王 何，何鳳敏，胡順忠，郭 海，鄭 兵，陳 雨

（1.四川三洲特種鋼管有限公司，四川 成都 610300；2.成都軍區(qū)善后工作辦公室，四川 成都 610000）

鈦合金是一種密度小、質(zhì)量輕、比強度高、韌性好的綜合性能優(yōu)異的材料，且具有良好的耐蝕性，廣泛應用于航空、航天、導彈、艦船、化工和體育用品、食品機械、醫(yī)療器械等領域。

目前國家標準GB/T 3624—2010《鈦及鈦合金無縫管》規(guī)定鈦及鈦合金無縫管的組距為Φ3～110 mm，實際最大生產(chǎn)組距為Φ219 mm［1］，前期某公司已能生產(chǎn)Φ273 mm的鈦合金熱軋無縫管［2］。本次研究著眼于更大直徑610 mm鈦合金無縫管的開發(fā)，以求接近或超過美國及俄羅斯熱軋（不含鍛造和擠壓工藝）鈦合金無縫管的最大直徑［1］，并保證各項檢驗指標均符合ASME SB 861—2013《鈦和鈦合金無縫管道規(guī)范》對Gr5的要求。

從工藝技術方案來看，鍛造工藝由于工藝復雜、生產(chǎn)流程長、管材長度受限、幾何尺寸精度不高（機加工余量大，故金屬損失大），最終材料利用率低（成材率12%～18%）；擠壓工藝對工模具設計和潤滑等要求較高，加工成本大，最終材料利用率也較低（成材率22%～27%）。采用周期軋制工藝的產(chǎn)品，由于其組織均勻、性能穩(wěn)定、幾何尺寸精度高，最終材料利用率較高（成材率能達到28%～45%）。

1 TC4鈦合金熱軋無縫管生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)前期多規(guī)格（Φ273～560 mm）TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管的試制經(jīng)驗，確定新的工藝路線為：鈦棒冶煉→鍛造→機加工扒皮→滲透探傷（PT）→機加工打通孔→超聲波探傷（UT）→臺車爐加熱→穿孔→冷卻→缺陷清理→毛管性能檢測→臺車爐再加熱→周期軋制→退火→高溫矯直→機加工→交付。

2 TC4熱軋無縫管研究與試驗

2.1 管坯制造工藝

2.1.1 鈦棒化學成分

TC4鈦合金為國內(nèi)鈦合金行業(yè)生產(chǎn)工藝最為成熟、使用最為廣泛的材料，其成分設計已經(jīng)非常成熟，此次目標產(chǎn)品Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管的化學成分標準值與實測值見表1。

表1 大直徑TC4鈦合金無縫管化學成分（質(zhì)量分數(shù)）要求與實測值%

2.1.2 鈦棒冶煉工藝

TC4鈦合金冶煉主要難點在于冶煉設備和生產(chǎn)的控制。此次材料冶煉使用了從德國引進的電子束冷床爐，有效減少高密度及低密度夾雜和成分偏析，獲得成分均勻且雜質(zhì)含量低的錠坯，同時還減少了電極和破碎料的損耗。通過控制海綿鈦及中間化學成分的均勻性和不同批次質(zhì)量的一致性，利用全封閉自動、混布料生產(chǎn)線的優(yōu)勢，提高合金元素分布均勻性，尤其是對Al元素揮發(fā)控制有效，可確保大型鑄錠冶煉質(zhì)量。熔煉方法為三次真空自耗熔煉，材料成分均勻、雜質(zhì)含量和氣體含量低。

2.1.3 鈦棒鍛造工藝

鍛造過程采用三鐓三拔工藝，發(fā)揮萬噸壓機鍛造壓力大、鍛造變形滲透性好、鍛造尺寸精度高等特點，保證原始晶粒的細小與均勻，同時保證不同批次棒材質(zhì)量的一致性和較高的成材率。

由于多次鍛造變形，總鍛壓比高達7以上，故鈦棒組織已較為理想，基本可以判定為網(wǎng)籃組織，不均勻非典型網(wǎng)籃組織如圖1所示。

圖1 不均勻非典型網(wǎng)籃組織

2.1.4 鈦棒機加工

由于鈦棒鍛造后幾何尺寸不規(guī)則、表面氧化嚴重、鍛造裂紋不易檢測，故需對鈦棒外表面進行機加工扒皮處理，機加工刀頭采用鈦及鈦合金機加工專用刀頭，設計最小扒皮量為5 mm。

