一種低成本鈦合金薄壁管材的制備方法

王長江

（1 江蘇宇鈦新材料有限公司 江蘇 鎮江 212000）

（2 江蘇尚吉亨通新材料有限公司 江蘇 南京 210000）

0 引言

鈦合金作為一種低密度高比強度材料，具有優異的力學性能，同時還擁有優異的抗蝕性能，因此在航空、航天、汽車、造船、能源等行業具有日益廣泛的應用前景[1]。鈦產量中約40%（主要是鈦及鈦合金管材）用于化工工業，如換熱器、反應釜和蒸餾塔等[2]。

今年來，隨著化工行業的蓬勃發展，化工行業如P T A 裝置越來越多地開始使用高性能耐腐蝕鈦管。相比較不銹鋼管而言，鈦合金管強度更高，耐蝕性更強，現階段，目前西方國家化工裝備已基本完成鈦合金化；制備技術已比較成熟。主要采用斜軋穿孔+ 冷軋的方法生產純鈦管。采用溫軋技術生產中高強度鈦合金管。

近幾年國產化工裝置使用鈦合金管，一開始，因為行業內的設備主要由英威達技術、BP 技術等國外公司總包，較少選用國產鈦合金。另一方面，國產焊管性能不穩定，薄壁無縫管制備技術難度高，化工行業不得不采用高成本的厚壁無縫鈦管。目前國內鈦合金薄壁管材的加工方法主要有熱擠壓法、深孔加工法、斜軋穿孔法和板卷圓后焊接法，但這幾種方法生產出來的鈦合金薄壁管材存在以下問題：

熱擠壓法，由于鈦合金變形抗力高，目前只適合小直徑管材的生產，而且由于加工時變形量大，導致加工薄壁管材時候，容易出現波紋和裂紋，所以只適合用于厚壁管材的加工，且材料利用率低。

深孔加工法，加工周期長，材料利用率極低，加工成本高，產品同軸度不好，只適合用于單件或者小批量生產1 毫米厚度以上鈦合金管。

斜軋穿孔法，由于加工時溫度高，所以得到的產品大多數為網籃組織（如圖1 所示）或者魏氏組織（如圖2 所示），產品組織差。

板卷圓后焊接法，生產出的薄壁管，表面質量好，生產效率高，不過焊縫是整個管子性能比較薄弱的地方，所以生產出來的薄壁管力學性極差。

針對目前薄壁無縫管加工存在各種問題，如組織不佳、力學性能差、加工成本高、材料利用率低和表面質量低等問題，急需開發出可以生產出壁厚1 mm 以下、具有優異的力學性能，且成本低的方法。

本文通過對傳統工序進行改良和組合，在解決各類質量問題的基礎上，研發出一條低成本鈦合金薄壁管材的制備方法。

1 技術路線

本技術路線共包含熔煉、鍛造、斜軋穿孔、徑向鍛造、冷軋、機加工共6 個主要工序。我們通過對這6 個工序進行優化和組合，開發了一條低成本高質量鈦及鈦合金薄壁管制備路線，如圖2。

熔煉時，通過優化原材料成分降低了材料的塑性。具體表現為人為提高N、C、O、Al 元素含量，并將其控制在一定的范圍之內，顯著提高了鈦合金的再結晶溫度，從而有助于在徑鍛時有更充裕的時間來改善管件組織[3]；Fe元素含量的降低，減少了鈦合金熔煉過程中產生的偏析，從而有利于合金成分的均勻性；且成分的有效控制，更有利于材料在后續的鍛造過程中獲得更好的組織[4]。

（如圖2A）熔煉時，設計了特有的四角形狀的電極塊。（如圖2B）兩端直線段的設計，使其相對與其他位置，距離坩堝距離更遠，便于熔煉時廢氣的溢出，從而提高熔煉時成分的均勻性；4 個尖角有利于電流從尖角處產生火花，從而提高熔煉效率，降低熔煉工序的成本；且電極塊類圓柱的設計便于裝夾，如圖3，減少了電極運輸的時間，提高了生產效率；本發明中的電極塊將密度控制在≥3.5 g/cm3，使得電極內的空氣量較少，便于控制鈦合金鑄錠成分，減少鑄錠縮孔風險，同時可以控制生產成本。

