺(tái)重量、降低成本、增加使用壽命 [23] 。
寶鈦研制生產(chǎn)的直徑為 準(zhǔn)90～準(zhǔn)120mm 的油氣開采用 TC4S 合金高性能擠壓管完全滿足 API5CT 中P110 鋼的性能指標(biāo)，已成功交付并使用 [24] 。 鈦合金還具有突出的耐海水特性和耐氯化物腐蝕特性，使其在地?zé)峁I(yè)應(yīng)用時(shí)不僅增加了設(shè)備可靠性， 而且降低了運(yùn)營(yíng)成本。進(jìn)一步還有望在防止蓄水層枯竭、利用干熱巖產(chǎn)生蒸汽等方面得到應(yīng)用 [25] 。
鈦合金作為先進(jìn)的輕量化結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、高的比強(qiáng)度，被廣泛用于航空航天領(lǐng)域，特別是在管路系統(tǒng)，如：引氣管路、液壓管路、燃油管路。 其中 TA18 鈦合金由于有良好的室溫、高溫力學(xué)性能（ 700℃ 時(shí)抗拉強(qiáng)度 ≥620MPa ），優(yōu)異的冷、熱加工塑性和焊接性，使其一直是航空航天用管的最佳選擇 [26] 。另外，鈦合金良好的生物相容性，使它在生物醫(yī)療和骨科植入等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用， 典型的 Paragon 支架就是利用鎳鈦超彈合金毛細(xì)管通過激光雕刻后制成的球囊擴(kuò)張型馬氏體支架 [27] 。一些商業(yè)化鈦合金管材的性能和用途如表 5 所示 [28-32] 。
3.2 制約鈦合金無縫管材廣泛應(yīng)用的因素
目前， 國(guó)際上鈦管材的制造工藝已基本成熟，但是鈦管的應(yīng)用一直受到成本方面的制約，尤其對(duì)于薄壁管、超高強(qiáng)度管、超長(zhǎng)管等特殊要求管材，鈦無縫管的生產(chǎn)難度較大、設(shè)備復(fù)雜、周期長(zhǎng)、成品率低。因此，鈦焊管應(yīng)運(yùn)而生。 在發(fā)達(dá)國(guó)家，濱海電站和核電站中的凝汽器已用鈦焊管逐步替代鈦無縫管 [33] 。 我國(guó)每年鈦焊管產(chǎn)量已經(jīng)超過 12000t [34] 。 可以預(yù)見，由于成本方面的優(yōu)勢(shì)，未來鈦焊管將部分替代鈦無縫管。
鈦管材在服 役環(huán) 境 中 并 不 是 零 腐 蝕 。 H MShalaby 等人研究發(fā)現(xiàn)， 純鈦冷凝器管在服役 15 年后內(nèi)外表面均有嚴(yán)重腐蝕穿孔和邊緣破裂 [35] 。 另外 ,在鈦管的裝配應(yīng)用過程中， 往往還需對(duì)管材進(jìn)行彎曲、焊接、端頭加工等處理。 由于鈦管的屈彈比高，在彎曲時(shí)回彈顯著，過度回彈導(dǎo)致難以控制管子幾何和精度 [36] 。 Li 等 [37] 人利用有限元模擬對(duì) Ti-3Al-2.5V 管在冷彎曲工藝中的回彈現(xiàn)象進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)，但工藝十分復(fù)雜，成形較難控制。鈦管由于化學(xué)活性強(qiáng)、熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性差等物理化學(xué)特性，在焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，對(duì)焊接設(shè)備和保護(hù)裝置要求高 [38] 。這些都是制約鈦合金無縫管材廣泛應(yīng)用的因素。
4、結(jié)語(yǔ)
鈦合金無縫管材有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、耐熱性好、低溫性能好、彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)活性高、 生物相容性好等特點(diǎn)， 使其受到各領(lǐng)域的青睞。 但是由于生產(chǎn)鈦無縫管的設(shè)備復(fù)雜、周期長(zhǎng)、成品率低、造價(jià)高等缺點(diǎn)，讓它的應(yīng)用受到限制。另外，我國(guó)低端鈦管材產(chǎn)能過剩，但在重要化工裝置、航空航天液壓管路、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃油管、生物醫(yī)療等領(lǐng)域用高性能鈦管材的研究和生產(chǎn)方面還不足。
目前鈦無縫管材的研制不斷向高性能化、 低成本化、 功能化發(fā)展。 一方面大量應(yīng)用有限元軟件對(duì)成形過程進(jìn)行模擬以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和工藝的優(yōu)化， 提高質(zhì)量和成材率將成為趨勢(shì)。 另一方面要不斷探索創(chuàng)新鈦管材制備方法，簡(jiǎn)化工藝，降低成本，積極推廣鈦無縫管材的應(yīng)用。 這些都需要相關(guān)科研人員的共同努力。
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