2.2 鈦棒的檢查與驗收

2.2.1 滲透檢驗

為避免鈦合金棒材鍛造表面缺陷進入加熱工序產(chǎn)生裂紋擴展，需進行鈦棒表面著色滲透檢驗。

2.2.2 機加工打通孔

因鈦元素親和力較強，容易與其他金屬（頂頭）產(chǎn)生黏連，從而導致生產(chǎn)故障，同時為避免穿孔中心線偏移，需在鈦棒中心機加工通孔，通孔直徑要求不小于頂頭鼻部直徑，偏心度≤5 mm。

2.2.3 超聲波探傷

為避免鈦棒鍛造內(nèi)部缺陷導致軋制廢品，需進行鈦棒超聲波檢驗。

2.3 加 熱

2.3.1 加熱制度的工藝研究

鈦元素非?；顫?，易與氧、氫、氮等氣體發(fā)生化學反應，因此加熱鈦合金最理想的加熱爐是真空或純氬氣保護爐。但是，無縫管生產(chǎn)線上的加熱爐只有環(huán)形爐和車底式爐，無法進行真空或純氬氣保護加熱，只能通過控制爐內(nèi)氣氛來避免加熱對軋管質(zhì)量產(chǎn)生的不良影響。

車底式爐和環(huán)形爐均是以天然氣為燃料，如果以常規(guī)控制即保持微還原性氣氛加熱，則加熱過程中鈦合金吸氫強烈，氫會擴散到鈦合金內(nèi)部，降低其塑性，對熱變形極其不利；如果以氧化性氣氛加熱，則以氧滲入為主，充分抑制吸氫效應，只是加熱管坯表面會產(chǎn)生氧化鈦和富氧α層，氧化鈦對變形沒有影響，但富氧α層又硬又脆、塑性極差，在變形時會產(chǎn)生表面微裂紋，影響管材質(zhì)量，且加熱溫度越高、時間越長，富氧α層越厚，對表面質(zhì)量越不利，故高溫段加熱時間應盡可能短［3］。

按照臺車爐控制空燃比12∶1，控制殘氧量為2%～3%，使爐內(nèi)氣氛為微氧化氣氛，避免TC4鈦合金在加熱過程吸氫，同時通過高溫段快速加熱盡量減少氧化鈦和富氧α層厚度，避免破壞鈦合金的塑性變形性能［3］。

鈦合金對加熱制度的控制要求嚴格，PLC控溫的臺車爐由于采用天然氣為燃料，大火加熱時與小火保溫時的溫差達到30℃，而穿孔和軋制時的加熱溫度與TC4鈦合金的β相轉(zhuǎn)變溫度非常接近（僅相差30℃），加熱溫度過高會產(chǎn)生晶粒粗大，加熱溫度過低則變形抗力過大，本目標產(chǎn)品對臺車爐的合理加熱制度與執(zhí)行提出考驗。

TC4鈦合金的熱導率小，僅為鋼的1/5，隨著溫度的升高，熱導率增加。因此，為保證加熱質(zhì)量，必須控制合理的加熱速度和保溫時間。根據(jù)鈦合金熱導率變化特點，采取低溫段緩慢升溫、高溫段快速加熱、緩慢升溫時間原則上占總加熱時間的2/3來分配加熱爐各段加熱時間。

按照TC4鈦合金的變形抗力在920℃以下會急劇上升［3］，而加熱爐與穿孔機之間的運輸需要較長時間，故為考慮設備安全和產(chǎn)品成型，將加熱溫度定在1 010℃，此時經(jīng)過一定保溫均溫后出爐，穿孔初始溫度可達920℃及以上，加上穿孔過程中的溫升，其終軋溫度維持在外表面≥920℃、內(nèi)表面≥980℃。穿孔前的加熱曲線如圖2所示。

圖2 鈦棒穿孔前的加熱曲線

2.3.2 加熱工序的設備

鍛造和斜軋穿孔由于不是最終變形，對最終產(chǎn)品的性能和組織影響不大，因此對加熱溫度的精度要求相對普通，主要以順利實現(xiàn)二輥斜軋穿孔成型為目的，故目前穿孔加熱時臺車爐采用的按時間段分時設定溫度的加熱方式及PLC自動控制和檢測系統(tǒng)可以滿足加熱溫度要求。

2.4 穿 孔

斜軋穿孔是Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管的主變形工藝之一。由于在斜軋穿孔過程中，管坯內(nèi)外層金屬流動速度不同，金屬受到各種拉、壓、剪切、扭轉(zhuǎn)應力的綜合作用，變形條件惡劣，產(chǎn)品極易產(chǎn)生諸如外折、內(nèi)折、內(nèi)外表面裂紋等缺陷；同時由于鈦合金熱變形的主要工藝難點在于其最佳變形溫度區(qū)間窄，在斜軋穿孔過程中變形量較大，形變熱效應溫升（通常達到100℃左右）使材料進入塑性急劇降低的溫度區(qū)間，導致材料與工模具黏合在一起而軋卡，同時，如果管坯加熱溫度偏高或穿孔過程降溫措施不力，行進中的毛管表面溫度上升過大則降低了與軋輥間的摩擦因數(shù)，軋制動力下降可能造成軋卡；在穿孔至尾端時，因管坯與軋輥接觸面積減少、軋制動力不足以克服頂頭和導板的阻力而打滑產(chǎn)生穿孔尾卡。