經過熔煉，我們得到直徑600 ～800 mm 的圓柱形鈦及鈦合金鑄錠，保證了產品成分的均勻性。之后第二步的鍛造，通過高溫降低鈦合金的變形抗力，并經過多次鍛造時材料產生大的變形，從而破碎其內部硬而脆的鑄態組織，得到魏氏組織或網籃組織，且通過特有的涂料涂層，有效的防止了工件的氧化，保證了其性能。

第三步是穿孔成型，因為穿孔沒有產生大的變形量，所以組織沒有發生大的改變，仍然以魏氏組織或網籃組織為主，但通過特有的子彈式頂頭（如圖4）保證穿孔尺寸的穩定性，為后續加工更薄的管壁提供基礎；我們設計的子彈頭式頂頭具有良好的動力學流線，圓弧段的設計保證了頂頭的結構強度，使其在穿孔過程中更順暢，排料刃的設計保證了頂頭良好的排開金屬材料的能力以及良好的穿透性，潤滑劑存放槽的設計保證了頂頭良好的尺寸，其相比如傳統的頂頭，穿孔受到的助力小，從而能夠快速穩定的進行穿孔，保證穿孔尺寸的穩定性，為后續的管材薄壁加工提供基礎，且提高了穿孔效率。

第四步通過特有的錘頭進行徑向鍛造，通過對錘頭的分段設計，如圖5，相比較傳統錘頭加工方式而言增加了鍛成斜面和錘頭頂部水平的過程，因此，增加了變形次數，從而可以損壞長條狀的網籃組織或魏氏組織，得到短小的雙態組織或等軸組織；由此得到組織好的鈦合金管，其力學性能好，在進一步的冷軋機加工過程中，不會因為加工到更薄的管壁而產生破裂，從而可以加工到0.3 mm 甚至具有更薄管壁的鈦合金薄壁管材。

第五步通過冷軋，得到成分、組織和力學性能均滿足要求的厚壁管材。

最后一步冷軋機加工，通過特有的夾具，如圖6。在機械加工領域，薄壁管材加工一直是個難題，當夾緊力太小時，工件容易振動，加工尺寸無法保證；當夾緊力太大時，工件容易變形。鈦合金材質的彈性模量低，鈦合金管的已加工表面容易產生回彈，特別是薄壁零件的加工回彈更為嚴重，刀具磨損易崩刃；為此，急需一款能夠適用于鈦合金薄壁管的加工夾具。針對上述問題，一種高直線度薄壁鈦合金管材的加工用具（見圖6），其使得薄壁管緊密貼合支撐板所形成的等效外環面，確保薄壁零件不會回彈，確保了加工精度，且保證了合理的夾持力。

在機加時，通過兩個夾頭將鈦合金管件夾緊，并壓縮管子內部的彈性橡膠，彈性橡膠兩端受力壓縮，其直徑變大，從而頂住鈦合金管的內壁，由此，鈦合金管的兩端和內壁同時受到夾頭彈性橡膠的壓力，三者形成一個整體，相當于實心棒材。便于加工；且因夾頭和管子是線接觸，橡膠和管子是面接觸，鈦合金管件不會因為裝夾產生變形，管子內壁被橡膠填滿，受車刀切削時，不會再震動，從而保證尺寸公差和表面質量，有利于加工出更薄壁厚的管件；另一方面，機加采用的具有曲線形刀刃的車刀，并采用螺旋曲線走刀，擺線加工的方式，也進一步防止了加工時工件的震動；由此，也可以更便于加工出更薄的管壁。

