一種高性能tc11管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高性能TC11管及其制備方法，本發(fā)明是首先采用1級海綿鈦及添加鋁釩合金、鋁鉬合金、鋯屑，通過嚴(yán)格控制配料和熔煉過程制備TC11鈦合金鑄錠，鑄錠通過鍛造制備黑皮棒坯，再經(jīng)過機加工及表面修磨制備出擠壓錠坯，錠坯經(jīng)過鉆孔、包套、加熱后擠壓制備管坯，再經(jīng)熱矯直、表面處理、熱處理，最后經(jīng)過機加工內(nèi)鏜外車制備成品TC11管材。通過本發(fā)明制備的TC11鈦合金管材1）具有很高的強度、塑性及沖擊性能；2）可獲得較高公差級別的管材；3）組織均勻且穩(wěn)定；4）兼具優(yōu)異的耐腐蝕性能；這些特點使其能夠滿足石油行業(yè)高標(biāo)準(zhǔn)的使用要求。
【專利說明】一種高性能TC11管及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種高性能擠壓TCll管及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，石油行業(yè)普遍使用鋼管作為輸送管道，由于鋼管的強度及沖擊性能較低，因此，在使用過程中，由于過載和碰撞等原因，容易造成鋼管報廢或產(chǎn)生事故，同時，鋼管的使用壽命很短，使用中的鋼管由于腐蝕等原因，經(jīng)過一年后基本不能夠再次使用，需要更換新的鋼管，從而增加了運行成本。
[0003]TCll鈦合金以其所具有的比強度高，沖擊性能好，耐腐性能好等優(yōu)勢，作為一種重要的航空和宇航材料，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機的壓氣機盤、葉片和鼓筒等零件以及飛機結(jié)構(gòu)件。由于TCll鈦合金屬熱強鈦合金，其強度較高，變形抗力大，加工過程中容易開裂，使得管材制備較困難，顯微組織及性能難以控制。故現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于TCll鈦合金管材生產(chǎn)的資料很少。目前，涉及TCll鈦合金管材生產(chǎn)的技術(shù)有:
中國專利《一種鈦合金(TCll)軋制管及其制備方法》(CN103540796 A)公布采用斜軋及擠壓方法制備管坯，并進(jìn)一步通過軋制制備TCll鈦合金管，該制備方法有以下缺點I)僅適用于Fe、0水平較低的情況(Fe、0含量與強度有正強關(guān)系)，F(xiàn)e、0含量增大，軋制困難；2)加工過程道次多，并且每道次需退火及酸洗或堿洗，一般氧化退火耗時長，生產(chǎn)率低；3)軋制難以保證高的尺寸精度及型位公差(直線度、同心度等)。4)采用的退火制度難以實現(xiàn)材料強塑性的共同提升，塑性偏低，沖擊性能差。
[0004]中國專利《一種大直徑高質(zhì)量管坯或環(huán)坯的復(fù)合擠壓制備方法》(CN103170797A)公開了一種針對變形抗力大、熱加工溫度范圍窄、熱加工困難的難變形材料采用復(fù)合擠壓方法生產(chǎn)TCll鈦合金管坯的技術(shù)，該方法成形省力、節(jié)能、材料利用率高、產(chǎn)品質(zhì)量好，能夠有效解決傳統(tǒng)工藝制備的管(環(huán))坯存在組織粗大、均勻性差，成形力大等諸多問題。但是，采用該方法生產(chǎn)的TCll鈦合金管坯，其直徑為Φ200πιπι?Φ 1000mm，壁厚為1mm?80mm，長度為300mm?2000mm，該規(guī)格更傾向于環(huán)材，類似于中國專利CN103071743A提供的TCll鈦合金小孔徑厚壁筒形件，或者中國專利CN102029342A提供的TCll鈦合金薄壁環(huán)件；而且該管材還是應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。目前，還未有將TCll鈦合金管材應(yīng)用在石油化工領(lǐng)域上的技術(shù)存在。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，顯微組織均勻、穩(wěn)定，強度、塑性和抗沖擊性能均滿足石油行業(yè)使用要求的高性能TCll管；
