海洋工程用TC4鈦合金管的組織與性能

21世紀是海洋經濟可持續發展時代，海洋資源是經濟發展的重要板塊。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。大規格鈦合金管材均采用熱擠壓的方法生產，技術成熟、關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系，為深海工程用大規格鈦合金管材的生產做好技術準備。

1、試驗方法

1.1 試驗方案

試驗采用寶雞鈦業股份有限公司經兩次真空自耗電弧爐生產的TC4鈦合金鑄錠，在β和α+β區多火次鍛造成φ270mm 棒坯，經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。化學成分見表1。

1.2 擠壓成型

鈦合金導熱性差，坯料表層與中心層易產生較大的溫度差，促使金屬流動不均勻性加劇，這樣表層就產生較大的附加拉應力，在產品表面易形成裂紋。嚴重時，在擠壓棒材及管材上可能產生大的擠壓縮孔。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，從而影響產品的組織和性能。因此，擠壓參數、工藝的合理選擇非常重要。本次試驗根據前期研制經驗，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，避免產生熱效應，使制品表面質量和性能變劣。擠壓變形圖見圖 1，擠壓管材成品見圖 2。

2、試驗結果與討論

2.1 表面及尺寸

擠壓管材表面質量較好，管材直線度較好，經過機械加工后的管材尺寸滿足設計要求。

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加工組織，顯微組織晶粒沿受力方向被壓扁、拉長。

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