2 生產工藝（以TC4管材為例）

本論文向大家描述了一種鈦及鈦合金薄壁管材的制備技術，現以TC4 合金薄壁管材的制備為例，向大家詳細論述加工工藝。

2.1 熔煉（S1）

根據TC4 合金成分的國標要求（表1），計算各組分的含量控制范圍，控制范圍的下限值為：A+（1-0.3）*（B-A），其中A 為元素國標范圍下差，B 為元素國標范圍上差，控制范圍的上限值即為B；根據公式，本實施例的成分控制范圍經計算得：Al 控制在6.5%～6.75%，C 控制在0.064%～0.08%，O 控制在0.16%～0.2%，N 控制在0.04%～0.05%，Fe 控制在0%～0.13%，根據各成分含量計算并選取對應數量的海綿鈦、鋁豆、釩鋁合金、釩鋁合金、釩鐵合金、二氧化鈦，將原料混合后壓成多個具有獨特四角形狀的電極塊（如圖1），便于引起電弧，并將12 ～15 個電極塊焊接成圓柱體（如圖2），每層4 到6 個焊點，選用3T 以上的自耗爐進行熔煉，需經過三次熔煉，第二次和第三次熔煉選用爐內焊接，熔煉電流均為8 ～12 kA，熔煉結束后，需切除錠子底部100 ～150 mm 的冒口，并將錠子扒皮，得到?505，長度1 250 mm 的TC4 合金錠子。

表1 TC4 成分國標要求

2.2 鍛造（S2）

在上步驟S1 所得的鈦合金錠子噴涂配置的涂料，涂 料 成 分 為：40% ～50% SiO2，1% ～5% Al2O3，10% ～25% B2O3，20%～25% Na2O，5%～10% CaO。涂料厚度為0.2～0.4 mm，以防止工件氧化，之后采用1 600 T 以上噸位快鍛機對其進行5 次鍛造：（1）火，（2）火，（3）火為開坯鍛造，（4）火為改鍛，（5）火為成品鍛，最終得到鈦合金粗坯件：（1）火溫度為1150℃，（2）火和火溫度為1 100 ℃，（3）火溫度為960 ℃，（4）5 火溫度為950 ℃。（1）每火次的變形量控制在80%；（2）每火次和每火次變形量控制在75%；（3）每火次變形量控制在60%；（4）每火次變形量控制在40%，控制每次鍛造完，均需要利用打磨去除鍛造表面缺陷，最終得到?340的TC4 合金粗坯件。

2.3 斜軋穿孔（S3）

對步驟S2 鍛造得到的TC4 合金粗坯件采用1 200 ～1 400 KW 的感應加熱爐進行加熱，并將其加熱至1 000 ℃，再選用具有特定設計的子彈頭式頂頭的斜軋穿孔機對TC4合金管粗坯件進行穿孔，穿孔后的壁厚為20 mm，且對所述TC4 合金管粗坯件的內外表面進行修磨拋光，并對TC4合金管的第一端外壁進行30°～45°的倒角處理，得到TC4 合金管坯[5]。

子彈頭式頂頭具有較好的動力學流線，穿孔受到的阻力小，不易左右搖擺從而影響穿孔尺寸的穩定性。

2.4 徑向鍛造（S4）

將步驟S3 穿孔后的鈦合金管坯置于900 ～1 200 KW的臥式感應加熱爐中，并將其加熱至950 ℃，使用機械手在感應加熱爐和徑向鍛造機之間傳遞TC4 合金管坯，并使用四錘頭的徑向鍛造機對TC4 合金管坯件進行鍛造，管坯鍛造時，需要使用天然氣對TC4 合金管坯件加熱補熱；其中，本實施例中的四錘頭之間相互成90°，每個錘頭的壓力為800 ～1 200 t，錘頭的錘擊頻率為200 ～300次/min；鈦合金管坯的變形量為30%～40%，鍛造后得到?280 壁厚為6 mms 的TC4 合金管坯。

增加了幾個直線段的工作區域，相比較傳統錘頭加工方式而言增加了鍛造錘頭斜面的過程，最后再被錘頭頂鍛成水平面的過程，增加了變形次數，利于將網籃組織改變成等軸或雙態組織。