本發(fā)明的另一目的是提供上述高性能TCll管的制備方法。
[0006]石油行業(yè)用TCll鈦合金管代替鋼管，其力學(xué)性能必須達(dá)到抗拉強度Rm彡1030MPa,屈服強度Rp0.2彡950MPa，沖擊功Aku2 ^ 35J ;且顯微組織均勻。本發(fā)明正是基于上述原理設(shè)計，具體采取的技術(shù)方案為:
一種高性能TCll管，其特征在于所述TCll管的化學(xué)成分組成為:5.8 ^ Al ^ 7.0%，
2.8 彡 Mo 彡 3.8%, 0.8 ^ Zr ^ 2.0%, 0.2 彡 Si 彡 0.35%, Fe ( 0.25%, C 彡 0.08%, N 彡 0.05%,H彡0.012%, O彡0.15%，余量為Ti，其他元素單一〈0.10%,總和〈0.40%。
[0007]—種高性能TCll管的制備方法，其特征在于其工藝步驟為:首先采用I級海綿鈦及鋁釩合金、鋁鑰合金、鋯屑，按照5K Al彡7.0%，2.8 ^ Mo ^ 3.8%，0.8 ^ Zr ^ 2.0%，0.2 彡 Si 彡 0.35%, Fe ( 0.25%, C 彡 0.08%, N 彡 0.05%, H 彡 0.012%, O 彡 0.15%，余量為Ti，其他元素單一〈0.10%,總和〈0.40%的配比進(jìn)行配料，制備電極，熔煉制備TClI鈦合金鑄錠，然后將鑄錠鍛造成黑皮棒坯，再經(jīng)過機加工及表面修磨制備出擠壓錠坯，擠壓錠坯經(jīng)過鉆孔、包套、加熱后擠壓制備管坯，管坯利用擠壓后的余溫后進(jìn)行熱矯直，而后經(jīng)過表面處理、熱處理和機加工外車內(nèi)鏜制備成品TCll管材。
[0008]所述熔煉采用真空自耗電弧熔煉，熔煉2?3次。
[0009]所述鈦合金鑄錠經(jīng)過6火次鍛造，其中在相變點以上進(jìn)行三火次鍛造，共進(jìn)行六鐓七拔鍛造，總鍛比為Y=6?8，相變點以下進(jìn)行三火次鍛造，共進(jìn)行三墩四拔摔圓，總鍛比為Υ=4?6。
[0010]所述相變點是采用升溫金相法測定的，最終確定的相變點。
[0011]所述經(jīng)過機加工和表面修磨后的擠壓錠坯，控制其外表面粗糙度小于6.3μπι，修磨的深寬比小于1/8。
[0012]所述錠坯上所鉆孔的內(nèi)孔為Φ (D+8)mm，其中D為擠壓管坯的內(nèi)徑尺寸，內(nèi)孔應(yīng)與外徑同心，內(nèi)表面粗糙度小于3.2 μ m。
[0013]所述包套采用雙層包套，其中內(nèi)包套采用0.5?2.5mm A3鋼板，外包套采用0.5?
2.5mm銅帶，內(nèi)外雙包套應(yīng)緊密切合，中間空隙小于0.5?1mm。
[0014]所述包套時，現(xiàn)在擠壓錠坯外面包覆一層鋼板，其端頭加鋼墊，然后將銅帶包覆在鋼板之上，并在前端加蓋銅墊，接頭處采用焊接。
[0015]所述加熱后擠壓是指將包套后的擠壓錠坯放在電阻爐中，在850?960°C下保溫2?4小時，然后擠壓，控制擠壓比3?12，擠壓速度80?150mm/s。
[0016]所述熱矯直是指:擠壓后，用紅外測溫儀來測量管坯表面的溫度，待溫度降低至650?750°C時，用矯直機進(jìn)行矯直，矯直后直線度小于2mm/m。
[0017]所述表面處理是指用混合酸液對熱矯直后的擠壓管坯進(jìn)行酸洗，所述混合酸液為，硝酸:氫氟酸:雙氧水:水=25?40:1.5?2.5:2?5:80?120。
[0018]所述表面處理是指熱處理采用雙重退火熱處理，第一次退火溫度為950?980°C，保溫I?2小時，空冷，第二次退火溫度為520?540°C，保溫6?8小時，空冷。