通過精確計算和三維模擬后，將斜軋穿孔工藝由常規(guī)的減徑變形優(yōu)化為擴徑變形，可大大改善坯料在穿孔過程中的變形條件，有效抑制產(chǎn)品內(nèi)、外表面缺陷的產(chǎn)生；增加軋輥冷卻水并使冷卻水能沖向毛管，以控制形變熱效應溫升，避免材料塑性降低，與軋輥黏合在一起而軋卡；設計制作專用噴水式內(nèi)水冷頂頭，控制形變熱效應溫升，并使水蒸氣形成的蒸汽膜起到潤滑頂頭的作用，避免材料與頂頭黏合在一起而產(chǎn)生軋卡或劃傷毛管內(nèi)表面；設計制作專用噴水式導板，控制形變熱效應溫升，并使水蒸氣形成的蒸汽膜起到潤滑導板的作用，避免材料與導板黏合在一起而產(chǎn)生軋卡或劃傷毛管外表面。

為避免鈦合金管坯接觸冷狀態(tài)的工模具及工裝夾具造成局部溫度不均帶來變形抗力不均，對工模具及工裝夾具需進行預熱，具體措施為：離線加熱2支3 m左右長度毛管，提前30 min放在穿孔機前臺和孔型內(nèi)，使靜態(tài)工模具溫度達到100℃左右。

穿制鈦合金管坯前應先穿1支碳素鋼，調(diào)試孔型并預熱夾鉗、升降料槽、軋輥、導板（由于碳素鋼采用鈦合金的加熱制度，加熱溫度較低且保溫時間較短，為保證穿孔機不過載，需選用空心毛管進行穿孔），上料方式為夾鉗直接吊運至穿孔機升降料槽，不得通過輥道運輸，以免鈦合金棒材接觸冷輸送輥道產(chǎn)生局部溫差。試孔型料生產(chǎn)時關閉軋輥冷卻水和頂頭冷卻水，生產(chǎn)完畢測量尺寸后吊至前臺預熱夾具、運輸設備，頂頭不進行外水冷，避免鈦合金接觸冷器具產(chǎn)生局部溫降使坯料溫度不均。Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4穿孔工藝參數(shù)見表2。

表2 Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4鈦合金穿孔工藝參數(shù)

2.5 缺陷清理

為避免內(nèi)、外表面缺陷進入下工序使加熱裂紋擴展或軋制裂紋延伸，需在完全清理缺陷以后方能進行后續(xù)研制。

2.6 毛管性能檢測

2.6.1 力學性能

TC4鈦合金穿孔毛管的力學性能見表3。由于國家標準尚未涉及大直徑鈦及鈦合金無縫管的力學性能檢測，測試另參照GB/T 2965—2007《鈦及鈦合金棒材》的要求進行。由表3可以看出，穿孔毛管的力學性能已完全達到技術要求。

表3 TC4鈦合金穿孔毛管的力學性能

圖3 毛管的金相組織

2.6.2 金相組織

毛管的金相組織為粗晶魏氏組織（圖3）。

由于TC4鈦合金的變形抗力在920℃以下會急劇上升［4］，而加熱爐與穿孔機之間的運輸需要較長時間，故為考慮設備安全和產(chǎn)品成型，將加熱溫度定在1 010℃（高于β轉(zhuǎn)變溫度30℃），經(jīng)過長達1 h以上的保溫后，管坯原始晶粒發(fā)生了較大變化，故經(jīng)過穿孔變形后，組織形貌由無明顯晶界的網(wǎng)籃組織轉(zhuǎn)變?yōu)榇志菏辖M織，魏氏組織為有害的不理想組織，但從材料的力學性能（特別是沖擊吸收能量指標）來看，此結(jié)論在鈦合金的熱變形加工過程后尚待研究。

2.7 再加熱

2.7.1 再加熱制度設計

由于周期軋制是Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管最主要的變形工藝（變形量52%），是決定最終產(chǎn)品力學性能和金相組織的關鍵工序，故其對毛管的加熱制度要求極為嚴格：①為獲得合格的力學性能和理想的金相組織，要求在相變點以下的α+β兩相區(qū)內(nèi)進行軋制；②實際料溫必須控制在規(guī)定溫度±10℃范圍。