2.5 冷軋（S5）

將步驟S4 處理后的TC4 合金管坯件采用軋機進行6個道次冷軋，冷軋后得到?240.7 mm 壁厚為1 mm 的TC4 合金管坯件；其中，前4 個道次采用兩棍冷軋機，且TC4 合金管的外徑的控制在±0.50 mm 的公差范圍內，壁厚的控制在±0.30 mm 的公差范圍內，后2 個道次采用三棍冷軋機，每道次控制TC4 合金管坯的變形量為10%，每道次的送進量為2 mm/次，軋制速度為30 次/min，每道次后的工件均進行處理后再進行下一道次的冷軋。

所述每道次的處理工藝為：將每道次后的工件去除表面油污，再進行退火處理，退火溫度為750 ℃；之后采用氫氟酸和硝酸的混合液對其進行酸洗，其中，氫氟酸的所占質量百分比為5%～12%，硝酸所占質量百分比為10%～20%，混合液的溫度為40 ～60 ℃；再對酸洗后的工件進行矯直、表面修磨拋光以及對鈦合金管的第一端外壁進行30°～45°的倒角處理。

2.6 機加工（S6）

采用以上的防振夾具對冷軋處理后TC4 合金管坯件進行裝夾，利用數控車床對所述鈦合金管件進行粗加工，采用大圓弧角的刀具，并使用螺旋曲線走刀的方式，對冷軋后的鈦合金管件進行擺線加工，至管件外徑?240.55 mm；再使用無心磨床對其進行精加工至管件外徑?240±0.05 mm，得到管壁0.3 mm 的TC4 合金薄壁管材。

3 樣件檢測結果

3.1 力學性能檢測

通過250 t 的島津拉伸試驗機對產品拉伸試樣進行力學性能檢測。經過多次取樣，最終實測產品力學性能如表2 所示。

表2 TC4 管力學性能

3.2 金相檢測

通過蔡氏金相顯微鏡，對產品進行金相檢測，結果顯示產品組織為等軸或雙態組織，如圖7 所示。

3.3 尺寸檢測

對產品的直徑、壁厚和長度進行尺寸檢測，產品的直徑公差在0.05 mm 之內，壁厚公差在0.05 之內，長度公差在0.2 之內。

3.4 表面質量檢測

通過表面粗糙度比較樣塊，測量得到產品粗糙度為Ra1.6。

4 結論

根據以上檢測結果，我們分析得知，通過這種方式制備的鈦及鈦合金薄壁管材，組織和力學性能較“斜軋穿孔法”制備的管材更優秀，成本和材料利用率較“擠壓法”和“深孔加工法”更低，相比較以上三種方法，本方法可制備出壁厚更薄、表面質量更高的管材。本工藝經過試驗和批量生產驗證，生產穩定性好，生產效率高。本工藝涉及的工藝路線皆采用傳統設備和加工方法，不過做了一些有效的改良[4]。熔煉時，不再按照國標公差中值進行成分配比，而是在公差范圍內進行優化，并且設計了特殊外形的高密度電極塊外觀。通過以上措施有效降低了材料的塑性，減少鑄錠縮孔風險，同時可以控制生產成本，減少了鈦合金熔煉過程中產生的偏析，利于合金成分的均勻性，更有利于材料在后續的鍛造過程中獲得更好的組織；鍛造時，在表面涂覆了特定成分涂料，有效避免工件氧化，同時優化了鍛造工藝，不再在該工序追求優秀的組織，而是側重為后續斜軋穿孔工藝做組織準備。通過設計新斜軋穿孔頂頭、徑向鍛造錘頭和機加工用夾具，讓斜軋穿孔時效率更高、徑向鍛造時候組織更優秀、機加工時尺寸精度更高且表面質量更好。這個工藝路線較長、雖然采用的都是低成本工序，不過質量管控的難度高，加工周期偏長，這將在以后的研發中逐步得到解決。