[0019]所述機加工外車內(nèi)鏜是指內(nèi)表面采用鏜孔處理，采用剛性鏜桿，單邊鏜孔量為
0.1?1.5mm,內(nèi)孔Il至所需尺寸，內(nèi)表面粗糙度小于3.2um。確保內(nèi)圓圓心軸線與車床旋轉(zhuǎn)軸線共線并車外圓，保證管坯的壁厚偏差小于0.2mm，外表面粗糙度小于3.2um，最終機加工成品尺寸。
[0020]本發(fā)明具有以下技術(shù)特點:
1、本發(fā)明通過嚴(yán)格控制配料和熔煉過程，以制備化學(xué)成分合適的TCll鈦合金鑄錠，所制備的TCll鈦合金本身具有優(yōu)異的耐腐蝕性，且熔煉的鑄錠經(jīng)過大變形鍛造使其晶粒細(xì)化，為擠壓提供組織細(xì)化的坯料；
2、通過擠壓加工生產(chǎn)尺寸規(guī)格貼近于成品管的管坯，組織得到進(jìn)一步的細(xì)化，性能得到進(jìn)一步改善；
3、熱矯直保證了管坯的平直度，便于后續(xù)的機加工，熱處理使TCll鈦合金的強度、塑性及沖擊性能得到提升，并利于形成穩(wěn)定均勻的顯微組織，車削后的成品管可滿足其在石油行業(yè)的使用要求。
[0021]4、通過本發(fā)明的方法,可生產(chǎn)出外徑Φ60?180mm,壁厚8?60mm,長度100?16000mm規(guī)格的TCll鈦合金管材。
[0022]綜上所述，通過本發(fā)明制備的TCll鈦合金管材I)具有很高的強度、塑性及沖擊性能；2)可獲得較高公差級別的管材；3)組織均勻且穩(wěn)定；4)兼具優(yōu)異的耐腐蝕性能；這些特點使其能夠滿足石油行業(yè)高標(biāo)準(zhǔn)的使用要求。在其使用過程中，高的強度、塑性及沖擊性能保證管材結(jié)實、安全、耐用，降低事故發(fā)生的頻率；較高的公差級別便于該管材與其它構(gòu)件相互配合使用，其優(yōu)異的耐腐蝕性能可延長管材的使用周期，同時降低了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明中擠壓錠的包套結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合實例對本發(fā)明的【具體實施方式】作詳細(xì)說明。應(yīng)該理解的是，實例是用于說明本發(fā)明而不是對本發(fā)明的限制。本發(fā)明的范圍與核心內(nèi)容依據(jù)權(quán)利要求書加以確定。
[0025]國內(nèi)某公司對TCll管材的要求:
化學(xué)成分:5.8 彡 Al 彡 7.0%, 2.8 彡 Mo 彡 3.8%, 0.8 ^ Zr ^ 2.0%, 0.2 彡 Si 彡 0.35%,Fe ( 0.25%, C^0.08%, N^0.05%, H^0.012%, 0^0.15%，余量為 Ti，其他雜質(zhì)元素單一〈0.10%,總和〈0.40%)；
規(guī)格及公差:Φ115±α2Χ25±α 1XieOO+5Iiim ；
表面質(zhì)量:表面粗糙度小于1.6 μ m ;
力學(xué)性能:抗拉強度彡1030MPa,屈服強度彡950MPa,延伸率彡12%，斷面收縮率彡30%，沖擊性能=Aku2彡35J ；
實施案例:
1、鑄徒制備:
采用I級海綿鈦及添加合金(鋁釩合金、鋁鑰合金、鋯屑)配料和電極塊壓制，電極塊進(jìn)行組合焊接制備電極，然后進(jìn)行兩次真空自耗電弧熔煉制備Φ600πιπι TCll鈦合金鑄錠，化學(xué)成分為:Al—6.46%, Mo—3.1%，Zr — 1.78%, S1-0.297，F(xiàn)e-0.095%, C-0.011%, N—
0.061%,H—0.001%, 0—0.13%，余量為Ti，其他雜質(zhì)元素單一〈0.10%,總和〈0.40%。經(jīng)過升溫金相法測定相變點為1010°C。
[0026]2、棒坯鍛造