原設計加熱溫度為950℃，確保軋制變形在980℃β轉(zhuǎn)變溫度以下的α+β兩相區(qū)內(nèi)進行，以期獲得理想的金相組織。后因考慮到臺車爐到軋管機距離較長，軋前溫降預計達到90℃，而周期軋管機的軋制時間長達4 min，低溫狀態(tài)下鈦合金的變形抗力會急劇上升，軋管機存在過載停車的風險，將加熱溫度提高到970℃，高溫段保溫時間延長至3.5 h，既保證軋制變形在兩相區(qū)內(nèi)進行又保護了設備安全。毛管加熱制度如圖4所示。

2.7.2 再加熱制度執(zhí)行

運輸過程中溫降較大，且周期軋管機的純軋時間長，低溫狀態(tài)下鈦合金的變形抗力會急劇上升，軋管機存在過載停車的風險，為確保軋制周期順利，必須采取相應措施加以彌補：①冷狀態(tài)在爐頭（溫度最差位置）安裝1只接觸式鎧裝熱電偶，位于毛管內(nèi)孔下部位置，以期精確檢測實際料溫。經(jīng)實際檢測，在低溫段由于TC4鈦合金的導熱率小，到溫時間和均溫時間與設定相差較大，而到高溫段（900℃）以后，由于熱導率顯著增加，到溫時間和均溫時間與設定已能達到基本一致；②實際料溫與規(guī)定溫度控制在±10℃范圍，毛管實際加熱曲線如圖5所示。

圖4 毛管加熱制度

圖5 毛管實際加熱曲線

2.8 周期軋制

2.8.1 軋制準備

（1）工模具。為保證軋輥表面粗糙度滿足軋制需要，要求軋輥表面必須為車削表面，且腐蝕時間≥1周。由于鈦合金與工模具接觸并發(fā)生相對摩擦時容易黏附在工模具上而造成軋制變形時縱向流動不暢、軋完后抱緊芯棒，因而設計制作專用的2 000∶1錐度芯棒，保證軋制中金屬的縱向延伸、軋完后順利脫棒。

（2）工模具及走鋼線預熱。為避免鈦合金坯料接觸冷狀態(tài)的工模具及工裝夾具造成局部溫度不均而使變形抗力不均，對工模具及工裝夾具進行預熱，具體措施為：試軋1支試孔型料，試孔型料按鈦合金軋管的工藝參數(shù)進行調(diào)整，軋制完成后再退至軋管機前臺預熱毛管升降臺、活動導槽和夾鉗10 min。

2.8.2 周期軋制

（1）軋制過程及工藝參數(shù)。Φ610 mm×30 mm TC4鈦合金管軋制參數(shù)見表4。

（2）幾何尺寸。TC4鈦合金管的荒管幾何尺寸見表5。

表4 Φ610 mm×30 mm TC4鈦合金管軋制參數(shù)

表5 TC4鈦合金管的荒管幾何尺寸mm

2.9 力學性能和金相組織

2.9.1 力學性能

TC4鈦合金管的力學性能見表6。

由表6可以看出，TC4鈦合金管的力學性能完全達到 ASME SB 861—2013和 GB/T 2965—2007的技術要求，且富余量充足。

2.9.2 金相組織

TC4鈦合金管的金相組織為網(wǎng)籃組織（圖6）。由于軋制總變形量達到52%，且周期軋制的變形方式為鍛、軋、擠的三向壓應力相結(jié)合，使穿孔毛管的原始晶粒得到充分的破碎變形，且在970℃保溫時間足夠長，使得毛管內(nèi)、中、外溫度已經(jīng)非常均勻，故最終得到比較均勻的網(wǎng)籃組織［4］。

2.10 機加工

TC4鈦合金管的機加工流程見表7。

2.11 成 品

Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4鈦合金成品管尺寸檢測結(jié)果見表8。

表6 TC4鈦合金管的力學性能

圖6 TC4鈦合金管金相組織

3 結(jié) 語

（1）周期軋管機的變形方式為鍛、軋、擠相結(jié)合的制造工藝，采用該工藝生產(chǎn)的TC4鈦合金管，其產(chǎn)品綜合性能良好，且縱、橫向性能均勻，力學性能富余量較大。

（2）該大直徑TC4鈦合金熱軋無縫管的研制成功，將國內(nèi)可生產(chǎn)鈦合金熱軋無縫管的規(guī)格外徑上限由219 mm大幅度提高到610 mm，已接近或超過美國及俄羅斯熱軋（不含鍛造和擠壓工藝）鈦合金無縫管的最大直徑。

（3）該TC4大直徑鈦合金熱軋無縫管的主要變形工序僅采用斜軋穿孔+周期軋管兩道工序，大幅降低了管材的制造成本和制造周期。

表7 TC4鈦合金管的機加工流程

表8 Φ610 mm×30 mm×6 000 mm TC4鈦合金機加工成品管尺寸 mm