Φ600mm TCll鈦合金鑄錠總共經(jīng)過6火次鍛造，相變點以上進(jìn)行三火次鍛造，共進(jìn)行六鐓七拔鍛造至Φ365mm，總鍛比為Y=7.59。相變點以下進(jìn)行三火次鍛造，共進(jìn)行三墩四拔摔圓至Φ 215?295mm，總鍛比為Y=4.62。相變點以上實現(xiàn)了大變形，有利于破碎鑄態(tài)組織，消除枝晶偏析等冶金缺陷，相變點以下的大變形使晶粒進(jìn)一步細(xì)化，起到了細(xì)晶強化作用，并且塑性也有所增加,組織由α及β轉(zhuǎn)變夠成。
[0027]3、擠壓錠坯制備、鉆孔
鍛造棒坯經(jīng)過機加工外徑車至Φ 210mm，外表面粗糙度小于6.3 μ m，表面如有未車到的缺陷，允許修磨，但修磨的深寬比必須小于1/8。采用深孔鉆、鏜床加工內(nèi)孔，內(nèi)孔加工尺寸應(yīng)為Φ70πιπι，內(nèi)孔與外徑同心，內(nèi)表面粗糙度小于3.2μπι。
[0028]4、包套
機加工后的管坯在包套之前用稀酸或酒精清除表面油污及雜質(zhì)，采用雙層包套，內(nèi)包套采用0.5?2.5mm A3鋼板，外包套采用0.5?2.5mm銅帶，先在管坯5外面包覆一層A3鋼板1，其端頭加A3鋼墊2，然后將銅帶3包覆在鋼板I之上，并在前端加蓋銅墊4。(內(nèi)層A3鋼包套起隔離與潤滑作用，外銅包套起潤滑作用)，接頭處采用焊接，雙包套應(yīng)緊密切合，中間空隙小于0.5?Imm,包套方式見圖1。
[0029]5、熱擠壓
擠壓錠坯在電阻爐中進(jìn)行加熱，溫到裝爐，保溫計時，加熱溫度為920°C，保溫2.5小時。然后設(shè)定擠壓速度為80-150mm/s，擠壓比3?12，擠壓規(guī)格為Φ119Χ28πιπι的。
[0030]擠壓時，擠壓筒預(yù)熱350_450°C，擠壓模及擠壓墊預(yù)熱到400-450°C。擠壓筒采用50#氣缸油:片狀石墨:二硫化鑰=6:4:1配比的潤滑劑潤滑，擠壓針、擠壓模采用浙青:氣缸油:石墨:_■硫化鑰=4:2:7:I制備的潤滑劑潤滑。
[0031]6、矯直
擠壓后，管坯保持在冷床上轉(zhuǎn)動，使管坯在各方向上交替受重力作用，有利于管坯的平直。用紅外測溫儀來測量管坯表面的溫度，待溫度降低至750°C時，采用五輥矯直機進(jìn)行矯直。矯直后直線度小于2mm/m。
[0032]7、表面處理
擠壓管坯采用混合酸液進(jìn)行酸洗，除去表面包套材料及氧化皮，最后水洗去除表面殘留酸液。
[0033]所述混合酸液為，硝酸:氫氟酸:雙氧水:7jC =25?40:1.5?2.5:2?5:80?120。
[0034]8、成品熱處理
成品熱處理采用雙重退火熱處理，第一次退火溫度為950°C，保溫I小時，空冷，第二次退火溫度為530°C，保溫6小時，空冷。雙重退火可提高材料的強度、沖擊性能及組織穩(wěn)定性。
[0035]9、機加工
內(nèi)孔Il至Φ65±αι_,內(nèi)表面粗糙度小于1.6um。確保內(nèi)圓圓心軸線與車床旋轉(zhuǎn)軸線共線并車外圓，保證管坯的壁厚偏差小于0.2mm，外表面粗糙度小于1.6um，最終機加工成品尺寸為外徑Φ 115±a2mm,壁厚為25±a 1Inrn,長度1600+5mm。
[0036]10、性能檢測
抗拉強度?1105MPa，屈服強度?1002MPa，延伸率?18.5%，斷面收縮率?44% ;沖擊強度:AKU2 ?42.8J。
【權(quán)利要求】
1.一種高性能TClI管，其特征在于所述TClI管的化學(xué)成分組成為:5.8彡Al彡7.0%，2.8 彡 Mo 彡 3.8%, 0.8 ^ Zr ^ 2.0%, 0.2 彡 Si 彡 0.35%, Fe ( 0.25%, C 彡 0.08%, N 彡 0.05%,H彡0.012%, O彡0.15%，余量為Ti，其他元素單一〈0.10%,總和〈0.40%。
2.一種高性能TCll管的制備方法，其特征在于其工藝步驟為:首先采用I級海綿鈦及鋁釩合金、鋁鑰合金、鋯屑，按照5K Al彡7.0%，2.8 ^ Mo ^ 3.8%，0.8 ^ Zr ^ 2.0%，0.2 彡 Si 彡 0.35%, Fe ( 0.25%, C 彡 0.08%, N 彡 0.05%, H 彡 0.012%, O 彡 0.15%，余量為Ti，其他元素單一〈0.10%,總和〈0.40%的配比進(jìn)行配料，制備電極，熔煉制備TClI鈦合金鑄錠，然后將鑄錠鍛造成黑皮棒坯，再經(jīng)過機加工及表面修磨制備出擠壓錠坯，擠壓錠坯經(jīng)過鉆孔、包套、加熱后擠壓制備管坯，管坯利用擠壓后的余溫后進(jìn)行熱矯直，而后經(jīng)過表面處理、熱處理和機加工外車內(nèi)鏜制備成品TCll管材。
3.按照權(quán)利要求2所述的高性能TCll管的制備方法，其特征在于所述熔煉采用真空自耗電弧熔煉，熔煉2?3次。
4.按照權(quán)利要求2所述的高性能TCll管的制備方法，其特征在于所述鈦合金鑄錠經(jīng)過6火次鍛造，其中在相變點以上進(jìn)行三火次鍛造，共進(jìn)行六鐓七拔鍛造，總鍛比為Y=6?8，相變點以下進(jìn)行三火次鍛造，共進(jìn)行三墩四拔摔圓，總鍛比為Υ=4?6。
5.按照權(quán)利要求4所述的高性能TCll管的制備方法，其特征在于所述相變點是采用升溫金相法測定的，最終確定相變點。
6.按照權(quán)利要求2所述的高性能TCll管的制備方法，其特征在于所述經(jīng)過機加工和表面修磨后的擠壓錠坯，控制其外表面粗糙度小于6.3 μ m，修磨的深寬比小于1/8。
7.按照權(quán)利要求2所述的高性能TCll管的制備方法，其特征在于所述錠坯上所鉆孔的內(nèi)孔為Φ (D+8)mm，其中D為擠壓管坯的內(nèi)徑尺寸，內(nèi)孔應(yīng)與外徑同心，內(nèi)表面粗糙度小于 3.2 μ m。
8.按照權(quán)利要求2所述的高性能TCll管的制備方法，其特征在于所述包套采用雙層包套，其中內(nèi)包套采用0.5?2.5mm A3鋼板，外包套采用0.5?2.5mm銅帶，內(nèi)外雙包套應(yīng)緊密切合，中間空隙小于0.5?1_。
9.按照權(quán)利要求2或8所述的高性能TClI管的制備方法，其特征在于所述包套時，先在擠壓錠坯(5 )外面包覆一層鋼板(I)，其端頭加鋼墊(2 )，然后將銅帶(3 )包覆在鋼板(I)之上，并在前端加蓋銅墊(4)，接頭處采用焊接。
10.按照權(quán)利要求2所述的高性能TCll管的制備方法，其特征在于所述加熱后擠壓是指將包套后的擠壓錠坯放在電阻爐中，在850?960°C下保溫2?4小時，然后擠壓，控制擠壓比3?12，擠壓速度80?150mm/s。
11.按照權(quán)利要求2所述的高性能TCll管的制備方法，其特征在于所述熱矯直是指:擠壓后，用紅外測溫儀來測量管坯表面的溫度，待溫度降低至650?750°C時，用矯直機進(jìn)行矯直，矯直后直線度小于2mm/m。
12.按照權(quán)利要求2所述的高性能TCll管的制備方法，其特征在于所述表面處理是指用混合酸液對熱矯直后的擠壓管坯進(jìn)行酸洗，所述混合酸液為，硝酸:氫氟酸:雙氧水:水=25 ?40:1.5 ?2.5:2 ?5:80 ?120。
13.按照權(quán)利要求2所述的高性能TCll管的制備方法，其特征在于所述表面處理是指熱處理采用雙重退火熱處理，第一次退火溫度為950?980°C，保溫I?2小時，空冷，第二 次退火溫度為520?540°C，保溫6?8小時，空冷。
【文檔編號】C22C14/00GK104232993SQ201410148762
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】陳睿博, 劉守田, 朱寶輝, 劉彥昌, 趙洪章, 沈立華 申請人:寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司